Металлы и сплавы (стр. 21 из 24)
- под руководством учебного мастера на точиле снять лыску вдоль образующей образца на глубину 0,5...1 мм и длиной 25...30 мм;
- под наблюдением лаборанта или преподавателя провести замер твердости на приборе Роквелла ( НRС) с помощью алмазного индентора в специальном приспособлении на подготовленной ранее поверхности образцов с шагом 1,5...2 мм, начиная от плоскости торцевой закалки. Данные замеров занести в таблицу. (В порядке исключения, по указанию преподавателя, можно воспользоваться таблицей результатов, полученных при испытаниях контрольных образцов);
- построить графики зависимости твердости по длине образца в координатах HRC=f(l) , где l - расстояние от закаливаемого торца, мм;
- по табл. 6.1 для каждой марки стали определить твердость полумартенситной (50% мартенсита и 50% троостита) структуры;
- по таблице полученных результатов и по графикам для каждой стали найти глубину закаленного слоя до полумартенситной структуры l;
- по номограмме Блантера для каждой марки стали определить критические диаметры прокаливаемости, используя цилиндрические образцы с разным отношением l/D- длины образца к диаметру;
- сделать выводы о влиянии легирования на прокаливаемость стали.
4. Выявить и изучить с помощью оптического микроскопа структуру наиболее характерных легированных сталей после различных видов термической обработки (4-6 микрошлифов). Структуру зарисовать в таблице по предложенной форме, обозначив фазы и структурные составляющие. В примечании, используя плакаты, таблицы, справочники и учебную литературу, указать свойства и применение изучаемых сталей.
Контрольные вопросы
1. Какое влияние оказывают легирующие элементы на свойства сталей?
2. Какие фазы образуют легирующие элементы в сталях и как в связи с этим изменяется структура сталей?
3. Какое влияние оказывают легирующие элементы на температуру критических точек в сталях? Как классифицируются легирующие элементы?
4. Каковы особенности закалки и отпуска легированных сталей по сравнению с углеродистыми на всех стадиях термообрабоки?
5. Что представляет собой нормализация? Как классифицируются стали по структуре после нормализации?
6. Что представляют собой закаливаемость и прокаливаемость сталей, от чего они зависят? Как определяется прокаливаемость сталей? Каковы показатели прокаливаемости?
7. Каковы особенности микроструктуры легированных сталей в равновесном состоянии и после термообработки по сравнению с соответствующими структурами углеродистых сталей?
Лабораторная работа № 9
Упрочнение титановых сплавов легированием и термической обработкой
Цель работы
1. Изучить влияние легирования на структуру, свойства и возможность упрочнения путем термообработки титановых сплавов.
2. Разобраться в фазовых превращениях, протекающих в термически упрочняемых титановых сплавах при закалке и старении.
3. Экспериментально установить влияние степени легирования на твердость и прочность термически неупрочняемых и термически упрочняемых (в равновесном состоянии) титановых сплавов.
4. Провести закалку образцов из титанового сплава и их старение с различными режимами:
а) при различных температурах в течение постоянного времени;
б) при постоянной температуре с различным временем старения.
5. Используя металлографический микроскоп и комплект микрошлифов, изучить и зарисовать наиболее характерные микроструктуры сплавов титана.
Содержание работы
Титан относится к легким металлам с плотностью 4,51 т/м3. До температуры 882°С он имеет гексагональную плотноупакованную (ГПУ) кристаллическую решетку a ( Tia), выше этой температуры устойчива объемно центрированная кубическая (ОЦК) кристаллическая решетка b (Tib). Химически чистый титан имеет низкий предел прочности ( sв = 250 МПа) и высокую пластичность. Существенное влияние на прочность титана оказывают примеси. Например, небольшое (до 0,5%) содержание примесей в техническом титане ВТ1-0 увеличивает sв до 500 МПа.
Легирующие элементы в основном образуют с титаном твердыерастворы и обеспечивают интенсивное упрочнение сплавов. Например, легирование сплава ВТ5 пятью процентами алюминия упрочняет его до sв = 800... 900 МПа. Сложнолегированные однофазныеa-сплавы типа ВТ18 имеют предел прочности в отожженном состоянии до 1000...1200 МПа.
Кроме упрочнения легирующие элементы оказывают влияние на температуру полиморфного превращения a-титана в b-титан. Некоторые из них позволяют получить сплавы с устойчивой при комнатной температуре двухфазной ( a + b)-структурой, которые можно упрочнять путем термообработки.
Классификация легирующих элементов в зависимости от их влияния на температуру аллотропического превращения в титане a-стабилизаторы – Al, Ga, La, Ge, C, N, O– повышают температуру полиморфного превращения a«b и расширяют температурную область существованияa-фазы (рис. 9.1, I). Для упрочнения как однофазных, так и двухфазных a-сплавов из этих элементов применяют только Al (от 2 до 8%). Остальные металлы - дорогостоящие, а С, N и О слишком охрупчивают сплавы и допускаются в качестве примесей не более 0,1; 0,15 и 0,05% соответственно.
