Введение

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Сплавы. Классификация сплавов. Сталь.

2. Понятия «стержня». Стальные стержни и их характеристика

3. Жесткость и прочность стержня.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Стальные стержни, используемые в машиностроении.

2. Факторы, влияющие на жесткость и прочность стержня.

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В настоящее время регистрируется большое количество происшествий в машиностроительной отрасли, поэтому возникает особая необходимость создания прочных материалов, использованных в составе металлических конструкций и оборудований.

Цель. Предложить способы улучшения прочности стержня из стали для отрасли машиностроения.

1. Рассмотреть понятия сплавы и их классификации и подробно остановиться на характеристике стали;

2. Изучить стержни и их структуру, вникнуть в особенности строения стальных стержней;

3. Выявить свойства прочности и жесткости стального стержня;

4. Привести примеры стальных стержней используемых в машиностроении;

5. Происследовать факторы, влияющие на прочность и жесткость стержня;

6. Предложить способы, улучшающие жесткость и прочность стержня.

Разработанность темы: Изучением данной проблемы занимались Г. Бессемером. Однако ими не было установлено, какие химические элементы, и в каком количестве подобрать, чтобы разработать идеальный рецепт для легирующей стали стержня.

Методы исследования: для исследования поставленной цели необходимо провести систематизацию и анализ собранного теоретического материала, применить для исследовательских работ оборудование: разрывную машину, микроскопические приборы, измерительные средства (штангенциркуль), лазерные установки, математические расчеты.

Практические ценности: результаты наших исследований могут быть применены для производственной деятельности ОАО НЕФАЗ, ОАО ТАРГИН МЕХАНОСЕРВИС. Структура работы: курсовая работа содержит две главы__, таблиц_, рисунков_ , общее количество стр._

Теоретическая часть

Сплавы. Классификация сплавов. Сталь

Сплав - макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов .

Сплавы состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок, специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов, а также из неудалённых примесей (природных, технологических и случайных).

Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов. Среди них наибольшее значение имеют сплавы на основе железа и алюминия. В технике применяется более 5 тыс. сплавов.

Виды сплавов:

По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов. Порошковые - прессованием смеси порошков с последующим спеканием при высокой температуре. Компонентами порошкового сплава могут быть не только порошки простых веществ, но и порошки химических соединений. Например, основными компонентами твёрдых сплавов являются карбиды вольфрама или титана .

По способу получения заготовки (изделия) различают литейные (например, чугуны, силумины), деформируемые (например, стали) и порошковые сплавы.

В твердом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным - состоит из кристаллитов одного типа) и гетерогенным (неоднородным, многофазным).Твёрдый раствор является основой сплава (матричная фаза). Фазовый состав гетерогенного сплава зависит от его химического состава. В сплаве могут присутствовать: твердые растворы внедрения, твердые растворы замещения, химических соединений (в том числе карбиды, нитриды, интерметаллиды) и кристаллиты простых веществ.

Вывод: таким образом, изучив материал, мы пришли к выводу, что сплавы состоят из основы (одного или нескольких металлов), малых добавок, специально вводимых в сплав легирующих и модифицирующих элементов, а также из неудалённых примесей (природных, технологических и случайных). По способу изготовления сплавов различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов.

В следующем разделе мы подробно остановимся на характеристике стержня изготовленных из стали.

2. Понятия «стержня». Стальные стержни и их характеристика

Стержень- предмет удлиненной цилиндрической формы, обычно из железа; используется как опорная, осевая или основная часть чего либо.

Арматура - вид сортового металлопроката, представляющий собой стальные стержни, которые широко используются для армирования железобетонных конструкций. В качестве строительной арматуры могут использоваться также сетка, канаты, швеллеры или металлокаркасы. Благодаря применению стальной арматуры, изделия ЖБИ отличаются повышенной прочностью и долговечностью. Прочность, устойчивость к коррозии, технологии изготовления - все это является критериями, по которым стальная строительная арматура подразделяется на виды. Сведения о физических и химических характеристиках продукции производители наносят в виде маркировки непосредственно на саму стальную арматуры. Для определения основных характеристик продукции возможно также нанесение краски на торцы или хвостовую часть стержней.

Металлы используются человеком уже много тысячелетий. По именам металлов названы определяющие эпохи развития человечества: Бронзовый Век, Железный Век, Век Чугуна и т.д. Ни одно металлическое изделие из числа окружающих нас не состоит на 100% из железа, меди, золота или другого металла. В любом присутствуют сознательно введенные человеком добавки и попавшие помимо воли человека вредные примеси.

Абсолютно чистый металл можно получить только в космической лаборатории. Все остальные металлы в реальной жизни представляют собой сплавы — твердые соединения двух или более металлов (и неметаллов), полученные целенаправленно в процессе металлургического производства.

Классификация

Металлурги классифицируют сплавы металлов по нескольким критериям:

Металлы и сплавы на их основе имеют различные физико-химические характеристики.

Металл, имеющий наибольшую массовую долю, называют основой.

Свойства сплавов

Свойства, которыми обладают металлические сплавы, подразделяются на:

Для количественного выражения этих свойств вводят специальные физические величины и константы, такие, как предел упругости, модуль Гука, коэффициент вязкости и другие.

Основные виды сплавов

Самые многочисленные виды сплавов металлов изготавливаются на основе железа. Это стали, чугуны и ферриты.

Сталь — это вещество на основе железа, содержащее не более 2,4% углерода, применяется для изготовления деталей и корпусов промышленных установок и бытовой техники, водного, наземного и воздушного транспорта, инструментов и приспособлений. Стали отличаются широчайшим диапазоном свойств. Общие из них — прочность и упругость. Индивидуальные характеристики отдельных марок стали определяются составом легирующих присадок, вводимых при выплавке. В качестве присадок используется половина таблицы Менделеева, как металлы, так и неметаллы. Самые распространенные из них — хром, ванадий, никель, бор, марганец, фосфор.

Если содержание углерода более 2,4% , такое вещество называют чугуном. Чугуны более хрупкие, чем сталь. Они применяются там, где нужно выдерживать большие статические нагрузки при малых динамических. Чугуны используются при производстве станин больших станков и технологического оборудования, оснований для рабочих столов, при отливке оград, решеток и предметов декора. В XIX и в начале XX века чугун широко применялся в строительных конструкциях. До наших дней в Англии сохранились мосты из чугуна.

Вещества с большим содержанием углерода, имеющие выраженные магнитные свойства, называют ферритами. Они используются при производстве трансформаторов и катушек индуктивности.

Сплавы металлов на основе меди, содержащие от 5 до 45% цинка, принято называть латунями. Латунь мало подвержена коррозии и широко применяется как конструкционный материал в машиностроении.

Если вместо цинка к меди добавить олово, то получится бронза. Это, пожалуй, первый сплав, сознательно полученный нашими предками несколько тысячелетий назад. Бронза намного прочнее и олова, и меди и уступает по прочности только хорошо выкованной стали.

Вещества на основе свинца широко применяются для пайки проводов и труб, а также в электрохимических изделиях, прежде всего, батарейках и аккумуляторах.

Двухкомпонентные материалы на основе алюминия, в состав которых вводят кремний, магний или медь, отличаются малым удельным весом и высокой обрабатываемостью. Они используются в двигателестроении, аэрокосмической промышленности и производстве электрокомпонентов и бытовой техники.

Цинковые сплавы

Сплавы на основе цинка отличаются низкими температурами плавления, стойкостью к коррозии и отличной обрабатываемостью. Они применяются в машиностроении, производстве вычислительной и бытовой техники, в издательском деле. Хорошие антифрикционные свойства позволяют использовать цинковые сплавы для вкладышей подшипников.

