Контрольная работа по материаловедению и ТКМ

Оглавление
TOC o «1-3» h z u 1. По каким параметрам оценивают конструкционную прочность в теплоэнергетике? PAGEREF _Toc420850932 h 2
2. Какие существуют методики прогнозирования остаточного ресурса? PAGEREF _Toc420850933 h 5
2. Назначьте марку стали для изготовления барабана котла с параметрами пара: давление 150 кгс/см2 и температура 350°С. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки стали. Опишите микроструктуру и основные свойства после термической обработки. PAGEREF _Toc420850934 h 12
3. Каркас самолета, рассчитанного на полет с дозвуковыми скоростями и воспринимающего значительные нагрузки, изготавливают часто из легкого сплава с пределом прочности не ниже 400 МПа. Привести состав и плотность сплава, а также режим термической обработки, структуру. Указать его механические свойства после каждой операции термической обработки, объяснив, какие превращения в сплаве способствуют повышению прочности. PAGEREF _Toc420850935 h 14
5. 10ХСНД, ХН70ВМТЮ, ВЧ60, АМг5, БрО3Ц12С5. PAGEREF _Toc420850936 h 18

1. По каким параметрам оценивают конструкционную прочность в теплоэнергетике?

Основными показателями конструкционной прочности являются: трещиностойкость, усталостная прочность, ударная вязкость, пределы ползучести и длительной прочности.
Теплоэнергетическое оборудование подвержено воздействию высоких температур и давлений, что делает необходимым обратить внимание на такие показатели материала, как: длительная прочность; стойкость к ползучести; жаропрочность; окалиностойкость.
С повышением температуры испытания значения предела прочности снижаются. Разрушающее напряжение зависит не только от температуры, но и от длительности приложения нагрузки. Это проявляется, начиная с температуры tн (рис. 1.1), соответствующей примерно 350…400°С, что приходится учитывать при расчётах конструкций.
В области между значениями разрушающего напряжения при кратковременном (Ϭв) и длительном (Ϭдл, нижняя кривая) нагружении разрушение происходит за время тем меньшее, чем ближе напряжение к верхним значениям.

Рис. 1.1 — Влияние способа нагружения и температуры испытания на величину напряжения, вызывающего разрыв образца

Во время нагружения при температурах выше tн изделие удлиняется. Этот процесс получил название «ползучести». Процесс ползучести подчиняется закону, который можно изобразить в виде первичной кривой ползучести, показанной на рис. 1.2, для которого при постоянных температуре и напряжении характерно наличие четырёх участков увеличения размеров изделия:
— начального при приложении нагрузки — ОА;
— неустановившегося процесса — АВ;
— установившегося процесса — ВС;
— ускоренного процесса, ведущего к разрушению — СД.

Рис. 1.2 — Первичная кривая ползучести

Увеличение температуры или напряжения ведёт к ускорению процесса ползучести, что иллюстрируется рис. 1.3.
При проектировании энергетических объектов должно учитываться ещё одно важное обстоятельство. Необходимо исключить процессы атмосферной коррозии и окалинообразования, которые могут уменьшить сечение изделия и, как следствие, привести к увеличению напряжений.

Рис. 1.3 – Влияние величины напряжения на кривую ползучести t=const, Ϭ3> Ϭ 2> Ϭ 1

Особенно важным для выбора материалов энергетических установок является знание законов окалиностойкости сталей и сплавов.
Образование окалины в углеродистых сталях интенсивно происходит при температурах выше 570°С. При более высоких температурах противостоят этому процессу стали, легированные хромом (или дополнительно никелем), что иллюстрируется рис. 1.4.

