Контрольная работа по "Материаловедению. Технология конструкционных материалов"

     У большинства легированных сталей распад аустенита в промежуточной области не идет до конца. Если аустенит, не распавшийся при изотермической выдержке, не претерпевает мартенситного превращения при дальнейшем охлаждении, то сталь получает структуру бейнита и 10—20 % остаточного аустенита ( рис. 3 ), обогащенного углеродом. При такой структуре достигается высокая прочность при достаточной вязкости. Для многих сталей изотермическая закалка обеспечивает значительное  повышение  конструктивной  прочности.

     Если  же большая часть аустенита, не распавшегося после окончания промежуточного превращения, при последующем охлаждении претерпевает мартенситное превращение, то после изотермической закалки резко снижается  пластичность.

     В качестве охлаждающей среды при  ступенчатой и изотермической закалках чаще применяют расплавленные соли в интервале температур 150—500 °С [например, 55 % KNO₃ + 45 % NaNO₂ (или NaNO₃], а также расплавленные щелочи (20 % NaOH + 80 % КОН). Чем ниже температура соли (щелочи), тем выше скорость охлаждения в ней. Поскольку расплавленные соли охлаждают только вследствие теплоотдачи, то охлаждающая способность их возрастает при перемешивании. Добавление воды (3—5 %) в расплавы едких щелочей вызывает кипение и увеличение скорости охлаждения в области температур перлитного превращения. Скорость охлаждения возрастает при 400—450 °С в 4—5 раз, а при 300 °С — в 2 раза. Охлаждение в расплавах едких щелочей, если предварительно детали нагревали в жидких солях (т. е. солях, не вызывающих окисления), позволяет получить чистую поверхность светло-серого цвета.   Закалку   по этому  способу  называют светлой.

Рис. 2. Схема охлаждения при                    Рис. 3.Микроструктура при изотермической изотермической  закалке.                                       закалке –бейнит +остаточный аустенит. 

3. Приведите классификацию и маркировку сталей и сплавов с особыми физическими  свойствами. Назовите области их применения.

        Стали и сплавы с особыми физическими свойствами классифицируются по признаку основного свойства. В соответствии с этим принципом их можно разделить на следующие группы:

- магнитные  и электротехнические стали и  сплавы;

- сплавы  с особыми тепловыми и упругими  свойствами;

- сплавы  с эффектом памяти формы; 

- сверхпроводящие  материалы; 

- радиационно-стойкие  материалы; 

- другие  виды сталей и сплавов с  особыми физическими свойствами.

     Магнитные и электротехнические стали и сплавы.

     В зависимости от знака и степени магнитной восприимчивости материалов различают диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

    Диамагнетики обладают отрицательной магнитной восприимчивостью. Они намагничиваются противоположно приложенному магнитному полю и таким образом ослабляют его. К диамагнетикам относятся полупроводники (Si, Ge), диэлектрики (полимеры), ряд переходных металлов (Be, Cu, Ag, Pb).

Парамагнетики характеризуются слабой намагниченностью под действием внешнего поля. К парамагнетикам относятся К, Na, A1, а также такие переходные металлы, как Mo, W, Ti.

  Ферромагнетики обладают высокой магнитной восприимчивостью. Из всех металлов только четыре (железо, кобальт, никель и гадолиний) обладают высокими ферромагнитными свойствами.

   В зависимости от значений основных магнитных характеристик различают магнитотвердые и магнитомягкие сплавы. Магнитотвердые материалы должны обладать высокими значениями коэрцитивной силы и остаточной индукции. Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом, вольфрамом, а также одновременно несколькими элементами.

      Состав и свойства сталей для постоянных магнитов (ГОСТ 6862-54)

   Обозначают магнитно-твердые стали индексом "Е", указывая далее буквой с цифрой наличие хрома и его содержание в целых процентах (например, ЕХ2, ЕХЗ).