Титановые сплавы

Титан не самый доступный металл, он сложен в производстве и тяжело обрабатывается. Эти недостатки искупаются его уникальными свойствами титановых сплавов: высокой прочностью, малым удельным весом, стойкостью к высоким температурам и агрессивным средам. Эти материалы плохо поддаются механической обработке, но зато их свойства можно улучшить с помощью термической обработки.

Легирование алюминием и небольшими количествами других металлов позволяет повысить прочность и жаростойкость. Для улучшения износостойкости в материал добавляют азот или цементируют его.

Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:

1. 1. • аэрокосмическая;
      • химическая;
      • атомная;
      • криогенная;
      • судостроительная;
      • протезирование.

Алюминиевые сплавы

Если первая половина XX века была веком стали, то вторая по праву назвалась веком алюминия.

Трудно назвать отрасль человеческой жизнедеятельности, в которой бы не встречались изделия или детали из этого легкого металла.

Алюминиевые сплавы подразделяют на:

1. 1. • Литейные (с кремнием). Применяются для получения обычных отливок.
      • Для литья под давлением (с марганцем).
      • Увеличенной прочности, обладающие способностью к самозакаливанию (с медью).

Основные преимущества соединений алюминия:

1. 1. • Доступность.
      • Малый удельный вес.
      • Долговечность.
      • Устойчивость к холоду.
      • Хорошая обрабатываемость.
      • Электропроводность.

Основным недостатком сплавных материалов является низкая термостойкость. При достижении 175°С происходит резкое ухудшение механических свойств.

Еще одна сфера применения — производство вооружений. Вещества на основе алюминия не искрят при сильном трении и соударениях. Их применяют для выпуска облегченной брони для колесной и летающей военной техники.

Весьма широко применяются алюминиевые сплавные материалы в электротехнике и электронике. Высокая проводимость и очень низкие показатели намагничиваемости делают их идеальными для производства корпусов различных радиотехнических устройств и средств связи, компьютеров и смартфонов.

Присутствие даже небольшой доли железа существенно повышает прочность материала, но также снижает его коррозионную устойчивость и пластичность. Компромисс по содержанию железа находят в зависимости от требований к материалу. Отрицательное влияние железа скомпенсируют добавлением в состав лигатуры таких металлов, как кобальт, марганец или хром.

Конкурентом алюминиевым сплавам выступают материалы на основе магния, но ввиду более высокой цены их применяют лишь в наиболее ответственных изделиях.

Медные сплавы

Обычно под медными сплавами понимают различные марки латуни. При содержании цинка в 5-45% латунь считается красной (томпак), а при содержании в 20-35%- желтой.

Благодаря отличной обрабатываемости резанием, литьем и штамповкой латунь — идеальный материал для изготовления мелких деталей, требующих высокой точности. Шестеренки многих знаменитых швейцарских хронометров сделаны из латуни.

Латунь — смесь меди и цинка

Малоизвестный сплав меди и кремния называют кремнистой бронзой. Он отличается высокой прочностью. По некоторым источникам, из кремнистой бронзы ковали свои мечи легендарные спартанцы. Если вместо кремния добавить фосфор, то получится отличный материал для производства мембран и листовых пружин.

Твердые сплавы

Это устойчивые к износу и обладающие высокой твердостью материалы на основе железа, к тому же сохраняющие свои свойства при высоких температурах до 1100 о С.

В качестве основной присадки применяются карбиды хрома, титана, вольфрама, вспомогательными являются никель, кобальт, рубидий, рутений или молибден.

Основными сферами применения являются:

1. 1. • Режущий инструмент (фрезы, сверла, метчики, плашки, резцы и т.п.).
      • Измерительный инструмент и оборудование (линейки, угольники, штангенциркули рабочие поверхности особой ровности и стабильности).
      • Штампы, матрицы и пуансоны.
      • Валки прокатных станов и бумагоделательных машин.
      • Горное оборудование (дробилки, шарошки, ковши экскаваторов).
      • Детали и узлы атомных и химических реакторов.
      • Высоконагруженные детали транспортных средств, промышленного оборудования и уникальных строительных конструкций, таки, например, как башня Бурж — Дубай.

Существуют и другие области применения твердосплавных веществ.

Несколько научных дисциплин (материало- и металловедение, физика, химия) занимаются изучением свойств и характеристик металлов. Существует их общепринятая классификация. Однако каждая из дисциплин при их изучении опирается на особые специализированные параметры, находящиеся в сфере ее интересов. С другой стороны, все науки, изучающие металлы и сплавы, придерживаются одной точки зрения, что существует две основные группы: черные и цветные.

Признаки металлов

Различают следующие основные механические свойства:

• Твердость - определяет возможность одного материала противодействовать проникновению другого, более твердого.
• Усталость - количество, а также время циклических воздействий, которое может выдержать материал без изменения целостности.
• Прочность. Заключается в следующем: если приложить динамическую, статическую или знакопеременную нагрузку, то это не приведет к изменению формы, строения и размеров, нарушению внутренней и наружной целостности металла.
• Пластичность - это способность удерживать целостность и полученную форму при деформации.
• Упругость - это деформация без нарушения целостности под воздействием определенных сил, а также после избавления от нагрузки возможность к возращению первоначальной формы.
• Стойкость к трещинам - под влиянием внешних сил в материале они не образуются, а также сохраняется наружная целостность.
• Износостойкость - способность сохранять наружную и внутреннюю целостность при продолжительном трении.
• Вязкость - сохранение целостности при увеличивающихся физических воздействиях.
• Жаростойкость - противостояние изменению размера, формы и разрушению при воздействии высоких температур.

Классификация металлов

К металлам относятся материалы, обладающие совокупностью механических, технологических, эксплуатационных, физических и химических характерных свойств:

• механические подтверждают способность к сопротивлению деформации и разрушению;
• технологические свидетельствуют о способности к разному виду обработки;
• эксплуатационные отражают характер изменения при эксплуатации;
• химические показывают взаимодействие с различными веществами;
• физические указывают на то, как ведет себя материал в разных полях - тепловом, электромагнитном, гравитационном.

По системе классификации металлов все существующие материалы подразделяются на две объемные группы: черные и цветные. Технологические и механические свойства также тесно связаны. К примеру, прочность металла может являться результатом правильной технологической обработки. Для этих целей используют так называемую закалку и «старение».

Химические, физические и механические свойства тесно взаимосвязаны между собой, так как состав материала устанавливает все остальные его параметры. Например, тугоплавкие металлы являются самыми прочными. Свойства, которые проявляются в состоянии покоя, называются физическими, а под воздействием извне - механическими. Также существуют таблицы классификации металлов по плотности - основному компоненту, технологии изготовления, температуре плавления и другие.

Черные металлы

Материалы, относящиеся к этой группе, обладают одинаковыми свойствами: внушительной плотностью, большой температурой плавления и темно-серой окраской. К первой большой группе черных металлов принадлежат следующие:

Цветные металлы

Вторая по величине группа имеет небольшую плотность, хорошую пластичность, невысокую температуру плавления, преобладающие цвета (белый, желтый, красный) и состоит из следующих металлов:

• Легкие - магний, стронций, цезий, кальций. В природе встречаются только в прочных соединениях. Применяются для получения легких сплавов разного назначения.
• Благородные. Примеры металлов: платина, золото, серебро. Они обладают повышенной устойчивостью к коррозии.
• Легкоплавкие - кадмий, ртуть, олово, цинк. Имеют невысокую температуру плавления, участвуют в производстве разных сплавов.

Низкая прочность цветных металлов не позволяет их использовать в чистом виде, поэтому в промышленности их применяют в виде сплавов.