Рис. 1.4 – Влияние хрома на окалиностойкость сталей:
1 – ферритных, 2 — аустенитных

При расчётах используются полученные специальными испытаниями характеристики:
— предел длительной прочности — Ϭдл;
— предел ползучести – Ϭпл.
Пределом длительной прочности называется напряжение, которое вызывает разрушение при определённой длительности испытания (эксплуатации) и температуре στt, где
Ϭ — напряжение, МПа;
t — температура, °С;
τ — время в часах, обычно 102,103, 104, 105.
Например, σ104500=120 МПа, σ10560=100 МПа
Пределом ползучести называется напряжение, которое вызывает некоторую степень деформации за определённое время при постоянной температуре σε/τt
Ϭ -напряжение, МПа;
t — температура, °С;
ε — деформация (∆l/l0), %;
τ — время, ч.
Например, σ0,2300700=250 МПа, σ0,1104650=250 МПа.

2. Какие существуют методики прогнозирования остаточного ресурса?

Ресурсом называют наработку объекта от начала или возобновления эксплуатации до наступления предельного состояния. В зависимости от того, как выбирают начальный момент времени, в каких единицах измеряют продолжительность эксплуатации и что понимают под предельным состоянием, понятие ресурса получает различное толкование. В качестве меры продолжительности может быть выбран любой неубывающий параметр, характеризующий продолжительность эксплуатации объекта. Для самолетов и авиационных двигателей естественной мерой ресурса служит налет в часах, для автомобилей – пробег в километрах, для прокатных станов – масса прокатанного металла в тоннах и т.п. Если наработку измерять числом производственных циклов, то ресурс будет принимать дискретные значения. Однако универсальной мерой продолжительности остается единица времени (рис. 2.1).

Рис. 2.1 — Пример зависимости остаточного ресурса от выбранной меры продолжительности (в данном случае единиц времени)

В качестве основных показателей остаточного ресурса принято рассматривать следующие:
– средний остаточный ресурс π (t) , определяемый как математическое ожидание остаточного ресурса после наработки t ;
– гамма-процентный остаточный ресурс πγ (t), определяемый как наработка с некоторого момента времени t , в течение которого безотказно наработавший объект будет иметь значение условной вероятности безотказной работы уровня γ :

Основные методы оценки остаточного ресурса:
– вероятностный;
– параметрический, а также методы,
основанные на использовании:
– диффузионного распределения;
– индивидуальных кривых усталости;
– анализа временных рядов.
Вероятностные методы расчета ресурса. Работу вероятностного метода проиллюстрируем на примере оценки ресурса для различных вероятностных повреждений образцов легкого сплава АМг-6 и стали ЭП-630, испытанных при действии суммы случайных процессов различной интенсивности и подвергающиеся консольному изгибу на электродинамических установках с автоматическим поддержанием реализуемого случайного процесса.
На основе исследований ряда сплавов при различных нагружениях установлено, что, с точки зрения влияния на долговечность, любой процесс может быть представлен тремя параметрами: математическим ожиданием напряжений σm, отражающим статическое смещение процесса нагружения объекта(например, под действием установленного груза); средним квадратичным отклонением напряжений S, характеризующим интенсивность динамического нагружения; параметром структуры процесса G , интегрально оценивающим вероятностное соотношение ординат и максимумов процесса (рис. 2.2). Время воздействия на объект представляется числом пересечений центрированным процессом нулевого уровня с заданным знаком производной N0. Представление случайных и других процессов с помощью отмеченных параметров позволяет описать результаты усталостных испытаний, полученных при раз-личных видах нагружений(гармоническом, полигармоническом, случайном, смешанном).
Параметрические методы оценки текущего состояния и остаточного ресурса металлоконструкций на основе метода неразрушающего контроля. В основу подхода положен неразрушающий метод текущего контроля(в процессе всего срока службы) по результатам измерения такой магнитной характеристики металла, как коэрцитивная сила (Нс). Подобный подход давно признан в металлургии и машиностроении при сдаточном контроле готовой металлопродукции по механическим свойствам.

Рис. 2.2 — Обобщенная диаграмма характеристик сопротивлений усталости образцов сплава АМг-6

Кроме исходных положений, также принималось во внимание, что Нс – это одна из наиболее структурочувствительных магнитных характеристик металла, поэтому по результатам измерений Нс контролируются механические свойства не только нового металла (конкретно-прокатного валка), но и прослеживается динамика изменения состояния рабочего слоя в процессе всего срока службы валка (рис. 2.3).

