Понятие и виды ликвации, причины их возникновения и способы устранения. Сущность и методику измерения ударной вязкости механических свойств металла. Цементация стали: сущность процесса, структура, свойства и области применения. Титан и его сплавы.
Ликвация возникает в результате того, что сплавы, в отличие от чистых металлов, кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем большее развитие получает ликвация, причем наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину интервала кристаллизации (для стали, это например, сера, кислород, фосфор, углерод). За окончательный результат испытания принимают работу удара или ударную вязкость для образцов с концентраторами видов U и V и ударную вязкость для образцов с концентратором вида Т (усталостная трещина, получаемая в вершине начального надреза при циклическом изгибе образца в одной плоскости). Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (ТОЧКАQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% - структуру феррит цементит третичный и называются техническим железом. При нагреве до 700ЄС в стали 40 не происходят аллотропические превращения и мы имеем ту же структуру - перлит феррит, быстро охлаждая (т.к. закалка), имеем также после охлаждения перлит феррит с теми же механическими свойствами (примерно), что и в исходном состоянии до нагрева под закалку.
Введение
Материаловедением называется наука, изучающая наиболее важные свойства металлов и неметаллов в зависимости от их химического состава, физического строения, структуры и обработки.
В химии все вещества делятся, как известно, на металлы и неметаллы. Металлы расположены в левой части Периодической таблицы Менделеева (левее галлия, индия и таллия).
Почти 80% чистых веществ в природе - металлы. Внешние электроны у металлов не прочно связаны с ядром, на наружных электронных оболочках электронов не много (как правило 1-2), поэтому металлы, вступая в связь с неметаллами, легко отдают свои валентные электроны.
Металлы характеризуются рядом особенных свойств: металлический блеск;
высокая тепло- и электропроводности;
способность к пластической деформации.
Сплавы на основе железа называются черными, все остальные - цветными.
В современной технике имеется огромное количество различных устройств, машин и механизмов, строительных конструкций, приборов, оборудования и инструментов, элементы которых работают в самых разнообразных условиях. Это высокие нагрузки, износ, действие агрессивных сред, повышенные и высокие температуры, очень низкие отрицательные температуры и т.д.
Для того чтобы обеспечить работоспособность, надежность и долговечность всех деталей и конструкций, применяемых в современной технике, нужны материалы, которые обладали бы необходимыми свойствами и могли бы работать в конкретных условиях эксплуатации.
1. Что такое ликвация? Виды ликвации, причины их возникновения и способы устранения ликвация вязкость сталь титан
Ликвация (от лат. liquatio - разжижение, плавление) называют химическую неоднородность металлов, возникающую при их кристаллизации.
Неоднородность по составу приводит к различию в свойствах и общему ухудшению качества сплава.
Различают ликвацию макроскопическую, когда неоднородность видна глазом и микроскопическую, которая видна под микроскопом и может быть выявлена химическим анализом.
Ликвация в пределах слитка называется зональной ликвацией (макроскопический уровень), а ликвация в пределах дендрита - дендритной ликвацией (микроскопический уровень).
Дендритная ликвация проявляется в микрообъемах сплава, близких к размеру зерен. Дендритная ликвация выражается в том, что оси дендритных кристаллов отличаются по химическому составу от межосных пространств.
Этот вид ликвации может быть в значительной степени устранен при длительном отжиге металла (так называемая гомогенизация) в результате диффузии примесей.
Внутри дендрита различают состав сплава в осях, в межосных пространствах и по его границам.
Макроскопическая ликвация выражается в том, что по сечению всего слитка или отдельных его частей наблюдаются невооруженным глазом области, обогащенные примесями. Зональная ликвация, наблюдаемую во всем объеме слитка. Зональная ликвация выражается в наличии в слитке нескольких зон с различным химическим составом, которые в зависимости от характера отклонений от среднего состава сплава называются зонами положитель
Для уменьшения зональной ликвации ограничивают размеры слитков, а также применяют специальные металлургические процессы: непрерывную разливку, переплав в водоохлаждаемом кристаллизаторе (электрошлаковый или вакуумный) и т.п.
Ликвация относится к категории явлений расслоения, приводящих к колебаниям состава, возникающим в результате затвердевания в макро- и микрообластях; ликвация прямо связана с негомогенностью структуры.