Медь и сплавы с медью

В чистом виде имеет розовато-красный цвет, маленькое удельное сопротивление, небольшую плотность, хорошую теплопроводность, отличную пластичность, обладает стойкостью к коррозии. Находит широкое применение как проводник электрического тока. Для технических нужд используют два вида сплавов из меди: латуни (медь с цинком) и бронзы (медь с алюминием, оловом, никелем и другими металлами). Латунь используется для изготовления листов, лент, труб, проволоки, арматуры, втулок, подшипников. Из бронзы изготавливают плоские и круглые пружины, мембраны, разную арматуру, червячные пары.

Алюминий и сплавы

Этот очень легкий металл, имеющий серебристо-белый цвет, обладает высокой коррозийной стойкостью. У него хорошая электропроводность и пластичность. Благодаря своим характеристикам нашел применение в пищевой, легкой и электропромышленности, а также в самолетостроении. Сплавы из алюминия очень часто используются в машиностроении для изготовления особо ответственных деталей.

Магний, титан и их сплавы

Магний неустойчив к коррозии, зато не существует легче металла, используемого для технических нужд. В основном его добавляют в сплавы с другими материалами: цинком, марганцем, алюминием, которые прекрасно режутся и являются достаточно прочными. Из сплавов с легким металлом магнием изготавливают корпусы фотоаппаратов, различных приборов и двигателей. Титан нашел свое применение в ракетной отрасли, а также машиностроении для химической промышленности. Титаносодержащие сплавы имеют небольшую плотность, прекрасные механические свойства и стойкость к коррозии. Они хорошо поддаются обработке давлением.

Антифрикционные сплавы

Такие сплавы определены для увеличения срока службы поверхностей, испытывающих трение. Они сочетают в себе следующие характеристики металла - хорошую теплопроводность, маленькую температуру плавления, микропористость, слабый коэффициент трения. К антифрикционным относят сплавы, основой которых является свинец, алюминий, медь или олово. К самым применяемым относятся:

• баббит. Его изготовляют на основе свинца и олова. Используют в производстве вкладышей для подшипников, которые работают на больших скоростях и при ударных нагрузках;
• алюминиевые сплавы;
• бронза;
• металлокерамические материалы;
• чугун.

Мягкие металлы

По системе классификации металлов это золото, медь, серебро, алюминий, но среди самых мягких выделяют цезий, натрий, калий, рубидий и другие. Золото сильно распылено в природе. Оно есть в морской воде, организме человека, а также его можно встретить практически в любом осколке гранита. В чистом виде золото имеет желтый с оттенком красного цвет, так как металл мягкий - его можно поцарапать даже ногтем. Под влиянием окружающей среды золото достаточно быстро разрушается. Этот металл является незаменимым для электрических контактов. Несмотря на то что серебра в двадцать раз больше, чем золота, он также является редким.

Используется для производства посуды, ювелирных украшений. Легкий металл натрий также получил широкое распространение, востребован практически в каждой отрасли промышленности, в том числе химической - для производства удобрений и антисептиков.

Металлом является ртуть, хоть и находится в жидком состоянии, поэтому считается одним из самых мягких в мире. Этот материал используется в оборонной и химической промышленности, сельском хозяйстве, электротехнике.

Твердые металлы

В природе практически нет самых твердых металлов, поэтому добыть их очень сложно. В большинстве случаев их находят в упавших метеоритах. Хром принадлежит к тугоплавким металлам и является самым твердым из чистейших на нашей планете, к тому же он легко поддается механической обработке.

Вольфрам - это химический элемент. Считается самым твердым при сравнении с другими металлами. Имеет чрезвычайно высокую температуру плавления. Несмотря на твердость, из него можно выковывать любые нужные детали. Благодаря теплоустойчивости и гибкости это наиболее подходящий материал для выплавки небольших элементов, используемых в осветительных приборах. Тугоплавкий металл вольфрам - основное вещество тяжелых сплавов.

Металлы в энергетике

Металлы, в состав которых входят свободные электроны и положительные ионы, считаются хорошими проводниками. Это довольно востребованный материал, характеризующийся пластичностью, высокой электропроводностью и способностью легко отдавать электроны.

Из них делают силовые, радиочастотные и специальные провода, детали для электрических установок, машин, для бытовых электроприборов. Лидерами применения металлов для изготовления кабельной продукции считаются:

• свинец - за большую устойчивость к коррозии;
• медь - за высокую электропроводность, легкость в обработке, стойкость к коррозии и достаточную механическую прочность;
• алюминий - за небольшой вес, устойчивость к вибрациям, прочность и температуру плавления.

Категории черных вторичных металлов

К отходам черных металлов предъявляют определенные требования. Для отправки сплавов в сталеплавильные печи потребуются определенные операции по их обработке. Перед подачей заявки на перевозку отходов необходимо ознакомиться с ГОСТом черных металлов для определения его стоимости. Черный вторичный лом классифицируют на стальной и чугунный. Если в составе присутствуют легирующие добавки, то его относят к категории «Б». В категорию «А» включены углеродистые: сталь, чугун, присад.

Металлурги и литейщики из-за ограниченности первичной сырьевой базы проявляют активный интерес к вторичному сырью. Использование лома черных металлов вместо металлической руды - это ресурсное, а также энергосберегающее решение. Вторичный черный металл используют как охладитель конвертерной плавки.

Диапазон применения металлов невероятно широк. Черные и цветные неограниченно используются в строительной и машинной индустрии. Не обойтись без цветных металлов и в энергетической промышленности. Редкие и драгоценные идут на изготовление украшений. В искусстве и медицине находят применение как цветные, так и черные металлы. Невозможно представить жизнь человека без них, начиная от хозяйственных принадлежностей и до уникальных приборов и аппаратов.

Алюминиевые сплавы имеют более широкое применение в качестве конструкционного материала, чем технический алюминий. Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Си, Zn, Mg, Мп, Si, Ni, Fe. Эти элементы образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости, формируют упрочняющие зоны и промежуточные фазы с алюминием и между собой - Ф (CuAl2, Mg2Si, Al2CuMg, Al6CuMg4 и др.).

Мп и Mg оказывают положительное влияние на коррозионную стойкость, однако снижают тепло- и электропроводность алюминиевых сплавов. В литейных сплавах основным легирующим элементом выступает кремний, образующий с алюминием эвтектику. Ni, Ti, Cr, Fc образуют стабильные сложнолстироваиныс упрочняющие фазы, тормозят диффузионные процессы и тем самым повышают жаропрочность алюминиевых сплавов. Литий в сплавах на основе алюминия повышает их модуль упругости. Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления полуфабрикатов и изделий из них, по способу упрочняться термической обработкой и свойствам (табл. 9.3).

Таблица 93

Классификация алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы подразделяют в основном на деформируемые и литейные, а также спеченные алюминиевые порошки (САП) и сплавы (САС) и композиционные, при производстве которых широко используются процессы пластической деформации и литья.

В соответствии с диаграммой состояния «алюминий - легирующий элемент» (рис. 9.2) сплавы, расположенные левее точки Е, при высокой температуре имеют однофазную структуру а-твердого раствора, низкую прочность и высокую пластичность. Поэтому эти сплавы легко обрабатываются давлением и относятся к категории деформируемых сплавов. Сплавы литейные по содержанию легирующих элементов расположены правее точки?, содержат в структуре эвтектику и обладают высокими литейными свойствами: жид- котекучестыо и высокой концентрацией литейной пористости. Сплавы эвтектического состава кристаллизуются при постоянной

Рис. 9.2.

Д - деформируемые сплавы; Л - литейные сплавы; I - сплавы, не упрочняемые термической обработкой; II - сплавы, упрочняемые термической обработкой; Ф -

промежуточная фаза температуре, отличаются наиболее высокой жидкотекучестыо, пониженными механическими свойствами из-за наличия в их структуре большого количества эвтектической составляющей.

Точка М на диаграмме, соответствующая пределу насыщения твердого раствора при комнатной температуре, является границей между сплавами, не упрочняемыми и упрочняемыми термической обработкой.