Рис. 2.3 — Генеральное распределение значений коэрцитивной силы на поверхности катания опорных валков из стали75ХМФ
Ниже при измерениях Нс поверхности катания представительной выборки из 60 штук прокатных валков в течение их срока службы показано, что данный параметр неразрушающего контроля оправдал такие ожидания.
При эксплуатации коэрцитивная сила напрямую связана с действующими эксплуатационными напряжениями и накоплением повреждений в металле, которые определяют остаточный ресурс конструкции.
Метод оценки ресурса с использованием диффузионного распределения. В последнее время всё большее распространение в качестве теоретической модели распре-деления отказов механических изделий получает диффузионное монотонное распределение (DM-распределение).
Если известна первоначальная функция распределения ресурса исследуемых изделий F(t) (или плотность распределения ресурса) f(t), то можно определить выражения для характеристик остаточного ресурса.
Плотность DM-распределения:

где µ – параметр масштаба, совпадающий со значением медианы распределения; v – параметр формы, совпадающий с коэффициентом вариации распределения.
Функция DM-распределения:

Выражение для вероятности безотказной работы R(t) определяется из следующих соотношений:

Используя известное выражение плотности распределения остаточной наработки, получаем математическое ожидание остаточного ресурса:

Методы определения распределений ресурса по индивидуальным кривым усталости. Одним из возможных способов расчета распределения ресурса является использование индивидуальных кривых усталости (ИКУ) в виде квантилей соответствующих значений вероятностей.
Возможны два подхода к построению ИКУ: прямой и обратный. Прямой подход состоит в нахождении распределения ресурса и определении действительного поведения образцов на основе этих распределений. Существует и обратный подход к моделированию усталостного феномена. Если даны распределения ресурса, полученные на основе испытаний, необходимо найти случайные объекты, ответственные за усталостное поведение образцов.
В качестве примера расчета усталостной долговечности рассмотрим процесс нагружения элемента металлоконструкции в опорах козлового крана, полученный при натурном тензометрировании, гистограмма амплитуд которого обработана по методу дождя и аппроксимирована распределением Вейбулла с параметрами масштаба µ=67,6 и формы φ=2,2.
На рис.2.4 изображены характеристические функции для модели 1 (предел выносливости 32,5 МПа) и модели 2 (изменяющийся предел выносливости). Модель с нулевым значением предела выносливости не рассматривается вследствие ее малой пригодности.