     Высокими магнитными свойствами обладают сплавы системы Fe-Ni-Co. Их называют сплавами типа альнико или ЮНДК. Недостатком сплавов альнико является их высокая твёрдость, хрупкость и плохая обрабатываемость. Поэтому магниты из них изготавливают литыми и обрабатывают шлифованием. Очень хорошие, но дорогие магниты изготавливают из сплавов с высоким содержанием кобальта B5-50 %). Эти сплавы - пермендюр 50 % Fe, 50 % Co) и перминвар (45 % Ni, 25 % Co, 23 % Fe). Их обычно легируют небольшими добавками молибдена, ванадия или хрома. Недавно разработаны новые сплавы - гиперко 5-HS (2 % V, 48,5 % Со, остальное - железо) и кровак (Fe-Cr-Co), а также сплавы с применением редкоземельных металлов самария (Sm) и неодима (Nd).

        Состав и свойства сталей для постоянных магнитов (ГОСТ 6862-54)

    Состав и магнитные свойства некоторых литых сплавов типа альнико для постоянных магнитов (ГОСТ 17809-72)

     Магнитомягкие материалы. Основные требования к магнитомягким материалам: низкие значения коэрцетивной силы, высокая магнитная проницаемость и малые потери при перемагничивании на вихревые токи. Для удовлетворения этих требований металл должен обладать гомогенной структурой, быть чистым от примесей и неметаллических включений и иметь крупнозернистое строение, свободное от внутренних напряжений, вызываемых наклёпом.

      В качестве магнитомягкого материала применяют технически чистое железо, в котором все примеси, особенно углерод, являются вредными. Содержание углерода не должно превышать 0,025 %. Для устранения наклёпа и получения крупного зерна листовой металл подвергают высокотемпературному отжигу в безокислительной атмосфере. Технически чистое железо применяют для изготовления реле, сердечников, электромагнитов постоянного тока. Низкое удельное электрическое сопротивление увеличивает потери при перемагничивании. Поэтому применение технически чистого железа ограничивается устройствами с постоянным магнитным полем. По  химическому  составу   промышленно   применяемые   магнитномягкие (электротехнические) стали и сплавы делятся на:

• низкоуглеродистые (0,05...0,005%С) с содержанием кремния 0,8...4,8%;
• сплавы железа с никелем.

      Более высокое электрическое сопротивление имеют электротехнические низкоуглеродистые стали, дополнительно легированные кремнием в количестве 0,8 - 4,8 %. Благодаря более высокому электрическому сопротивлению снижаются потери на вихревые токи. Однако при содержании кремния около 4 % происходит охрупчивание стали, что затрудняет производство тонколистового металла.  

    В России принята цифровая маркировка электротехнической стали. Первая цифра определяет структуру и вид проката: 1 - горячекатаная изотропная; 2 - холоднокатаная изотропная; 3 - холоднокатаная анизотропная с кристаллической структурой направления [100]. Вторая цифра в марке определяет содержание кремния: 0 - < 0,4 %; 1 - 0,4-0,8 %; 2- 0,8-1,8 %; 3 - 1,8-2,8 %; 4 - 2,8-3,8 %; 5 - 3,8-4,8 %. Третья цифра определяет потери на гистерезис и тепловые потери при определённом значении В и f. Например, при третьей цифре 1 удельные потери стали 1311 при В=1,5 Тл и частоте тока f = 50 Гц составляют PJj5/5o = 6,1 Вт/кг. Четвёртая цифра - код числового значения нормируемого параметра. Чем больше цифра, тем меньше удельные потери Pi,5/so.

     Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необходимо применение сплавов со строго регламентированными значениями в определённых температурных интервалах эксплуатации таких физических свойств, как температурные коэффициенты линейного расширения α (ТКРЛ) и модуля нормальной упругости β (ТКМУ). Эти коэффициенты определяют характер изменения размеров детали и модуля упругости сплава при нагреве. Подбор определённого химического состава позволяет разработать сплавы, модуль упругости которых практически, не зависит от температуры. Сплавы, сохраняющие постоянство модуля упругости в широком температурном диапазоне, называют элинварами. Область использования: измерительные приборы, геодезические измерительные ленты, регуляторы расширения, компенсационные элементы, компоненты термобиметаллов. Основным представителем сплавов с минимальным ТКЛР является сплав 36Н - инвар. Замена части никеля равным количеством кобальта и легирование малыми добавками меди позволяет дополнительно снизить ТКЛР инвара. Такой сплав называют суперинваром.

 Сплавы с особыми упругими свойствами.