Упрочняющая термическая обработка алюминиевых сплавов сводится к закалке с 435-545°С, естественному старению при 20°С или искусственному при 75-225°С в течение 3-48 ч. Не упрочняемые сплавы подвергают гомогенизационому (480-530°С, 6-36 ч), рекристализационному (300-500°С, 0,5-3 ч) и (закаченные и состаренные сплавы) разупрочняющему (350-430°С, 1-2 ч) отжигу.

Маркировка алюминиевых сплавов. Для маркировки алюминиевых сплавов принята смешанная буквенная и буквенно-цифровая система. Деформируемые сплавы обозначают буквами АД, Д, АК, AM, АВ, литейные - АЛ. Буквы АД в начале марки означают алюминий технический, последующая цифра указывает на чистоту алюминия. Буквой Д обозначают деформируемые сплавы системы (А1-Си-Mg) - дуралюмины, буквами АК - алюминиевый ковочный сплав. Буквы АВ обозначают сплав алюминия с магнием и кремнием - авиаль. Буквы АМг и АМц обозначают сплав алюминия с магнием (Мг) и с марганцем (Мц), цифры, следующие за буквами (АМг1, АМг5, АМгб), соответствуют примерному содержанию магния в сплавах. Буква В в начале марки означает высокопрочный алюминиевый сплав.

В настоящее время водится единая четырехцифровая маркировка алюминиевых сплавов (рис. 9.3). Первая цифра обозначает основу всех сплавов. Алюминию присвоена цифра один. Вторая цифра соответствует главному легирующему элементу или группе главных легирующих элементов. Третья цифра или третья со второй повторяют старую маркировку. Четвертая цифра указывает, что сплав деформируемый, если она нечетная или 0. Опытные сплавы

Рис. 93. Цифровая маркировка алюминиевых сплавов обозначают цифрой 0, стоящей впереди единицы (пятизначная маркировка допустима только для опытных сплавов). Цифра 0 исключается из пятизначной маркировки, когда сплав становиться серийным.

Буквенно-цифровая маркировка литейных алюминиевых сплавов (по ГОСТ 1583-93) базируется на принципе маркировки легированных сталей.

Первая буква А указывает основу сплава - А1, последующие буквы соответствуют первым буквам названий основных легирующих элементов (К - кремний, М - медь, Мг - магний, Мц - марганец, Н - никель, Ц - цинк). Числа, следующие за буквами, показывают усредненное содержание соответствующего компонента (в % по массе). При содержании в сплаве легирующего элемента меньше 1% буква, обозначающая данный элемент, в маркировке не указывается. Чистота сплавов обозначается буквами, стоящими после маркировки сплава: Ч, ОЧ - соответственно чистый или очень чистый но примесям железа и кремния. ГОСТ 1583-93 предусматривает возможность использования обозначения литейных алюминиевых сплавов буквенно-цифровой маркой с указанием в скобках старой марки (см. табл. 9.3).

Буквенно-цифровая система маркировки технологической обработки качественно отражает механические, химические и другие свойства сплава (табл. 9.4).

Таблица 9.4

Буквенно-цифровая маркировка технологической обработки деформируемых и литейных сплавов

Деформируемые алюминиевые сплавы. Химический состав и механические свойства деформируемых сплавов приведены в табл. 9.5.

К деформируемым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы на основе систем А1-Мп (АМц) и А1-Mg (АМг), отличающиеся пониженной прочностью, но повышенными пластичностью и коррозионной стойкостью. Сплавы хороню свариваются. Более широкое применение получили сплавы АМг из-за меньшей плотности. Из сплавов изготавливают изделия, получаемые методом глубокой вытяжки и сварки, способные работать в различных корозионно-активных средах (сварные баки, сосуды, трубопроводы для масла и бензина, корпуса, мачты речных судов). Сплавы АВ, АД31, АД 33 системы А1-Mg-Si обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошей пластичностью в холодном и горячем состоянии, свариваются с помощью точечной, шовной и аргоно-дуговой сварки. Сплавы удовлетворительно обрабатываются резанием в термообработанном состоянии. Сплавы упрочняют закалкой (510-530°С) и искусственным старением (160-170°С, 12-15 ч). Наиболее высокие показатели прочности после искусственного старения имеет сплав АВ, но он подвержен в этом состоянии межкристаллитной коррозии, которая вызвана выделением кремния по границам зерен при искусственном старении. Сплавы АД31 и АДЗЗ по прочности уступают сплаву АВ, но превосходят

Таблица 9.5

Химический состав и механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов

его по коррозионной стойкости. Сплавы ЛВ, ЛД31, АДЗЗ выпускают в виде листов, труб, прутков, профилей различного сечения и других полуфабрикатов, применяемых для изготовления лопастей винтов вертолетов, рам, корпусов и переборок судов, корпусов электромоторов, сварных баков, трубопроводов.

Дуралюмииы. Сплавы Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17 системы А1-Си-Mg отличаются хорошим сочетанием прочности и пластичности. В результате термической обработки (закалки и старения) дуралюмииы упрочняются. Превращения в деформируемых термоупрочняемых сплавах рассмотрим на сплавах алюминия

с медью. Эго допустимо, поскольку легирование их другими элементами (Mg, Мп и др.) наряду с медью или вместо нее не вносит принципиальных изменений.

Из диаграммы Л1-Си (рис. 9.4) следует, что в равновесном состоянии микроструктура сплавов состоит из твердого раствора а (0,2%Си) и включений вторичной фазы CuAl 2 , содержащей около 55,4% Си. При закалке сплавы нагревают до температуры /: :j , обеспечивающей растворение интерметаллида СиА1 2 в алюминии (выше линии предельной растворимости ME на 6-8%) и получение максимально возможной концентрации меди в твердом растворе. В процессе закалки, при быстром охлаждении в воде, медь не выделяется из твердого раствора, и таким образом получают неравновесную структуру однородного пересыщенного твердого раствора меди в алюминии (закалка без полиморфного превращения). В закаленном состоянии сплавы имеют пониженную прочность. Так, сплав Д16 в свежезакаленном состоянии имеет следующие механические свойства: а„ = 24(Н260 МПа, 8 = 22%.

В пересыщенном a-твердом растворе избыточные атомы меди распределены статистически равномерно и стремятся выделиться из него. На этом явлении основан процесс старения. Старение - это термическая обработка, при которой в сплаве после закалки (без полиморфного превращения) происходит распад пересыщенного a-твердого раствора. В зависимости от температурных условий превращения различают естественное старение - без подогрева при температуре 20°С и искусственное старение - с подогревом до температуры 100-200°С (рис. 9.5).

При естес твен пом старении в результате диффузионного перераспределения атомов меди внутри твердого раствора образуются зоны с повышенной концентрацией меди (50-52%) - зоны Гинье - Престона (ГП-I), с тем же порядком расположения атомов, что и в неупорядочном a-твердом растворе. При температурах ниже

Рис. 9.4. Часть диаграммы состояния системы А1-Си и схема изменения структуры дуралюмина (к % Си) после закалки

Продолжительность, сут.

Рис. 95. Изменение прочности дуралюмина (к % Си) при различных температурах старения

нуля зоны ГП-1 не образуются. Зоны ГП-1 представляют собой пластины диаметром 4-10 нм и толщиной 0,5-1 нм. Параметры кристаллической решетки твердого раствора в зонах ГП-1 меньше, чем в обедненном a-твердом растворе (атомный диаметр алюминия - 0,128 нм). Поэтому зоны ГП-1 деформируют a-твердый раствор (рис. 9.6), создают большие напряжения в кристалле и тормозят движение дислокаций, что приводит к упрочнению сплавов. При естественном старении в a-твердом растворе образуются лишь зоны ГП-1.