Рис. 2.4 — Плотность распределения ресурса элемента металлоконструкции

Отметим, что для модели 2 необходимо выполнить ограничение справа диапазона возможного изменения случайной величины N значением N0=2*106. Если же плотность распределения сместится вниз по оси S (т.е. амплитуды нагружения будут меньше, чем в рассматриваемом случае), то плотность распределения сместится вправо, ограниченность распределения ресурса будет проявляться более явно и ее отличие от логнормального распределения станет более разительным.
Прогнозирование распределения остаточного ресурса также основывается на фундаментальном предположении о наличии у каждого образца своей ИКУ и, кроме того, на апостериорной информации о том, что к моменту прогнозирования при данной истории нагружения h исследуемого образца его разрушение не произошло. Тогда, если известна предшествовавшая история нагружения, можно выделить во всем пространстве ИКУ множество кривых, не реализовавшихся при данной истории нагружения, а, значит, и вычислить апостериорные распределения значений ресурса.
Приведенная модель накопления повреждений, исходные данные по усталости и способ прогнозирования ресурса являются взаимосвязанными элементами замкнутой модели надежности элемента по критерию усталостной долговечности. В случае нестационарного нагружения с более сложной историей нагружения потребуется, естественно, более трудоемкая процедура вычисления распределений остаточного ресурса с привлечением распределений величины накопленного повреждения.
Модели остаточного ресурса с использованием методов анализа временных рядов. Под временным рядом будем подразумевать множество значений ресурса, зафиксированных в определенное время. Подобные ряды очень часто формируются для контроля технологического процесса, а также для учета ресурсных затрат и ряда других целей. Модели, в основе которых лежит использование данных временных рядов(или временных серий), позволяют получать прогнозы фиксируемых значений в ближайшем будущем. Построение таких моделей содержит в себе два этапа:
1. Анализ внутренней структуры данных и поиск количественных и качественных тенденций. Обычно на этом этапе происходит непрямое разделение исходных данных на систематический (прогнозируемый) и случайный(не поддающийся прогнозу) компоненты.
2. Построение модели и прогнозирование.
Существуют два подхода к созданию моделей:
• Статические методы прогноза – производят оценку тенденций, формирующих
систематический компонент только один раз, на начальной стадии анализа данных, полагая их статичность и неизменность на протяжении всего периода рассматриваемого времени. Данные методы все будущие ошибки прогноза рассматривают только в качестве случайного компонента.
• Адаптивные методы прогноза – в отличие от статических методов, модернизируют оценки, полученные на первом этапе исследования после каждого нового наблюдения.
Методы, принадлежащие к данной категории, предполагают, что часть ошибок прогноза, которые возникают вследствие неправильного формирования систематического компонента на предыдущих шагах, может быть устранена.
Приведем алгоритм работы адаптивного метода анализа временных рядов для прогнозирования остаточного ресурса:
1. Инициализация – проводятся анализ внутренней структуры данных и поиск количественных и качественных тенденций. Разделение исходных данных на систематический (прогнозируемый) и случайный(не поддающийся прогнозу) компоненты.
2. Прогнозирование – прогноз значения ресурса в момент времени t+1 с учетом значений ресурса для моментов времени t , где n t=0, 1…n.
3. Вычисление ошибки прогнозирования – в качестве ошибки прогноза допустимо принимать абсолютную разность между действительным значением ресурса в момент времени t+1 и прогнозируемым.
4. Модификация – изменение оценок, полученных на первом этапе(пересмотр показателей) для момента времени t+1 с учетом полученной ошибки прогнозирования и с целью понижения абсолютного значения ошибки.
Модифицированный прогноз на следующих этапах используется для прогнозирования значений ресурса в момент времени t +2. Шаги 2, 3 и4 повторяются до тех пор, пока не будет проанализирован весь имеющийся временной ряд. Последняя оценка (для момента времени t = n) используется для прогноза будущих значений ресурса.
Преимущество методов анализа временных рядов состоит в простоте их использования, а также в быстром получении необходимого результата.
На данном этапе они также широко применяются в прогнозировании рынка продаж, бюджетном анализе, при проектировании и внедрении технологий на производстве.

2. Назначьте марку стали для изготовления барабана котла с параметрами пара: давление 150 кгс/см2 и температура 350°С. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки стали. Опишите микроструктуру и основные свойства после термической обработки.

Очевидно, что для изготовления барабана котла требуется применение стали из класса теплоустойчивых сталей. Эти стали применяются для агрегатов в энергетическом машиностроении, котлов, сосудов, паронагревателей, паропроводов. По условиям работы теплоустойчивые стали делятся на три класса:
для рабочих температур t<120°С и давлений P<0,8 МПа – углеродистые стали обыкновенного качества.
для рабочих температур t<400°С и давлений P<6 МПа – котельные стали (12К, 20К).
для рабочих температур t<585°С и давлений P<26 МПа – легированные стали с хромом феррито-перлитной, бейнитной, мартенситной структурой.
По условию задачи пар находится при давлении 150 кгс/см2=15 МПа, а температура в котле 350°С, поэтому для изготовления барабана котла требуется использовать сталь группы 3 – легированные стали с хромом феррито-перлитной, бейнитной, мартенситной структурой.
К таким сталям относятся стали с 0,08-0,25% углерода, легированные 5-13% хрома, молибденом и вольфрамом: 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20Х3ВМФ и др. Химический состав и свойства этих сталей приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 — Химический состав и свойства хромистых легированных сталей
Марка стали Содержание основных элементов, % Режим термической обработки tисп, °С Ϭдл, МПа, за время, ч