Ликвацию классифицируют следующим образом: 1) Ликвация в пределах кристалла (в микрообъемах).
2) Ликвация в слитке, или зональная ликвация (в макрообъемах), которая подразделяется на: - ликвацию, связанную с направлением теплового потока (с направленным теплоотводом); может быть обычной (нормальной) и обратной;
- ликвацию, связанную с действием силового поля; может быть графитационной (по весу) и возникающей при центрифугировании.
Для зональной макроликвации возможна еще классификация: 1. Общая, которая может быть положительной ликвацией в слитке или отливке (прямой) и отрицательной (обратной).
2. Местная (кайма по кромке затвердевания; V-образная ликвация; ликвационные шнуры; обратная V-образная ликвация, или теневые полосы; пятнистая ликвация; ликвация, связанная с газовыми пузырями).
Ликвация усиливается при: а) увеличении скорости охлаждения (особенно дендритная ликвация);
б) уменьшении скорости диффузии.
Ликвация уменьшается (в редких случаях дендритная ликвация устраняется) в результате гомогенизационного или диффузионного отжига. Количественная оценка ликвации в кристалле осуществляется с помощью коэффициента ликвации Кликв. На величину ликвации в кристалле влияет сочетание количеств легирующих добавок.
Причиной ликвации является образование разного состава кристалла. Ликвация возникает в результате того, что сплавы, в отличие от чистых металлов, кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур. При этом состав кристаллов, образующихся в начале затвердевания, может существенно отличаться от состава последних порций кристаллизующегося маточного раствора. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем большее развитие получает ликвация, причем наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину интервала кристаллизации (для стали, это например, сера, кислород, фосфор, углерод).
Для уменьшения степени ликвации необходимо весьма медленное охлаждение сплава в интервале температур кристаллизации и ниже, для полного протекания выравнивающей диффузии.
2. Дайте определение ударной вязкости (KCU). Опишите методику измерения этой характеристики механических свойств металла
Ударная вязкость - это способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению.
Испытания на ударную вязкость относятся к динамическим видам испытаний. Для определения ударной вязкости используют стандартные образцы с надрезом U- или V-образной формы, который служит концентратором напряжений. В зависимости от формы надреза ударная вязкость обозначается KCU или KCV.
Образец квадратного или прямоугольного сечения с концентраторами вида U, V и Т (рисунок 1) устанавливают на опорах маятникового копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту. Удар наносят посередине образца со стороны, противоположной надрезу. За окончательный результат испытания принимают работу удара или ударную вязкость для образцов с концентраторами видов U и V и ударную вязкость для образцов с концентратором вида Т (усталостная трещина, получаемая в вершине начального надреза при циклическом изгибе образца в одной плоскости). Работу (KU, KV или КТ) разрушения образца определяют обычно по специальной шкале маятникового копра. После определения работы разрушения образца вычисляют ударную вязкость KCU (KCV, КСТ): КС= = K/S0, где S0 - площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см2.
Рисунок 1 - Образцы для испытаний на ударную вязкость: а-в-соответственно с концентраторами вида U, V и T (усталостная трещина)
Работу удара обозначают двумя буквами (KU, KV или КТ) и цифрами. Первая буква (К) - символ работы удара, вторая буква (U, V или Т) - вид концентратора. Последующие цифры обозначают максимальную энергию удара маятника, глубину концентратора и ширину образца. Цифры не указывают при определении работы удара на копре с максимальной энергией удара маятника 30 кгс•м, при глубине концентратора 2 мм для концентраторов видов U и V и 3 мм для концентратора типа Т и ширине образца 10 мм.
Ударную вязкость также обозначают сочетанием букв и цифр. Первые две буквы КС обозначают символ ударной вязкости, третья буква - вид концентратора; первая цифра - максимальную энергию удара маятника, вторая - глубину концентратора и третья - ширину образца. Цифры не указывают в тех же случаях, что и для работы удара. Применяют 10 типов образцов с надрезом вида U, А - с надрезом вида V и 6 - с надрезом вида Т.
Для определения ударной вязкости хрупких материалов (чугунов, сталей с твердостью HRC 55 и выше) допускается применение призматических образцов с размерами 10х10х55 мм без надреза. Ударную вязкость, полученную при испытании таких образцов, обозначают символом КС без индекса.