В процессе искусственного старения диффузия протекает более интенсивно. Искусственное старение происходит постадийно. Первая стадия, как и при естественном старении, сводится к образованию зон ГП-1.

Зоны ГП-1, возникшие при искусственном старении, имеют большие размеры (20 нм при температуре 100°С и 80 нм при температуре 200°С, толщиной от 1 до 4 нм) но сравнению с зонами ГП-1 после естественного старения. Увеличение выдержки при температурах от 100 до 200°С вызывают изменение зон ГП-1 (II стадия)

Рис. 9.6.

Атомы Си; О - атомы А1

и преобразование их в ГП-П с упорядоченным расположением атомов меди в алюминии. Затем следуют изменения, приближающие сплав к равновесному состоянию, и это связано с образованием фазы СиА1 2 (0"), когерентно связанной с а-твсрдым раствором.

Фаза 0" имеет тетрагональную решетку.

Четвертая стадия превращений сводится к возникновению стабильной фазы СиЛ1 2 , обособленной от матричного a-твердого раствора, и переходу сплава к исходному (до закалки) равновесному состоянию. Со стадии выделения стабильной фазы СиЛ1 2 происходит заметное разупрочнение сплава. Дальнейший нагрев до 200- 250°С приводит к укрупнению (коагуляции) интерметаллида СиА1 2 (0-фазы).

Каждая из названных стадий может протекать независимо, или они могут накладываться друг на друга. Протекание той или иной стадии зависит от состава сплава и температуры старения. Максимальное упрочнение при искусственном старении связано с начальными стадиями старения. С увеличением температуры старения быстрее достигается упрочнение, но эффект упрочнения ниже и разупрочнение наступает в течении нескольких часов.

Для деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, структурные изменения характеризуют терминами зонного и фазового старения. Зонное старение (образование зон ГП-1 и ГП-П) не приводит к разупрочнению сплава при любой продолжительности выдержки. В этом случае сплавы имеют повышенный предел текучести (отношение а 02 /а в = 0,6-^0,7), повышенную пластичность и низкую чувствительность к хрупкому разрушению.

Фазовое старение может быть упрочняющим и разупрочняющим, если в процессе старения происходит каогуляция частиц упрочняющих фаз (0" и 0). В результате фазового старения сплавы имеют высокий предел текучести (отношение а 0>2 /ст в достигает 0,9-0,95), в то время как пластичность, вязкость, сопротивление хрупкому разрушению и коррозии под напряжением снижаются.

Эффект старения отмечают и применяют не только в системах цветных сплавов на основе алюминия, меди, магния, титана, но и в сплавах никеля и железа.

Для сплавов Д1, Д19 температура нагрева под закалку близка к температуре плавления эвтектик, по ниже их, и равна 505°С, а для сплавов Д16, ВД17, Д18 - 500°С. В закаленном состоянии дуралю- мины (за исключением Д18) интенсивно упрочняются (временное сопротивление разрыву после естественного старения в течение 4 суток составляет 450 МПа, пластичность - 18%). Искусственному старению подвергают изделия из сплавов Д16, Д19, работающие при 125-200°С. Режим искусственного старения закаленного сплава Д16 - 190°С, продолжительность 8-12 ч. В результате искусственного старения прочность дуралюмина Д16 мало отличается от прочности в состоянии после естественного старения, но при этом повышается предел текучести и снижается пластичность.

Дуралюмины отличаются пониженной коррозионной стойкостью во влажном воздухе, речной и морской воде, нуждаются в средствах защиты от коррозии. Дуралюминиевые листы подвергают плакированию, а трубы и профили - анодной поляризации. Плакирование заключается в горячей прокатке листов дуралюмина, покрытых чистым алюминием (А7, А8). При этом алюминий сваривается сосновой и надежно защищает дуралюминиевый лист от коррозии. Толщина слоя алюминия обычно составляет 2-5% от толщины листа. Анодная поляризация в 10%-ном растворе серной кислоты полуфабрикатов из дуралюмина вызывает выделение кислорода и образование на их поверхности защитной оксидной (AI2O3) пленки, предохраняющей сплав от коррозии.

Дуралюмины хорошо свариваются точечной сваркой и нс свариваются сваркой плавлением из-за образования трещин, удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состояниях и хуже - в отожженном.

Наиболее прочный из дуралюминов сплав Д16 идет на изготовление обшивки лонжеронов, шпангоутов, стрингеров, тяг управления самолетов, силовых каркасов, кузовов автомобилей. В свежезакаленном состоянии из сплавов Д16 и Д1 изготавливают заклепки. Один из основных заклепочных сплавов - сплав Д18 в закаленном и естественно состаренном состоянии.

Высокопрочные сплавы В93, В95, В96Ц1 (см. табл. 9.5) системы А1-Zn-Mg-Си имеют повышенный предел прочности - 550-700 МПа. В качестве добавок содержат марганец, хром и цирконий, обеспечивающие неустойчивость твердого раствора, ускоряющие его распад и повышающие эффект старения. Упрочняющими фазами в сплавах являются MgZn 2 , Al 2 Mg3Zn3, Al 2 CuMg.

Высокопрочные алюминиевые сплавы подвергают закалке и искусственному старению. Сплавы закаливают с 460-470°С в холодной или горячей воде для исключения растрескивания крупногабаритных штамповок или поковок. При искусственном старении пересыщенный твердый раствор распадается с образованием дисперсных частиц упрочняющих фаз. Максимальная прочность сплавов отмечается при обработке по режиму Т1 (закалка; искусственное старение 120°С, 3-10 ч). После такой обработки сплавы имеют пониженную пластичность (7-10%) и склонны к коррозии под напряжением из-за неравномерного распада пересыщенного твердого раствора.

Старение высокопрочных сплавов по режимам Т2 и ТЗ при повышенных температурах (160-180°С) и продолжительности (10- 30 ч) увеличивает их вязкость, пластичность и сопротивление кор-

розни под напряжением. Чаще высокопрочные сплавы подвергают двухступенчатому старению при 100- 120°С, 3-10 ч (первая ступень) и 165- 185°С, 10-30 ч (вторая ступень). Первая ступень старения обеспечивает образование и равномерное распределение зон ГП. Па второй стадии при повышенных температурах и значительной продолжительности из зон ГП формируются и коагулируют частицы упрочняющих фаз. В результате двухступенчатого старения сплав В95пч имеет о н = 540-590 МПа, а 0 9= 410-470 МПа, 5 = = 10-13%.

Сплав В95 из всех высокопрочных сплавов является наиболее универсальным конструкционным материалом и находит широкое применение в авиации: для тяжелонагруженных деталей конструкций, работающих в основном в условиях сжатия (облицовка, шпангоуты, стрингеры, лонжероны самолетов).

Сплав В96Ц содержит повышенное количество основных легирующих элементов (цинка, магния, меди) и является самым прочным их всех деформируемых алюминиевых сплавов. Однако но сравнению со сплавом 1395 сплав В96Ц имеет пониженную пластичность, коррозионную стойкость. Сплав чувствителен к коррозии и различным концентраторам напряжений. Из сплава В96Ц методами горячего деформирования производят полуфабрикаты в виде труб, профилей различного сечения, поковок. Высокопрочные сплавы имеют удовлетворительную свариваемость при контактной сварке и плохую при сварке плавлением. Рабочая температура высокопрочных сплавов не превышает 120°С, так как при более высоких температурах отмечается резкое снижение их прочности, более интенсивное, чем у дуралюминов.

Высокомодульный сплав 1420 системы Al-Mg- Li обладает пониженной плотностью (2,5 г/см 3) и повышенным модулем упругости (75 000 МПа), что на 4% превышает модуль упругости сплава Д16. Сплав 1420 сваривается всеми видами сварки и обладает высокими коррозионными свойствами, близкими к характеристикам сплава АМгб.