С
Cr M V другие tзак, С tотп, С
103 105
12Х1МФ 0,08-0,15 0,9-1,2 0,25-0,35 0,15-0,30 — 960-980 740-760 520
560
580 200
140
120 140
108
95
25Х1МФ 0,22-0,29 1,5-1,8 0,25-0,35 0,15-0,30 — 880-900 640-660 500 260-290 —
25Х2М1Ф 0,22-0,29 2,1-2,6 0,9-1,1 0,3-0,5 — 1050 680-700 550 100-150 —
12Х2МФСР 0,08-0,15 1,5-1,8 0,5-0,8 0,15-0,3 <0,8Si, 0,005B 970-980 730-750 580
600 120
90 95
70
20Х3ВМФ 0,!5-0,23 2,8-3,3 0,35-0,55 0,6-0,8 0,3-0,5W 1030-1080 660-700 500
550
580 340
200
140 300
160
100
Как видно из этих данных, все приведенные стали могут обеспечить высокую прочность при рабочей температуре до 350°С, их прочность начинает снижаться только выше 520°С. Поэтому рационально будет использовать наиболее экономно легированную из приведенных сталей – сталь 12Х1МФ – для изготовления барабана котла.
Сталь 12Х1МФ – это низкоуглеродистая сталь системы легирования Cr-Mo-V, качественная. Температура интенсивного окалинообразования 600°С; срок работы — более 10000 ч. Типичное применение: для труб пароперегревателей, трубопроводов и коллекторных установок высокого давления; поковок для паровых котлов и паропроводов; деталей цилиндров газовых турбин; для изготовления деталей, работающих при температуре 540-580 °С.
Сталь 12Х1МФ в отожженном состоянии имеет перлитную микроструктуру, о чем свидетельствует диаграмма термокинетического распада аустенита (рис. 2.1).

Рис. 2.1 — Диаграмма термокинетического распада аустенита стали 12Х1МФ

В процессе эксплуатации в стали могут произойти изменения в структуре: возрастает размер блоков, укрупняются карбиды, образуются новые карбиды, твердый раствор обедняется легирующими элементами. Эти процессы приводят к разупрочнению стали, снижению прочности и твердости.
Поэтому целью термической обработки стали 12Х1МФ является получение стабильной структуры, которая сохранилась бы практически неизменной в течение всего срока эксплуатации. Теплоустойчивые стали с содержанием углерода до 0,2% подвергают нормализации и отпуску.
Температура нормализации должна быть t=Ас3+(30-50)°C=890+(30-50)°C=920-940°C. После нормализации сталь имеет перлито-бейнитную микроструктуру (см. рис. 2.1) с твердостью 194-253 НВ.
Температура отпуска должна быть на 100-120°С выше, чем температура эксплуатации сталей tотп=350+(100-120)°С=450-470°С. После отпуска микроструктура состоит из перлита и сорбита отпуска. Механические свойства после термической обработки приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Механические свойства после нормализации и отпуска стали 12Х1МФ
tисп, °С 0,2, Н/мм2
0,2, Н/мм2
δ, % ψ,% KCU, Дж/см2
20 450 580 33 77 196
480 330 490 25 75 137

Сталь 12Х1МФ после такой обработки находится в стабильном, но разупрочненном состоянии, что обеспечит ее стабильность в течение всего срока эксплуатации барабана котла.

3. Каркас самолета, рассчитанного на полет с дозвуковыми скоростями и воспринимающего значительные нагрузки, изготавливают часто из легкого сплава с пределом прочности не ниже 400 МПа. Привести состав и плотность сплава, а также режим термической обработки, структуру. Указать его механические свойства после каждой операции термической обработки, объяснив, какие превращения в сплаве способствуют повышению прочности.