По способу  упрочнения и физико-механическим свойствам пружинные сплавы можно разделить на следующие группы:

- аустенитные дисперсионно-твердеющие коррозионно-стойкие сплавы;

- аустенитные деформационно-твердеющие коррозионно-стойкие сплавы;

- сплавы  с низким и постоянным коэффициентом  модуля упругости 

(элинвары).

Дисперсионно-твердеющие сплавы. Сплавы этой группы обладают высокими упругими свойствами, сохраняющимися при нагреве до 550 °С, малыми упругими несовершенствами (гистерезис, упругое последействие), прямолинейным изменением модуля упругости в интервале температур 20- 600°С, немагнитностью, коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах, в условиях морского и тропического климата.          Дисперсионно-твердеющие сплавы производят на основе систем: Fe- Ni-Cr,Ni-Cr,Co-Ni,Nb-Ti.

Сплавы  на основе системы  Fe-Ni-Cr. Среди сплавов на основе системы Fe-Ni-Cr наиболее широкое применение нашли сплавы типа 36НХТЮ (Ni - 35-37 %, Сг - 11,5-13,0 %, Ti - 2,7-3,2 %, А1 - 0,9-1,2 %, С < 0,05 %, ГОСТ 10994-74). Химический состав этих сплавов выбран с учётом обеспечения аустенитной структуры, повышенной коррозионной стойкости и значительного упрочнения. Первое условие выполняется благодаря содержанию никеля и хрома. Коррозионная стойкость обеспечивается введением около 13 % хрома. Сплав 36НХТЮ применяется для упругих чувствительных элементов, работающих до температуры 250 °С, сплав 36НХТЮ5М - до 350 °С, сплав 36НХТЮ8М-до 400°С.

Сплав на основе системы  Ni-Cr. Сплав 47ХНМ отличается от сплава типа 36НХТЮ значительно более высокой коррозионной стойкостью (в 10 и более раз) в окислительных средах на основе азотной кислоты. Максимальные значения прочности и твёрдости сплава получают после закалки от 1200-1250 °С (охлаждение в воде) и старения при 700-725 °С в течение 5 часов. Модуль упругости в интервале температур 20-500 °С прямолинейно уменьшается от 237000 до 194000 МПа. Сплав применяется для изготовления упругих и упруго-чувствительных элементов, а также как коррозионно-стойкий материал. Другой сплав этой группы 40ХНЮ-ВИ после закалки с 1150 °С, в результате чего получается аустенитная структура, и старения при 500-550 °С в течение 5 часов обладает твёрдостью HRC 64-67, модулем упругости при 20 °С 228000 МПа, а при 500 °С - 201500 МПа, высокой коррозионной стойкостью во влажной среде и в условиях тропического и морского климата. Из сплава изготавливают приборные подшипники, режущие инструменты, детали передаточных механизмов, керны приборов.

Сплав на основе системы  Co-Ni. Сплав 67КН5Б в закалённом от 1000-1050 °С состоянии имеет аустенитную структуру, обладает высокой пластичностью E = 35-40 %). Из сплава 67КН5Б можно получать проволоку и ленту микронных размеров, допускается холодная деформация с обжатием до 90 %. В деформированном состоянии возможна штамповка и навивка пружин. Сплав обладает низким электросопротивлением, высокой релаксационной стойкостью при 400-450°С, коррозионной стойкостью, хорошо смачивается ртутью. Сплав применяют для токоведущих упругих элементов, контактных пружин, в частности для электромагнитных и ртутных реле.

Сплав на основе системы  Nb-Ti. Сплав 55БТЮ предназначен для пружин ответственного назначения, которые наряду с высокими упругими свойствами, теплостойкостью и коррозионной стойкостью должны обладать сочетанием немагнитности и малого изменения модуля упругости при нагреве.

Деформационно-твердеющие сплавы. Сплавы этой группы обладают высокими упругими и прочностными характеристиками (ơв до3000 МПа), усталостной прочностью, твёрдостью, сопротивлением износу, немагнитностью и коррозионной стойкостью во многих средах. Из деформационно- стареющих сплавов изготавливают упругие элементы преимущественно малого сечения - заводные пружины, керны, растяжки, приборные подшипники, торсионы, пишущие элементы, измерительные пружины и другие детали из холоднодеформированной проволоки и плющенки.

Химический  состав деформационно-твердеющих сплавов  приведён в таблице.