Сплав 1420 подвергают закалке с 450°С (охлаждение на воздухе) и последующему искусственному старению при 120°С в течение 12-24 ч.

В результате закалки структура сплава состоит из пересыщенного твердого раствора магния и лития в алюминии. При искусственном старении образование зон ГП нс наблюдается. Упрочнение связано с выделением упрочняющей фазы AlLi, что не приводит к обеднению матричного твердого раствора магнием.

Сплав 1420 используют для замены в аэрокосмических изделиях дуралюминов, тем самым снижают их массу на 10-15%.

Ковочные сплавы АК6, АК8 (см. табл. 9.5) системы Al-Mg- Si-Си отличаются повышенной пластичностью при горячем деформировании и идут на изготовление поковок и штамповок. Ковка и штамповка сплавов производятся при температурах 450-470°С. В структуре сплавов наряду с твердым раствором присутствуют фазы CuAl 2 , CuMgAl 2 и Mg 2 Si. Сплавы АК6 и АК8 подвергают закалке и искусственному старению (режим Т1). Температура закалки сплавов АК6 и АК8 равна 520 и 500°С соответственно. Искусственное старение сплавов проводят по режиму 160-170°С, 12-15 ч. В результате такой обработки сплав АК8, содержащий 4,3% меди, имеет более высокие показатели прочности (см. табл. 9.5), чем сплав ЛК6, содержащий 2,2% меди. Для сплава ЛК6 характерно сочетание хорошей пластичности в горячем и холодном состояниях и достаточно высокой прочности. По вязкости разрушения сплав АК6 превосходит сплав АК8. Сплавы удовлетворительно свариваются, хорошо обрабатываются резанием. Сплавы АК6 и АК8 склонны к коррозии под напряжением и межкристаллитной коррозией. Коррозионную стойкость сплавов повышают электрохимическим оксидированием (анодированием) или путем нанесения лакокрасочных покрытий.

Сплав АК6 используют для изготовления средненагруженных деталей сложной формы (фитинги, крыльчатки, крепежные детали, подмоторные рамы). Сплав АК8, менее технологичный, чем АК6, рекомендуют для изготовления тяжслонагружснных деталей (подмоторные рамы, стыковые узлы, лонжероны, лопасти винтов вертолетов).

Жаропрочные алюминиевые сплавы Д20, 1201 (см. табл. 9.5) системы А1-Си-Мп и АК4-1 системы А1-Си-Mg-Fe-Ni способны работать при температурах до 300°С. В результате легирования сплавов цирконием, ванадием, титаном, железом и никелем тормозятся диффузионные процессы, образуются мелкодисперсные упрочняющие фазы Al 12 MnCu в сплавах Д20, 1201, Al 9 FeNi - в сплаве АК4-1, устойчивые к коагуляции при нагреве. Сплавы применяются в состоянии после закалки с температурой 535°С и искусственного старения при температуре 190°С в течение 10-18 ч. При комнатной температуре прочность жаропрочных алюминиевых сплавов мало отличается от прочности дуралюмина (420-450 МПа). При 300°С сплав Д20 обнаруживает более высокую жаропрочность (а ню = 80 МПа) по сравнению со сплавом АК4-1, для которого afoo = = 45 МПа. Сплавы Д20, 1201 свариваются хорошо, а сплав АК4-1 удовлетворительно аргоно-дуговой и контактной сварками. Коррозионная стойкость сплавов невысокая, и для защиты от коррозии на поверхность деталей из них наносят лакокрасочные покрытия или анодируют детали. Особенно тщательно необходимо защищать сварные соединения. Из сплавов АК4-1, Д20, 1201 изготавливают полуфабрикаты в виде листов, плит, профилей, используемых для деталей и сварных изделий: поршней двигателей, головок

цилиндров, крыльчаток, сварных емкостей, лопаток и дисков осевых компрессоров турбовинтовых двигателей, обшивок сверхзвуковых самолетов.

Литейные алюминиевые сплавы. Литейные алюминиевые сплавы наряду с высокими литейными свойствами (жидкотекучестью, низкой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пор) обладают оптимальными механическими свойствами и сопротивлением коррозии в различных агрессивных средах. Этим требованиям в большей степени отвечают сплавы систем А1-Si, Al-Си, А1-Mg, в структуре которых присутствует эвтектика. Дополнительное легирование сплавов системы А1-Si медью и марганцем, системы А1-Си марганцем, никелем, хромом, системы Al-Mg цинком позволяет улучшать их механические свойства (табл. 9.6) и повысить эксплуатационные характеристики.

Сплавы системы Al-Si- Mg АК9ч (АЛ4), АК8л (АЛ34), АК7ч (АЛ9), именуемые силуминами, получили наиболее широкое рас-

Таблица 9.6

Химический состав и механические свойства литейных алюминиевых сплавов

Примечание : в графе «Состояние сплава» буква «М» обозначает, что сплав подвергнут модифицированию, буквы «3», «Д», «К» обозначают способ литья: соответственно в землю, под давлением, в кокиль.

пространение. Сплав АК12 (АЛ2) отвечает эвтектическому составу (10-13% Si). Эвтектическая структура этого сплава состоит из грубых игольчатых кристаллов кремния на фоне a-твердого раствора. В таком состоянии сплав АК12 (АЛ2) вследствие большой хрупкости кремния имеет пониженные механические свойства (а в = 130 МПа, 5 = 1-^-2%). Повышают прочность и пластичность сплава модифицированием, когда вводят в расплав смесь солей (67% NaF + 33% NaCl) в количестве 2-3% от массы сплава, равномерным тонким слоем на поверхность расплава при 780-830°С. Присутствие в расплаве натрия смещает линии диаграммы состояния системы А1-Si (рис. 9.7) и эвтектическую точку в сторону более высоких концентраций кремния. После модифицирования эвтектика состоит из мелких кристаллов кремния и а-твердого раствора. Рост кристаллов кремния в процессе затвердевания сдерживает пленка Na 2 Si, обволакивающая их. Помимо эвтектики в структуре модифицированного сплава АК12 (АЛ2) появляются избыточные кристаллы a-твердого раствора. В результате изменения структуры улучшаются механические свойства сплава (см. табл. 9.6). Модифицированию подвергают силумины (в том числе

Рис. 97. Диаграмма состояния системы А1-Si (а) и механические свойства сплавов этой системы (6):

1 - до модифицирования; 2 - после модифицирования и легированные), содержащие более 5-6% кремния. Легированные силумины АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9) дополнительно легированы магнием, а сплав АК8л (АЛ32) - магнием и медью (см. табл. 9.6). Эти сплавы упрочняются как модифицированием, так и термической обработкой. Упрочнение сплавов, легированных магнием, связано с образованием фазы Mg 2 Si, а одновременно медью и магнием - с фазами СиА1 2 и Al,.Mg-) Cu 1 Si4. Легированные силумины АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9), АК8л (АЛ34) упрочняются термической обработкой по режимам Т1, Т4, Т5, Тб (например, для АК8л (АЛ34) - Т5: закалка 535°С, старение 175°С, б ч; для АК9ч (АЛ4) - Тб: закалка 535°С, старение 175°С, 15 ч; для АК7ч (АЛ9) - Т4: за- калка 515°С).