Материал каркаса самолета должен обладать следующими свойствами:
высокая удельная прочность при низкой плотности, что позволит производить более тонкие корпуса и снизить массу самолета;
сохранение прочности при высоких температурах разогрева каркаса самолета (жаропрочность);
высокая деформируемость;
достаточная пластичность;
высокая коррозионная стойкость.
Этими свойствами обладают сплавы титана. Плотность титана 4,5 г/см3, при этом сплавы титана обладают прочность вплоть до 1500 МПа.
Сплавы титана по прочности и удельной прочности превосходят как чистый титан, так и сплавы на основе алюминия и магния, имея при этом и более высокие жаропрочность и коррозионную стойкость. Сплавы титана пластичны и технологичны.
Именно поэтому рекомендуется изготовить каркас самолета из сплавов титана.
По микроструктуре деформируемые сплавы титана делятся на такие классы: α, псевдо-α, (α+β), псевдо-β, β-сплавы. рекомендуется выбрать сплав из класса (α+β), поскольку эта группа имеет такие преимущества:
— упрочняется термической обработкой;
— обладает наилучшим сочетанием механических и технологических свойств;
— имеет низкую чувствительность к водороду по сравнению с другими сплавами титана и низкую склонность к солевой коррозии.
В таблице 3.1 приведены наиболее распространенные (α+β)-сплавы.

Таблица 3.1 — Химический состав, структура и механические свойства (α+β)-сплавов титана
Марка сплава Содержание элементов, % масс. Структура Механические свойства

Al V Mo Прочие
в, Н/мм2
т, Н/мм2
, %
ВТ 6*

ВТ-14*

ВТ 16*

ВТ 22 5,3-6,8

3,5-6,3

1,6-3,8

4,8-5,2 3,5-5,3

0,8-1,9

4,0-5,0

4,5-5,5 —

2,5-3,8

4,5-5,5

4,5-5,5 —

Cr-0,8-1,2
Fe-0,8-1,2
(+)-
сплавы 1100-1150
1150-1400
1250-1450
1100-1250 1000-1050
1080-1300
1100-1200
— 14-16

6-10

4-6

9
Примечание: * — свойства сплавов после закалки и старения; остальные сплавы — в отожженном состоянии.

По условию задачи сплав должен обеспечить прочность не ниже 400 МПа, как видно из таблицы 3.1, с этим условием справляются все сплавы. Поэтому для изготовления выберем наиболее дешевый сплав из приведенных. Это сплав ВТ6 – он не содержит молибдена и других дорогих легирующих элементов, поэтому его стоимость будет ниже.
Сплав ВТ6 легирован алюминием и ванадием. Применяется часто для изготовления крупногабаритных сварных и сборных конструкций летательных аппаратов, для изготовления баллонов, работающих под внутренним давлением в широком интервале температур от 196 до 450 °С, и целого ряда других конструктивных элементов.
Его физические свойства приведены в таблице 3.2. Сплав обладает низкой плотностью – 4450 кг/м3.

Таблица 3.2 — Физические свойства сплава ВТ6
T E 10- 5 α 10 6 λ ρ C R 10 9
Град МПа 1/Град Вт/(м·град) кг/м3 Дж/(кг·град) Ом·м
20 1.15   8.37 4450   1600
100   8.4 9.21     1820
200   8.7 10.88   0.586 2020
300   9 11.7   0.67 2120
400   10 12.56   0.712 2140
500     13.82   0.795  
600     15.49   0.879  

Сплав ВТ6 подвергается отжигу и термическому упрочнению.
Отжиг производится при 750-800°С с последующим охлаждением на воздухе или с печью. Сварные соединения подвергают отжигу для снятия напряжений при 600-700°С длительностью не менее часа.
Термическое упрочнения сплава ВТ6 состоит из закалки с 880-900°С и старения при 450-550°С в течение 2-8 часов.
Особенность термической обработки сплава ВТ6 связана с полиморфизмом титана. Вследствие полиморфных превращений при ускоренном охлаждении образуются метастабильные фазы.
Так, при быстром охлаждении (закалке) из -области сплава ВТ6, который в равновесном состоянии двухфазный ( + ), образуется метастабильная ‘-фаза. Она представляет собой пересыщенный твердый раствор легирующих компонентов в -Ti и имеет гексагональную кристаллическую решетку.
При образовании такого мартенсита в титановых сплавах, в отличие от сталей, упрочнения не происходит. Это связано с тем, что объемный эффект превращения ‘ и, следовательно, фазовый наклеп невелики: объемный эффект мартенситного превращения в титановых сплавах составляет около 0,1%, а в стали — около 1% . При закалке может образоваться также и фаза “, имеющая ромбическую кристаллическую решетку, образование которой также не приводит к упрочнению сплава. Фаза “ образуется при повышенном содержании легирующих элементов. Предполагают, что фаза ‘ непрерывно переходит в фазу “. Совместного присутствия этих двух фаз при закалке из -состояния не было зафиксировано.
При отпуске закаленного сплава происходит распад метастабильных фаз ‘, “, а также нестабильной (переохлажденной) -фазы. Мартенситная ‘-фаза распадается при нагреве на фазы и , или и TiMeх, где TiMeх — промежуточная фаза в системе Ti — Me, если в ней возможно эвтектоидное превращение. -фаза в изотермических условиях распадается либо на фазы и с последующим образованием и TiMeх, либо на фазы и и далее — на и , а при более длительных выдержках — на фазы и TiMeх. Микроструктура сплава после упрочнения приведена на рис. 3.1.

