Билет 6
Диаграми на състоянието на бинарни сплави. Правила за фази, сегменти и концентрации. Използване на диаграми на състоянието за определяне на свойствата на сплавите и възможните видове топлинна обработка.
Тъй като видът на диаграмата, както и свойствата на сплавта, зависят от това кои съединения или кои фази са образували компонентите на сплавта, трябва да има определена връзка между тях:Правилото на Курнаков.
При образуването на механични смеси свойствата се променят по линеен закон.
Когато се образуват твърди разтвори с неограничена разтворимост, свойствата на сплавите се променят по криволинейна зависимост,
Когато се образуват твърди разтвори с ограничена разтворимост, свойствата в концентрационния диапазон, съответстващ на еднофазните твърди разтвори, се променят по криволинейния закон, а в двуфазната област - по линейния закон.
4. Когато се образуват химически съединения, концентрацията на химичното съединение съответства на максимума на кривата. Тази точка на счупване, съответстваща на химично съединение, се нарича сингулярна точка.
Топлоустойчивост, високотемпературни стомани и сплави
Топлоустойчивосте способността на метала да устои на пластична деформация и счупване при високи температури.
Топлоустойчивите материали се използват за производството на части, работещи при високи температури, когато се наблюдава явлението пълзене.
Критериите за оценка на устойчивостта на топлина са краткосрочна и дългосрочна якост, пълзене.
Краткотрайната якостсе определя чрез изпитване на опън на проби на разкъсване. Пробите се поставят в пещ и се тестват при определена температура. Обозначават краткосрочниякост =, например300oC=300MPa.
Силата зависи от продължителността на теста.
Граница на дълготрайна якосте максималното напрежение, което причинява разрушаването на пробата при дадена температура за определено време.
Например= 200 MPa,горният индекс показва температурата на изпитване, а долният индекс показва определената продължителност на изпитването в часове. За котелни инсталации се изисква ниска стойност на якост, но за няколко години.
Пълзене –свойството на метала бавно да се деформира пластично при постоянно натоварване при постоянна температура.
По време на изпитването пробите се поставят в пещ при дадена температура и се прилага постоянно натоварване. Измерете напрежението с индикатори.
При обикновена температура и напрежения над границата на еластичност не се наблюдава пълзене, но при температури над 0,6 Tтопи се, когато протичат процеси на размекване и при напрежения над границата на еластичност се наблюдава пълзене.
В зависимост от температурата скоростта на деформация при постоянно натоварване се изразява с крива, състояща се от три секции (фиг. 20.3):
Ориз. 20.3. крива на пълзене
OA е еластичната деформация на образеца в момента на прилагане на натоварването;
AB е площта, съответстваща на началната скорост на пълзене;
BC е участъкът на постоянната скорост на пълзене, когато удължението има постоянна скорост.
Ако напреженията са достатъчно високи, тогава третият етап продължава (разрезът на SD), който е свързан с началото на разрушаването на пробата (образуването на шийка).
За въглеродните стомани се наблюдава пълзене при нагряване над 400 o C.
Граница на пълзене– напрежение, което за определено време при дадена температура предизвиквададено общо удължение или дадена скорост на деформация.
Например MPa, където горният индекс е температурата на изпитване в o C, първият индекс е определеното общо удължение в проценти, вторият е определената продължителност на изпитването в часове.
Класификация на топлоустойчиви стомани и сплави
При температури до 300 o C конвенционалните конструкционни стомани имат висока якост, не е необходимо да се използват високолегирани стомани.
Перлитни топлоустойчиви стомани. Тази група включва котелни стомани и силихроми. Тези стомани се използват за производството на части за котелни агрегати, парни турбини и двигатели с вътрешно горене. Стоманите съдържат относително малко въглерод. Легирането на стомани с хром, молибден и ванадий се извършва за повишаване на температурата на прекристализация (степени 12Kh1MF, 20Kh3MF). Използва се в закалено и високо темперирано състояние. Понякога втвърдяването се заменя с нормализиране. В резултат на това се образуват продукти на трансформация на ламелен аустенит, които осигуряват по-висока устойчивост на топлина. Границата на пълзене на тези стомани трябва да осигурява остатъчна деформация в рамките на 1% за 10 000 ... 100 000 часа работа.
Перлитните стомани имат задоволителна заваряемост, поради което се използват за заварени конструкции (например тръби за прегряване).