Для более точной оценки вязкости материалов иногда ударную вязкость как интегральную характеристику делят на две составляющие - удельную работу зарождения а3 и удельную работу развития ар трещины: AH = a3 ap. При хрупком разрушении работа распространения трещины близка к нулю, а при полухрупком она снижается пропорционально проценту вязкой составляющей в изломе, поэтому целесообразно определять ар только при полностью вязком изломе.
Существует несколько методов определения а3 и ар. Наиболее распространены метод Б.А. Дроздовского (предварительное нанесение на образец усталостной трещины) и метод А.П. Гуляева (испытание образцов с разными надрезами и построение зависимости ударной вязкости от радиуса надреза); экстраполяция прямой до нулевого значения радиуса надреза дает возможность получить величину ар.
Таким образом, ударная вязкость показывает, какой стойкостью обладает материал к ударному излому.. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения для сплава, содержащего 3,6% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре, и как такой сплав называется?
Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус). При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в б-железе (д-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1% заканчивается по линии АН с образованием б (д) - твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в г-железе, т.е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE. При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным цементитом. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3 Л [А2,14 Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита. Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических - аустенит ледебурит, эвтектических - ледебурит и заэвтектических - цементит (первичный) ледебурит. Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении г-железа в б-железо и распадом аустенита. Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита. Линия ES показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом. В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8>П [Ф0,03 Ц6,67]. Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.
Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (ТОЧКАQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% - структуру феррит цементит третичный и называются техническим железом.
Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ЄС имеют структуру феррит перлит и заэвтектоидные - перлит цементит вторичный в виде сетки по границам зерен. В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147-727ЄС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727ЄС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит цементит).
Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ЄС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ЄС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.
Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением: C = K 1 - Ф, где С - число степеней свободы системы; К - число компонентов, образующих систему; 1 - число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях); Ф - число фаз, находящихся в равновесии.
Сплав железа с углеродом, содержащий 3,6% С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре - перлит цементит ледебурит.
Рисунок 2 - диаграмма железо-цементит и кривая охлаждения для сплава, содержащего 3,6% углерода. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 45-50 HRC. Укажите, как этот режим называется, и какая структура получается в данном случае
Сталь У8 содержит 0,8% углерода, т.е. это эвтектоидная сталь.
Изотермической обработкой, необходимой для получения твердости 45…50 HRC, является изотермическая закалка - вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критической точки, выдержке и последующем быстром охлаждении со скоростью не ниже критической.
Нагрев при закалке производится для перевода всей исходной структуры или определенной ее части в аустенит, который является исходной фазой для получения конечной структуры закаленной стали.
Выдержка необходима для выравнивания температуры по сечению детали и для полного установления необходимого фазового состояния.
Охлаждение при закалке должно производиться со скоростью не меньше критической для того, чтобы предотвратить протекание диффузионных процессов и переохладить весь исходный аустенит до температурного интервала мартенситного превращения.
Критическая скорость охлаждения (закалки) - это минимальная скорость охлаждения, при которой предотвращается диффузионный распад переохлажденного аустенита.
Температура закалки определяется исходя из массовой доли углерода в стали и соответствующего ей значения критической точки. Практически критические точки выбирают по справочникам или по диаграмме состояния «железо - цементит». Продолжительность нагрева и выдержки определяется размерами и конфигурацией деталей и способом их укладки в печи. Она должна быть такой, чтобы прошло выравнивание концентрации углерода в аустените. Обычно общее время нагрева и изотермической выдержки составляет 1-1,5 мин на мм наибольшего поперечного сечения.
Закалочное охлаждение эвтектоидной и доэвтектоидных сталей происходит из однофазной аустенитной области, поэтому структура этих сталей после закалки будет представлять мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита.