Сплав АК12 (АЛ2) применяют для малонагруженных деталей сложной конфигурации, сплавы АК9ч (АЛ4) и АК7ч (АЛ9) для средних и крупных деталей (корпусов компрессоров, картеров и блоков цилиндров двигателей). Отливки из сплава АК7ч (АЛ9) в закаленном состоянии (Т4) отличаются повышенной пластичностью (см. табл. 9.6), а в состоянии Тб (закалка и старение) - повышенной прочностью. Сплав АК8л (АЛ34) превосходит по прочности сплавы АК9ч (АЛ4) и АК7ч (АЛ9). Сплавы АК8л (АЛ34) и АК8М (АЛ32) предназначены для литья под давлением. Большая скорость кристаллизации при литье под давлением, присутствие в составе сплавов Мп и Ti обеспечивают формирование мстаста- бильной структуры в отливке из этих сплавов. В результате искусственного старения при 175°С без предварительной закалки (режим Т1) происходят распад пересыщенного твердого раствора и упрочнение сплава. При изготовлении деталей другими методами литья сплавы подвергают упрочняющей термической обработке (режим Т5). Сплавы АК8л (АЛ34) и АК8М (АЛ32) идут на изготовление сложных по конфигурации деталей блоков цилиндров, головок блоков и других деталей двигателей внутреннего сгорания.

Силумины отличаются высокой герметичностью, удовлетворительной обрабатываемостью резанием, хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью.

Высокопрочные и жаропрочные литейные сплавы АМ5 (АЛ 19) системы А1-Си-Mn, АК5М (АЛ5) системы А1-Si-Си-Mg помимо меди (основного легирующего элемента) содержат Мп (см. табл. 9.6). Сплав АМ5 (АЛ 19) по химическому составу близок к сплаву Д20. Повышенное содержание марганца и титана в сплаве АМ5 (АЛ 19) обеспечивает присутствие в его структуре наряду с твердым раствором фаз CuAl 2 , Al 12 Mn 2 Cu и AljTi. Сплав АМ5 (АЛ19) упрочняется термообработкой по режимам Т4, Т5,Т7 (Т5: закалка 545°С, 12 ч, старение 175°С, 3-6 ч) (см. табл. 9.6). Дополнительное легирование цирконием, церием и никелем (сплав АЛЗЗ) приводит к связыванию некоторого количества меди в нерастворимые фазы и образованию фаз Al 2 Ce, Al 3 Zr, Al^Cu^Ni; это уменьшает эффект термической обработки, но жаропрочность сплава АЛЗЗ выше, чем у сплава АЛ 19, так как упомянутые фазы препятствуют процессу ползучести. Сплав АМ5 (АЛ 19) хорошо сваривается и обрабатывается резанием и используется для литья крупногабаритных отливок в песчаные формы.

Сплав АК5М (АЛ5) показывает высокие прочностные характеристики в состоянии после термической обработки Т5: закалка 525°С, старение 180°С, 5 ч. При старении из пересыщенного твердого раствора выделяются мелкодисперсные частицы фаз CuAl 2 , Mg 2 Si, Al v Mg 5 Cu 4 Si 4 , упрочняющих сплав. Среди силуминов сплав АК5М (АЛ5) из-за наличия в нем меди является более прочным. По той же причине сплав имеет пониженную коррозионную стойкость. Сплав рекомендуется для деталей сложной конфигурации, рабочая температура которых не превышает 250°С.

Коррозионностойкие литейные алюминиевые сплавы АМг5Мц (АЛ28) системы AI-Mg, АЦЧМг (АЛ24) системы А1-Zn-Mg обладают наряду с высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах высокими прочностью и пластичностью (см. табл. 9.6). Сплавы системы AI-Mg имеют невысокие литейные свойства из-за большого (100-120°С) интервала кристаллизации, значительного газосодержания и сильной окисляемости. По жид- котекучести сплавы уступают силуминам. При плавке и литье сплавов системы AI-Mg их расплавы защищают от окисления специальными флюсами.

Сплав АМг5Мц (АЛ28) содержит 4,8-6,3% магния, не склонен к коррозии под напряжением и не чувствителен к образованию газовой пористости и окислению. Сплав не упрочняется термической обработкой и применяется в литом состоянии (см. табл. 9.6). Из сплава АЛ28 получают сложные отливки для деталей средней нагруженное™, сплав хорошо сваривается.

Сплав АЦ4Мг (АЛ24), обладая высокой коррозионной стойкостью, стабильными механическими свойствами, способен надежно работать при температурах до 150°С. Сплав упрочняется термической обработкой Т1 (естественное или искусственное старение без предшествующей закалки) (см. табл. 9.6) либо закаленной с 550°С (на воздухе или в кипящей воде) с последующим искусственным старением (165°С, 22 ч).

Сплавы АМг5Мц (АЛ28) и АЦ4Мг (АЛ24) способны заменить дефицитные бронзы, латуни, нержавеющие стали и обеспечить надежную работу деталей в условиях коррозионного воздействия морской воды.

Спеченные алюминиевые порошки и гранулированные сплавы

характеризуются повышенными механическими и физическими свойствами.

Спеченный алюминиевый порошок (САП) - это материал, который получают прессованием и с последующим спеканием алюминиевого порошка (пудры), представляющего собой чешуйки толщиной ~1 мкм.

Пудру получают пульверизацией жидкого алюминия и размолом полученного порошка в шаровых мельницах. Измельчение порошка увеличивает содержание оксида алюминия в порошке. При производстве САПов используют алюминиевые пудры трех марок: АПС-1, АПС-2 и АПС-3, которые содержат оксид алюминия (6-9, 9-13 и 13-18% соответственно).

Брикетирование алюминиевой пудры осуществляют под давлением 300-750 МПа. При брикетировании оксидная пленка разрывается, поверхность частиц увеличивается, неокисленные участки поверхности алюминиевых частиц вступают в контакт и происходит их схватывание. Спекание брикетов при температурах 450-500°С под давлением 400-600 МПа увеличивает контакт поверхностей неокислеиного алюминия и увеличивает силы связи между частицами алюминия. Плотность спеченного брикета возрастает с 2,6 до 7 г/см 3 , что близко к плотности литого алюминия. Из спеченных брикетов методом горячего прессования получают полуфабрикаты - листы, прутки, трубы, штамповые заготовки.

Структура сплавов САП состоит из смеси алюминия и дисперсных чешуек оксида алюминия. Частицы оксида алюминия не растворяются в алюминии и нс коагулируют, что обеспечивает стабильность структуры и свойств при температурах до 500°С (табл. 9.7). Повышенная прочность САПов вызвана дисперсностью частиц А1 2 0з, задерживающих движение и перераспределение дис-

Таблица 9.7

Состав и механические свойства спеченных и гранулируемых сплавов

локаций. САПы деформируются в холодном и горячем состояниях, хорошо обрабатываются резанием, удовлетворительно свариваются контактной и аргоно-дуговой сварками. Из сплавов САП изготавливают поршневые штоки, лопатки компрессоров, турбин и вентиляторов.

Спеченные алюминиевые ставы (САС) изготавливают по той же технологии, что и САПы, но порошки получают распылением сплавов заданного состава. Так, основу сплава САС-1 составляет сплав системы А1-Si-Ni (25-30% Si, 5-7% Ni), a CAC-2 - сплав системы Al-Si-Fe (25-30% Si, 5-7% Fe).

Сплав САС-1 содержит в структуре дисперсные и равномерно распределенные включения кристаллов кремния и никелевых ин- терметаллидов в виде пластин, оказывающих решающее влияние на уровень механических свойств (см. табл. 9.7). Сплавы отличаются низким коэффициентом термического расширения. Сплавы САП и САС могут длительное время работать при температуре 300-500°С и идут на обшивку летательных аппаратов, дисков и лопаток компрессоров.