За производството на топлоустойчиви части, които не изискват заваряване (клапани на двигатели с вътрешно горене), се използват хромово-силициеви стомани -silchromes:40X10S2M, 40X9S2, X6S.
Топлоустойчивите свойства се увеличават с увеличаване на степента на допиране. Силхромите се втвърдяват от температура около 1000 o C и се темперират при температура 720 ... 780 o C.
При работни температури от 500 ... 700 o C се използват стоманиот аустенитния класОттези стомани се използват за направата на двигателни клапани, лопатки на газови турбини, дюзи на реактивни двигатели и др.
Основните топлоустойчиви аустенитни стомани са хром-никелови стомани, допълнително легирани с волфрам, молибден, ванадий и други елементи. Стоманите съдържат 15...20% хром и 10...20% никел. Те имат топлоустойчивост и топлоустойчивост, пластични са, заваряват се добре, но рязането и обработката под налягане е трудно, стават крехки в температурния диапазон от около 600 o C, поради разделянето на различни фази по границите.
Според структурата стоманите се разделят на две групи:
1. Аустенитни стоманис хомогенна структура17Х18Н9, 09Х14Н19В2БР1, 12Х18Н12Т. Съдържанието на въглерод в тези стомани е минимално. За да се създаде по-голяма хомогенност на аустенита, стоманите се охлаждат от 1050 ... 1100 o C във вода, след което, за да се стабилизира структурата, те се темперират при 750 o C.
2. Аустенитни стоманис разнородна структура37Х12Н8Г8МФБ, 10Х11Н20Т3Р.
Термичната обработка на стоманите включва закаляване от 1050...1100 o C. След закаляването стареене при температура над работната температура (600...750 o C). В процеса на задържане при тези температури се отделят карбиди и карбонитриди в дисперсна форма, в резултат на което се повишава якостта на стоманата.
Частите, работещи при температури от 700 ... 900 o C, са направени от сплави на базата наникел и кобалт(например турбини на реактивни двигатели).
Никеловите сплави се използват главно в деформирана форма. Те съдържат повече от 55% никел и минимално количество въглерод (0,06...0,12%). По отношение на топлоустойчивите свойства те превъзхождат най-добрите топлоустойчиви стомани.
По структура никеловите сплави се разделят нахомогенни (нихроми)ихетерогенни(нимоники).
Нихром.Основата на тези сплави е никелът, а основният легиращ елемент е хромът (KhN60Yu, KhN78T).
Нихромите нямат висока устойчивост на топлина, но са много устойчиви на топлина. Използват се за леко натоварени части, работещи в окислителна среда, включително нагревателни елементи.
Nimonicsса четвърт сплави никел - хром (около 20%) - титан (около 2%) - алуминий (около 1%) (KhN77TYu, KhN70MVTYuB, KhN55VMTFKU). Използва се само в термично обработено състояние. Термичната обработка се състои от закаляване от 1050...1150 o C на въздух и темпериране - стареене при 600...800 o C.
Увеличаването на топлоустойчивостта на сложно легирани никелови сплави се постига чрез укрепване на твърдия разтвор чрез въвеждане на кобалт, молибден и волфрам.
Основните материали, които могат да работят при температури над 900 o C (до 2500 o C) сасплави на основата на огнеупорни метали- волфрам, молибден, ниобий и др.
Точки на топене на основните огнеупорни метали: волфрам - 3400 o C, тантал - 3000 o C, молибден - 2640 o C, ниобий - 2415 o C, хром - 1900 o C.
Високата топлоустойчивост на такива метали се дължи на големите сили на междуатомните връзки в кристалната решетка и високите температури на рекристализация.
Най-често използваните сплави на основата на молибден. Титан, цирконий и ниобий се въвеждат в сплавите като легиращи добавки. За да се предпази от окисляване, се извършва силиконизация, върху повърхността на сплавите се образува слой от MoSi2 с дебелина 0,03 ... 0,04 mm. При температура 1700o със силиконизирани части може да работи 30 часа.
Волфрамът е най-огнеупорният метал. Използва се като легиращ елемент в стомани и сплави за различни цели, в електротехниката и електрониката (нишки, нагреватели ввакуумни устройства).
Като легиращи елементи към волфрам се добавят молибден, рений, тантал. Волфрам-рениеви сплави запазват пластичност до –196 o C и имат якост на опън 150 MPa при температура 1800 o C.
Сплавите на базата на волфрам се характеризират с ниска устойчивост на топлина, образуваните оксидни филми надвишават обема на метала повече от три пъти, така че те се напукват и отлепват.