Рис. 3.1 — Титановый сплав (группа α+β-сплавов) после закалки и старения

На рис. 3.1. видны ориентрованные частицы α -фазы, возникшие в результате распада мартенситной α `-фазы. Пограничные выделения избыточной α -фазы в роли матрицы с включениями темной β -фазы в форме зерен, внутри которых, в свою очередь, светлые пластины (иглы) α-фазы.
Упрочнение при старении закаленного сплава ВТ6 обусловлено процессами распада — и “-фаз, повышение прочности из-за распада ‘-фазы невелико. Старение в ()-сплаве Вт6 протекает во времени тем интенсивнее, чем меньше в них -стабилизаторов. Продолжительность старения обычно выбирают большей, чем время, необходимое для достижения максимальной прочности, чтобы повысить их пластичность.
Изменение механических свойств сплава ВТ6 после термической обработки приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 — Механические свойства (α+β)-сплава титана Вт6
после отжига после закалки и старения
в, Н/мм2
-1, Н/мм2
, % ψ, % в, Н/мм2
, %

не менее
не менее
900-1050 530 18 25 1100-1150 14-16

Термическое упрочнение сопровождается повышением прочности на 20-30% при незначительном падении пластичности.

5. 10ХСНД, ХН70ВМТЮ, ВЧ60, АМг5, БрО3Ц12С5.

Сталь 10ХСНД.
а) Сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций. Сталь содержит около 0,1% углерода, легирована Х — хромом (1%), С — кремнием (1%), Н — никелем (1%) и Д – медью (до 0,6%).

б) Химический состав в % стали 10ХСНД по ГОСТ 19281 — 89
C Si
Mn
Ni
S P Cr
N Cu
As
до 0.12 0.8 — 1.1 0.5 — 0.8 0.5 — 0.8 до 0.04 до 0.035 0.6 — 0.9 до 0.008 0.4 — 0.6 до 0.08

в) Сталь 10ХСНД:
по качеству – качественная
по структуре — сталь феррито-перлитного класса, после отжига состоит из феррита и перлита.
по назначению – строительная сталь с хорошей свариваемостью. Применяется для элементов сварных металлоконструкций и различных деталей, к которым предъявляются требования повышенной прочности и коррозионной стойкости с ограничением массы и работающие при температуре от —70 до 450°С.

г) Оптимальная термическая обработка. Сталь 10ХСНД обычно поставляется в горячекатаном состоянии и подвергается нормализации с выдержкой при 950°С, при этом ее свойства такие: Ϭ0,2=410 МПа, ϬВ=540 МПа, δ5=26%, ψ=71%. Микроструктура после нормализации – феррит и перлит. Реже применяют закалку от 950°С с высоким отпуском при 500°С, после чего сталь 10ХСНД приобретает такие свойства: КСU=147 Дж/cм2, НВ 198. Микроструктура после закалки и высокого отпуска – сорбит отпуска.

Сплав ХН70ВМТЮ.
а) Сплав жаропрочный нимоник на основе никеля (около 70%), легирован ~13% хрома, ~6% вольфрама, ~3% молибдена, ~2% титана и ~2% алюминия.