Диаграмма изотермического превращения аустенита для этой стали приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8
При изотермической закалке сталь У8 нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас1 (Ас1 = 730°С) и после выдержки охлаждают до температуры 250-350°С, что несколько превышает температуру начала мартенситного превращения. Выдержка деталей в закалочной среде должна быть достаточной для полного превращения аустенита в нижний бейнит, имеющий твердость 45…50 HRC. Нижний бейнит представляет собой структуру, состоящая из б-твердого раствора, претерпевшего мартенситное превращение и несколько пересыщенного углеродом, и частиц карбидов. В качестве охлаждающей среды при изотермической закалке применяют расплавленные соли или расплавленные щелочи.. Как изменяются структура и свойства стали 40 и У12 в результате закалки от температуры 750 и 850°С? Объясните с применением диаграммы состояния железо-цементит. Выберите оптимальный режим нагрева под закалку для каждой стали
В углеродистых сталях различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы - феррит (Ф) и аустенит (А) и химическое соединение цементит (Ц).
Феррит - твердый раствор внедрения углерода в a - железе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку и содержит при нормальной температуре менее 0,006% углерода. У феррита низкие твердость и прочность, высокие пластичность и ударная вязкость.
Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в g - железе, при нормальной температуре в углеродистых сталях в равновесном состоянии не существует.
Цементит - химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fe3C. Он обладает сложной кристаллической решеткой, содержит 6,67% углерода. Для цементита характерна высокая твердость и очень низкая пластичность.
Согласно фазовой диаграмме «железо-цементит» (рис. 4а) углеродистые стали при нормальной температуре состоят из двух фаз: феррита и цементита. 1% углерода соответствует 15% цементита. Исходя из этого массовая доля цементитной фазы находится умножением массовой доли углерода, содержащегося в стали, на 15. Поскольку в феррите содержится очень малая доля% углерода, то практически весь углерод, имеющийся в стали, входит в состав цементита. Поэтому увеличение массовой доли углерода в стали ведет к увеличению массовой доли цементитной фазы, что приводит к повышению твердости и прочности, понижению пластичности и ударной вязкости.
Фазы в углеродистых сталях определенным образом располагаются в их объемах, образуя в зависимости от массовой доли углерода, ту или иную структуру. Равновесные структуры углеродистых сталей указываются на структурной диаграмме «железо - цементит» (рис. 4б).
В стали 40 содержится 0.4% углерода - она является доэвтектойдной. Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.
Исходная структура среднеуглеродистой конструкционной стали 40 до нагрева под закалку - перлит феррит.
Критические точки для стали 40: АС1=730ЄС, АС3=790ЄС.
При нагреве до 700ЄС в стали 40 не происходят аллотропические превращения и мы имеем ту же структуру - перлит феррит, быстро охлаждая (т.к. закалка), имеем также после охлаждения перлит феррит с теми же механическими свойствами (примерно), что и в исходном состоянии до нагрева под закалку. Например, после нормализации: УТ=36 кгс/мм2, УВ=61 кгс/мм2, д=16%, ш=40%, НВ?180.
Если доэвтектоидную сталь нагреть выше Ас1, но ниже Ас3, то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 750°С (ниже точки Ас3) структура стали 40 - аустенит феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали - мартенсит феррит.
Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 820-840°С. Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку - аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической - мартенсит. Нагрев и выдержка стали 40 при температуре выше 850ЄС приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки. Крупнозернистая структура вызывает повышенную хрупкость стали. Таким образом, более высокие эксплуатационные свойства будет иметь деталь, закаленная от температуры 830°С.
На рисунке 5 показан фрагмент диаграммы железо-цементит.
Сталь У12 - углеродистая инструментальная сталь, состоит из зерен перлита и зерен цементита. Зерен феррита в этих сталях нет. Такие стали называются заэвтектоидными.
Исходная структура высокоуглеродистой инструментальной стали У12 до нагрева под закалку - перлит карбиды.
Критические точки для стали У12: АС1=730ЄС, АС3=820ЄС.
При нагреве до 700ЄС в стали У12 не происходят аллотропические превращения и мы имеем ту же структуру - перлит карбиды, быстро охлаждая (т.к. закалка), имеем также после охлаждения перлит карбиды с теми же механическими свойствами (примерно), что и в исходном состоянии до нагрева под закалку. При температуре 720° в стали происходит первое очень глубокое изменение структуры: зерна перлита превращаются в зерна аустенита. При нагреве углеродистых сталей выше 720° зерна аустенита будут увеличиваться, а зерна феррита уменьшаться, потому что зерна аустенита будут постепенно поглощать зерна феррита и растворять их в себе.