Гранулированные сплавы получают компактированием гранул диаметром 1-4 мм, полученных при очень высоких скоростях охлаждения (10 3 -10 4 °С/с). Высокие скорости охлаждения всплавах алюминия с переходными металлами (Mn, Cr, Ir, Ti, V) при раскислении расплава позволяют получить пересыщенные твердые растворы на основе А1, концентрация этих компонентов превышает предельную растворимость в несколько раз. Такие твердые растворы получили название аномально пересыщенных. Гранулы из этих сплавов имеют гетерогенную структуру, однако первичные интер- металлидиые включения дисперсные и равномерно распределены по объему. Из гранул горячим прессованием получают полуфабрикаты. В процессе горячей деформации при производстве полуфабрикатов аномально пересыщенные растворы распадаются с образованием дисперсных частиц интсрмсталлидов Al 3 Zn и др. Таким образом, технологический нагрев при изготовлении полуфабрикатов в виде листов, прутков, профилей является упрочняющим старением. Роль закалки для таких сплавов выполняет кристаллизация при больших скоростях охлаждения.

Сплав 01419 системы Al-Сг-Zn является гранулируемым дисперсионно твердеющим, упрочняемым в результате выделения дисперсных фаз Al 3 Zn, AlyCr (см. табл. 9.7). Стабильная структура сплава 01419 при нагреве до 350°С придает ему высокую жаростойкость.

В сплаве ПВ90 гранулы имеют состав сплавов В95, В96Ц системы Al-Zn-Mg-Си, упрочняемых термической обработкой (режим Т1). Сплав ПВ90, обработанный но режиму Т1, имеет повышенные прочностные характеристики (см. табл. 9.7) и по прочности и температуре рекристаллизации превосходит серийные деформируемые

алюминиевые сплавы. Он хороню обрабатывается резанием, полируется и отличается стабильностью размеров. Детали из сплава ПВ90 применяют в узлах трения и ответственных конструкциях высокоточных приборов.

Композиционные алюминиевые сплавы. В качестве материала матрицы (см. параграф 11.1) применяют технически чистый алюминий (АД1) и сплавы АДЗЗ, В95, САП-1 и др. Для армирования матриц служат волокна бора и углеродные. Так, сплавы ВКА-1, ВКА-2 получают армированием борными волокнами алюминиевых сплавов АД1, АДЗЗ. Технология получения композитов включает операции намотки борного волокна на оправку, его фиксацию путем плазменного напыления матричного сплава, раскройку заготовок и их прессование или прокатку. Сплав ВКА-1 (табл. 9.8), содержащий 50% (объемных) борных волокон, наряду с высокими показателями прочности и жесткости обладает хорошей технологичностью и конструкционной надежностью. В интервале температур 80-500°С сплав ВКА-1 но прочности и жесткости превосходит промышленные сплавы В95 и АК4-1.

Таблица 9.8

Состав и свойства некоторых композиционных алюминиевых сплавов

*,**,***_ пределы прочности при температурах 300,400, 500°С соответственно.

Алюминиевые сплавы, армированные стальной проволокой (КАС), получают методом прокатки в вакууме. В качестве материала матрицы в КАС-1 используют сплав АВ или материал САН-1 (см. табл. 9.8). Сплав сохраняет высокие кратковременную и длительную прочности при повышенных температурах.

Накладки из КАС-1 применяют в целях ограничения распространения трещин путем закрепления их на деталях из алюминиевых сплавов методами диффузионной сварки, клеесварки и приклеивания.

Как вы уже знаете, у бронзы, например, прочность выше, чем у составляющих ее меди и олова. Сталь и чугун прочнее технически чистого железа. Поэтому в чистом виде металлы используют редко. Значительно чаще применяются их сплавы. Известно немногим более 80 металлов, но из них получены десятки тысяч различных сплавов.

Помимо большей прочности многие сплавы обладают большей коррозионной стойкостью и твердостью, лучшими литейными свойствами, чем чистые металлы. Так, чистая медь очень плохо поддается литью, из нее трудно получить отливки, и в то же время оловянная бронза - сплав Си + Бп имеет прекрасные литейные свойства: из нее отливают художественные изделия, требующие тонкой проработки деталей. Чугун - сплав железа с углеродом - также великолепный литейный материал. Чистый алюминий - очень мягкий металл, сравнительно непрочный на разрыв. Но сплав, состоящий из А1, М£, Мп, Си, №, называемый дюралюминием, в четыре раза прочнее алюминия на разрыв.

Помимо более высоких механических качеств сплавам присущи свойства, которых нет у чистых металлов. Примерами могут служить получаемая на основе железа нержавеющая сталь - материал с высокой коррозионной стойкостью даже в агрессивных средах и с высокой жаропрочностью, магнитные материалы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, с малым коэффициентом термического расширения.

Сплавы - это материалы с характерными свойствами, состоящие из двух или более компонентов, из которых по крайней мере один - металл.

Компонентами сплавов могут быть и неметаллы, и соединения.

По состоянию компонентов сплавы могут быть однородными, когда при сплавлении образуется как бы раствор одного металла в другом, например сплавы меди и олова, золота и серебра, и неоднородными, представляющими собой механическую смесь металлов.

Сплавы классифицируются по-разному, в зависимости от того, какой признак взят за основу. Чаще всего сплавы подразделяют по составу : медные, алюминиевые, никелевые, титановые и т. д.

Есть группы сплавов, носящие общие названия: бронзы, латуни и др. Иногда в названии сплава отмечают особо ценные компоненты: бериллиевые бронзы, вольфрамовая сталь и др.

В металлургии железо и все его сплавы выделяют в одну группу под названием черные металлы; остальные металлы и их сплавы имеют техническое название цветные металлы .

Подавляющее большинство железных (или черных) сплавов содержит углерод. Их разделяют на чутуны и стали.

Чугун - сплав на основе железа, содержащий от 2 до 4,5% углерода, а также марганец, кремний, фосфор и серу. Чугун значительно тверже железа, обычно он очень хрупкий, не куется, а при ударе разбивается. Этот сплав применяется для изготовления различных массивных деталей методом литья, так называемый литейный чугун и для переработки в сталь - передельный чугун.

В зависимости от состояния углерода в сплаве различают серый и белый чугун (табл. 4).

Сталь - сплав на основе железа, содержащий менее 2% углерода. По химическому составу стали разделяют на два основных вида: углеродистая и легированная.

Углеродистая сталь представляет собой сплав железа главным образом с углеродом, но, в отличие от чугуна, содержание в ней углерода, а также Мn, Si, Р и S гораздо меньше. В зависимости от количества углерода стали подразделяют на мягкие (содержание углерода не превышает 0,3%), средней твердости (углерода несколько больше, чем в мягких) и твердые (углерода может быть до 2%). Из мягкой и средней твердости стали делают детали машин, трубы, болты, гвозди, скрепки и т. д., а из твердой - различные инструменты.

Легированная сталь - это тоже сплав железа с углеродом , только в него введены еще специальные, легирующие добавки: хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др.

Легирующие добавки придают сплаву особые качества. Так, хромоникелевые стали очень пластичные, прочные, жаростойкие, кислотоупорные, устойчивые против коррозии (ржавления). Они применяются в строительстве (например, облицовка колонн станции «Маяковская» московского метро выполнена из хромоникелевой стали), а также для изготовления нержавеющих предметов домашнего обихода (ножей, вилок, ложек), всевозможных медицинских и других инструментов. Хромо-молибденовые и хромованадиевые стали очень твердые, прочные и жаростойкие. Они используются для изготовления трубопроводов, компрессоров, двигателей и многих других деталей машин современной техники. Хромовольфрамовые стали сохраняют большую твердость при очень высоких температурах. Они служат конструкционным материалом для быстрорежущих инструментов.

Некоторые легированные стали представлены в таблице 5.

Свойства некоторых легированных сталей и их применение

1. Сплавы и их классификация.

2. Черные металлы: чугуны и стали.

3. Цветные металлы: бронза, латунь, мельхиор, дюралюминий.

Какой период в истории человечества называют «бронзовым веком»? Почему?

Какое количество вещества меди и никеля нужно взять для производства 25 кг мельхиора?

Что объединяет два выражения: «легирующие элементы стали» и «привилегированное положение в обществе»?