Рис. 9.1. Влияние легирующих элементов (л.э.) на полиморфное превращение в титановых сплавах
Нейтральные упрочнители – Zr, Hf, Th, мало влияющие на температуру полиморфного превращения, применяют для упрочнения как a-, так и b-фазы (рис. 9.1, III).
b -стабилизаторы снижают температуру полиморфного превращения в титане, расширяют температурную область существования b-фазы. Эти элементы в свою очередь можно разделить на две подгруппы:
а) изоморфные b-стабилизаторы - V, Мо, Nb, Та, Rе. Эти элементы имеют однотипную с b-титаном кристаллическую решетку, хорошо в нем растворяются и препятствуют его превращению в a-титан (рис. 9.1, IIа). Постепенное увеличение степени легирования этими элементами позволяет получить двухфазные (a+b)-сплавы, а при некоторых довольно больших степенях легирования - и однофазные b-сплавы.
б) эвтектоидообразующие (квазиизоморфные) b-стабилизаторы - Cr, Со, Mn, Fe и др (рис. 9.1, IIб). Они обладают замедленной скоростью образования эвтектоидной структуры ( a-фаза + интерметаллидное соединение титана с указанными металлами). При реальных скоростях охлаждения в процессе термообработки эвтектоиды не образуются, а легирующие элементы стабилизируютb-фазу.
Существует также группа эвтектоидообразующих элементов активных - W, Ni, Cu, Si. Температура выделения их эвтектоидов – выше 700°С, и в реальных случаях они образуют в составе эвтектоидов хрупкие интерметаллидные фазы. Этими элементами можно легировать титан в очень малых количествах в пределах их растворимости в a-фазе.
Классификация титановых сплавов по структуре в равновесном состоянии. Особенности применения сплавов a-сплавы ВТ1-00; ВТ1-0; ВТ1; ВТ5; ВТ5-1; ВТ18 и другие обладают высокой термической стабильностью, сопротивляемостью коррозии и газонасыщению поверхностного слоя до температуры 600°С, хорошо свариваются. Нелегированные титановые сплавы имеют высокую пластичность и хорошо деформируются в холодном состоянии. Все эти сплавы термически не упрочняются. Их применяют для изготовления сварных бандажей, обтекателей, резервуаров, корпусных деталей самолетов и двигателей, для изготовления трубопроводов и трубопроводной арматуры.
Псевдо-a-сплавы ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ОТ4-2, ВТ4, АТ2 , АТ3, АТ4, ВТ20, ТС5 и др., легированные в основном a-стабилизатором (Аl) и небольшим количеством b-стабилизирующих элементов ( Мn до 2%, Мо до 1%), имеют до 10% b-фазы, повышающей их технологическую пластичность и прочность. Эти сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью и коррозионной стойкостью, их применяют для элементов обшивки, элеронов, деталей хвостового оперения, передних кромок крыла и деталей, свариваемых из листа, стоек, кронштейнов и др. Сплавы используют в отожженном состоянии, так как эффект упрочняющей термообработки невелик.
(a+b)-сплавы: ВТ6С, ВТ6, ВТ8, ВТ9, ВТ3-1 , ВТ14, ВТ16, ВТ22, ВТ23, ВТ25, ВТ28, ВТ33 и др., легированные изоморфными ( Мо, Vи др.) и квазиизоморфными ( Мn, Сг, Fе и др.)b-стабилизаторами, обеспечивающими возможность термического упрочнения до sв = 1300... 1500 МПа путем закалки и старения, являются высокопрочными и жаропрочными. Их применяют для изготовления силовых узлов, корпусов, дисков и других деталей компрессора. По удельной прочности эти сплавы при температурах 400...600°С превосходят все другие конструкционные материалы, за исключением бериллиевых сплавов. Сплав ВТ22 имеет наивысшую усталостную прочность.
Псевдо-b-сплавы ВТ15, ТС6 - высоколегированные сплавы на основе b-фазы с небольшим количеством a-фазы. После закалки эти сплавы имеют термодинамически нестабильную b-фазу (bн)и обладают достаточно высокими прочностью ( sв = 800 МПа) и пластичностью. Путем старения они дополнительно упрочняются до sв = 1300...1500 МПа. Сплавы применяют для изготовления сложных по форме тяжелонагруженных деталей типа бандажей, а также болтов высокой надежности.
Группа b-сплавов представлена одним сплавом марки 4201, содержащим 33% Мо. Сплав имеет высокую пластичность и среднюю прочность, термически не упрочняется.
Фазовые превращения в титановых сплавах
при закалке и старении
Закалкой и старением упрочняются двухфазные (a+b)-титановые сплавы. Схема образования структур при закалке и старении показана на рис. 9.2.
Рис. 9.2. Обобщенная диаграмма состояния «Тi - b-стабилизирующий легирующий элемент» и схема образования структур при закалке и старении титановых сплавов
Обобщенная диаграмма состояния «Тi-b-стабилизирующий легирующий элемент» состоит из двух кривых линий, исходящих из точки аллотропического превращения в титане (Т = 882°С).