Оптимальный режим нагрева под закалку для заэвтектоидных сталей (%С>0,8%) составляет АС1 (30ч50є), т.е. для У12 - 760-780ЄС. При этом после закалки имеем мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойства стали У12. Нагрев и выдержка стали У12 при температуре 850ЄС перед закалкой приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки.
6. Цементация стали. Сущность процесса, структура, свойства и области применения
Цементацией называется технологический процесс, при котором происходит насыщение поверхности стали углеродом с целью повышения твердости, износоустойчивости.
Цементации подвергаются стали, содержащие углерода менее 0,25%, так как стали, содержащие углерода менее 0,25%, в результате закалки не увеличивают свою твердость, это такие, например, марки: сталь 10, 20, 18ХГТ, 20Х3Н4А и т.д. С целью восприятия закалки эти стали подвергаются цементации.
В результате цементации и последующей термической обработки получается поверхностный слой с высокой твердостью HRCЭ 60 и высокой износостойкостью, при этом сохраняется вязкая сердцевина, происходит поверхностное упрочнение.
Преимуществом цементации перед поверхностной закалкой является плавный переход упрочненного слоя к неупрочненной сердцевине, а также получение равномерного упрочненного слоя независимо от конфигурации детали.
Цементацию проводят в твердом или газообразном карбюризаторе. Карбюризатор ? это химический реагент, насыщающий поверхность детали.
В качестве газового карбюризатора применяют углеродосодержащие газы: метан, этан, пропан, природный газ и т.д. В качестве твердого карбюризатора применяют древесный (обычно березовый) уголь, или опилки древесные. Для ускорения процесса цементации в твердом карбюризаторе применяют катализаторы в количестве 20-25% BACO3 и 3,5% Na2CO3.
Изделия, подвергающиеся цементации предварительно очищают и помещают в стальной, либо литой чугунный ящик, называемый муфелем. При упаковке изделий на дно муфеля насыпают слой смеси карбюризатора и катализатора толщиной 20-30 мм, на который укладывают детали, а также контрольный образец (свидетель), так чтобы они были изолированы друг от друга слоем карбюризатора (рисунок 6).
Последний верхний слой деталей засыпают карбюризатором толщиной 30 мм. Ящик накрывают крышкой и края обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины и речного песка. После этого муфель помещают в печь, при этом нужно строго следить, чтобы температура печи была 910-930°C.
При такой температуре древесный уголь, или опилки сгорают в муфеле, при недостатке кислорода образуется неустойчивое химическое соединение: 2C O2 = 2CO.
Окись углерода в присутствии железа диссоцирует по уравнению: 2СО = СО2 Сат.
Атомарный углерод, выделяющийся в результате этой реакции, осаждается на поверхности детали, затем диффундирует в глубь детали. Добавление углекислых солей активизирует карбюризатор, обогащая атмосферу в цементационном ящике окисью углерода: BACO3 C = BAO 2CO; 2CO = CO2 Cat.
Диффузия углерода в сталь возможна только в том случае, если углерод находится в атомарном состоянии, атомарный углерод адсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла.
Цементацию, как правило, проводят при температурах выше точки АС3 (рисунок 7), когда структура стали содержит аустенит, способный растворить углерод в количестве 2%. При температуре цементации (выше точки АС3) диффузионный слой состоит только из аустенита, обогащенного углеродом, а после медленного охлаждения из продуктов его распада: феррита и цементита, причем структура поверхностного слоя будет состоять из перлита и цементита и по мере удаления от поверхности будет последовательно состоять из перлита и феррита.
Рисунок 7 - - Критические точки на диаграмме железо - углерод
Цементированный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине. За глубину цементированного слоя принимают расстояние от поверхности до середины переходного цементированного слоя. В качестве контрольной твердости (после термической обработки) применяют твердость НВ350, характеризующую суммарную глубину заэвтектоидной зоны и половины переходной зоны, содержащей углерода до 0,45%.