б) Химический состав в % сплава ХН70ВМТЮ по ГОСТ 5632 — 72
Fe
C Si
Mn
Ni
S P Cr
Ce
Mo
W V Ti
Al
B
до 5 до 0.12 до 0.7 до 0.5 61.5 — 76.4 до 0.02 до 0.02 13 — 16 до 0.02 2 — 4 5 — 7 0.1 — 0.5 1.8 — 2.3 1.7 — 2.3 до 0.02

в) Сплав применяется для рабочих и сопловых лопаток газовых турбин.

г) Сплав является деформируемым. Типичной термической обработкой является закалка от ~1200°С (длительность выдержки до 4 часов) в воде и последующее старение при °900°С в течение 8 часов. После термической обработки сплав приобретает твердость HB 299-341,а длительная прочность равна: σ102900=200 МПа. Микроструктура сплава состоит из матричного γ-твердого раствора на хромоникелевой основе, легированный кобальтом и тугоплавкими элементами (Mo, W, Nb), главной упрочняющей фазы γ`, некоторого количества карбидов и карбонитридов, небольшого количества боридов МеВ2.

Чугун ВЧ60.
а) чугун ВЧ60 является высокопрочным чугуном. Содержит железо, углерод (3%), кремний (2,5%).

б) Химический состав в % чугуна ВЧ60 по ГОСТ 7293 — 85
C Si
Mn
Ni
S P Cr
Cu
3 — 3.6 2.4 — 2.8 0.4 — 0.7 до 0.4 до 0.02 до 0.1 до 0.15 до 0.3

в) Чугун используется для изделий с высокой прочностью и удовлетворительной пластичностью.
г) Чугун состоит из феррито-перлитной металлической основы, включения графита имеют шарообразную (глобулярную форму). Механические свойства чугуна: прочность указана в маркировке – ϬВ=600 МПа, другие свойства: Ϭ0,2=370 МПа, δ5=3%, твердость НВ 192-227.

Сплав АМг5.
а) алюминиевый сплав, содержащий магний в количестве 5%.

б) Химический состав в % сплава АМг5 ГОСТ 4784 — 97
Fe
Si
Mn
Ti
Al
Cu
Be
Mg
Zn
Примесей
до 0.5 до 0.5 0.3 — 0.8 0.02 — 0.1 91.9 — 94.68 до 0.1 0.0002 — 0.005 4.8 — 5.8 до 0.2 прочие, каждая 0.05; всего 0.1

в) Сплав является деформируемым.
Применяется для изготовления полуфабрикатов методом горячей или холодной деформации: трубопроводы для бензина и масла, сварные баки, заклепки, корпуса и мачты судов.

г) сплав относится к неупрочняемым термической обработкой. Применяется в отожженном состоянии, свойства при этом равны: ϬВ=275 МПа, Ϭ0,2=127 МПа, δ5=15%, твердость НВ 65. Микроструктура состоит из α — твердого раствора и вторичных выделений избыточной фазы MnAl6.

Бронза БрО3Ц12С5.
а) оловянная бронза (сплав меди с оловом), содержащая 3% олова, 12% цинка, 5% свинца.

б) Химический состав в % бронзы БрО3Ц12С5 по ГОСТ 613 — 79
Fe
Si
P Al
Cu
Pb
Zn
Sb
Sn
Примесей —
до 0.4 до 0.02 до 0.05 до 0.02 74.2 — 87 3 — 6 8 — 15 до 0.5 2 — 3.5 всего 1.3 Si + Al < 0.02 %

в) Бронза БрО3Ц12С5 – литейный сплав, температура плавления 998°C. Применяется для фасонный отливок.

г) После литья в кокиль бронза имеет такие свойства: ϬВ=210 МПа, δ=5%, НВ 60. Микроструктура состоит из таких твердых фаз: — твердый раствор олова в меди; -фаза — электронное соединение Cu3Sn.

Контрольная работа по материаловедению и ТКМ Оглавление TOC o «1-3» h z u 1