Обычно глубина цементированного слоя составляет 0,5-1,8 мм. Чем выше температура, тем больше толщина слоя, полученная за определенное время. Глубину цементированного слоя можно легко определить по излому контрольного образца визуально, так как цементированный слой имеет белый цвет и более мелкозернистую структуру. Концентрация углерода в поверхностном слое обычно составляет 0,8-1,0%. Для получения максимального сопротивления контактной усталости, количество углерода может быть повышено до 1,1-1,2% C. Более высокое содержание углерода вызывает ухудшение механических свойств цементируемого изделия. В результате цементации получается поверхностный слой, обогащенный углеродом до 0,8-1,0%, что позволяет подвергать изделия последующей закалке и получать высокую износостойкость и твердость поверхностного слоя HV 560-600 (HRC 35 - 60) при сохранении вязкой сердцевины, позволяющей гасить напряжения, возникающие при ударных, крутящих нагрузках. Более высокую износостойкость, более высокую усталостную прочность, более высокие антикоррозионные свойства и хороший товарный вид имеют детали, подвергающиеся химико-термической обработке, называемой азотированием.
7. Титан и его сплавы. Структура, термическая обработка, свойства и области применения
Титан - серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см3. Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660…1680 ОС.
Чистый иодидный титан, в котором сумма примесей составляют 0,05…0,1%, имеет модуль упругости 112 000 МПА, предел прочности около 300 МПА, относительное удлинение 65%.
Наличие примесей сильно влияет на свойства. Для технического титана ВТ1, с суммарным содержанием примесей 0,8%, предел прочности составляет 650 МПА, а относительное удлинение - 20%.
При температуре 882 ОС титан претерпевает полиморфное превращение, - титан с гексагональной решеткой переходит в-титан с объемно-центрированной кубической решеткой. Наличие полиморфизма у титана создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки.
Титан имеет низкую теплопроводность. При нормальной температуре обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах (не стоек в плавиковой, крепких серной и азотной кислотах), благодаря тому, что на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных оксидов. При нагреве выше 500 ОС становится очень активным элементом. Он либо растворяет почти все соприкасающиеся и ним вещества, либо образует с ними химические соединения.
Принятая в настоящее время классификация титановых сплавов, предложенная С.Г. Глазуновым, основана на структуре, которая формируется в них по принятым в промышленности режимам термической обработки. Согласно этой классификации титановые сплавы разделяют на б, в, б в сплавы: 1) б-титановые сплавы, структура которых представлена а-фазой; сплавы сравнительно мало пластичны и неохрупчиваются при ТО; сплавы наиболее пластичны, но наименее прочны, не испытывают полиморфных превращений;
2) псевдо-б-сплавы, структура которых представлена в основном а-фазой и небольшим количеством в-фазы (не более 5%);
3) (а в) - сплавы, структура которых представлена в основном а- и в-фазами; сплавы более прочные, чем однофазные, хорошо деформируются, обрабатываются ТО (закалка и старение, азотирование) и слабо охрупчиваются;
4) псевдо-в-сплавы со структурой в отожженном состоянии, представленной а-фазой и большим количеством в-фазы; в этих сплавах закалкой или нормализацией с температур в-области можно легко получить однофазную в-структуру;
5) в-сплавы, структура которых представлена термодинамически стабильной в-фазой.
Влияние алюминия и нейтральных упрочнителей на структуру и свойства многокомпонентных титановых сплавов можно оценить с помощью эквивалента по алюминию. Эквивалент по алюминию определяют двояким способом. В первом из них осстабилизаторы и нейтральные упрочнители сопоставляются по вызываемому ими растворному упрочнению б-фазы. Введение в титан 1% (по массе) алюминия, олова, циркония, кислорода, кремния, углерода и азота повышает временное сопротивление разрыву на 60, 30, 20, 1250, 200, 700, 2000 МПА со ответственно. Содержание азота и углерода во всех титановых сплавах примерно одинаково и их можно не учитывать.
По интенсивности повышения предела текучести при введении 1 атомн.% легирующие элементы располагаются в ряд Nb, Та, Zr, А1, V, Sn, Cu, Si, Mn, Со, Fe, Мо, Сг.
В зависимости от формы структурных составляющих все наблюдаемые разновидности структур в титановых сплавах можно отнести к одному из четырех типов: - так называемая превращенная в - структура, которая получается при малых скоростях охлаждения из в - области; в структуре присутствует бывшее в - зерно, в котором расположены б-колонии (рисунок 8а);
- смешанная или дуплексная структура, которая получается при нагреве в б в область и последующем медленном охлаждении; структура состоит из первичной б-фазы и в - превращенной матрицы (рисунок 8б);
- равноосная или глобулярная структура, которая формируется при деформации в б в - области с последующим рекристаллизационным отжигом при температурах ниже в - области (рисунок 8в);
- так называемая структура корзиночного плетения, которая образуется при деформации вблизи температуры Ас3 или при комбинированной деформации, когда она начинается в в -, а заканчивается в б в - области (рисунок 8 г.)
Рисунок 8 - Типичные структуры титановых сплавов: а - пластинчатая (в - превращенная); б - смешанная (дуплексная);
в - равноосная (глобулярная); г - корзиночного
Титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими: - сочетание высокой прочности (МПА) с хорошей пластичностью ();
- малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность;
- хорошая жаропрочность, до 600…700 ОС;
- высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.
Однородные титановые сплавы, не подверженные старению, используют в криогенных установках до гелиевых температур.
В результате легирования титановых сплавов можно получить нужный комплекс свойств. Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру аллотропического превращения.
Элементы, повышающие температуру превращения, способствуют стабилизации б - твердого раствора и называются - б стабилизаторами, это - алюминий, кислород, азот, углерод.
Элементы, понижающие температуру превращения, способствуют стабилизации - в твердого раствора и называются - в стабилизаторами, это - молибден, ванадий, хром, железо.
Кроме - б и в - стабилизаторов различают нейтральные упрочнители: олово, цирконий, гафний., В соответствии с влиянием легирующих элементов титановые сплавы при нормальной температуре могут иметь структуру б или б в.
Сплавы на основе титана можно подвергать всем видам термической обработки, химико-термической и термомеханической обработке. Упрочнение титановых сплавов достигается легированием, наклепом, термической обработкой. Часто титановые сплавы легируют алюминием, он увеличивает прочность и жаропрочность, уменьшает вредное влияние водорода, увеличивает термическую стабильность. Для повышения износостойкости титановых сплавов их подвергают цементации или азотированию.
По способу производства деталей различаются деформируемые (ВТ 9, ВТ 18) и литейные (ВТ 21Л, ВТ 31Л) сплавы. Основным недостатком титановых сплавов является плохая обрабатываемость режущим инструментом.
Механические свойства промышленных титановых сплавов приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Механические свойства промышленных титановых сплавов и содержание легирующих элементов в них
Титан и его сплавы используют там, где главную роль играют высокая удельная прочность и хорошая сопротивляемость коррозии. В настоящее время титан широко используется в ракетно-космической и авиационной технике, в судостроении и транспортном машиностроении.
Титановые сплавы применяют: - в авиации (обшивка самолетов, диски и лопатки компрессора и т.д.);
- в ракетной технике (корпуса двигателей, баллоны для сжатых и сжиженных газов, сопла и т.д.);
- в химическом машиностроении (оборудование для таких сред, как хлор и его растворы, теплообменники, работающие в азотной кислоте и т.д.);
- в судостроении (гребные винты, обшивки морских судов, подводных лодок н торпед);
- в энергомашиностроении (диски и лопатки стационарных турбин).
Титан используется в медицине благодаря высокой устойчивости в тканях человеческого организма. Титан не отторгается костной и мышечной тканями и легко обрастает ими. По своей биологической инертности превосходит все известные коррозионно-стойкие стали и сплавы.
Благодаря пластичности и вязкости при низких температурах, титановые сплавы применяют в холодильной и криогенной технике.
Высокая коррозионная стойкость в различных средах делает сплавы титана перспективными для применения в пищевой промышленности. Некоторые пищевые продукты могут портиться от контакта со сталью, тогда как титан не придает им постороннего запаха, цвета или вкуса.
Список литературы
ликвация вязкость сталь титан
1. Егоров Ю.П. Материаловедение: Учебное пособие / Ю.П. Егоров и др. - Томск: Изд-ВОТПУ, 2006. - 188 с.
2. Коптяева Г.Б. Материаловедение и сварка: учеб. пособие / Г.Б. Коптяева. - Ухта: УГТУ, 2005. - 143 с.
