книги / Материаловедение.-1

КМ с алюминиевой матрицей представляет собой алюминий, упрочненный частицами А12О3. Его получают методом порошковой металлургии. Маркировка – САП-1, САП-2, САП-3. Сохраняет свои свойства до температур 0,8Тпл.

КМ с никелевой матрицей представляет собой никель, упрочненный частицами диоксида тория (ТhO2) или диоксида гафния (НfO2). Маркировка – ВДУ-1 и ВДУ-2 соответственно. Используют как жаропрочные материалы при работе до 1000–1200 °С. Такие КМ обладают повышенной жаропрочностью, теплоэрозионной стойкостью и могут применяться в авиационной и космической технике (камеры сгорания, формажные камеры, горячие газоходы и др.).

Слоистые КМ позволяют получать высокую пластичность, трещиностойкость, коррозионную стойкость в сочетании с хорошей прочностью. Это сплавы алюминия, плакированные чистым алюминием; биметаллы, двухили трехслойные подшипниковые материалы (композиции: сталь – бронза, сталь – бронза – баббит и др.). Сплавы или чистые металлы уложены в них слоями, каждый из которых имеет определенное назначение. Например, в композиции для четырехслойного металлического подшипника скольжения (баббит – никель – бронза – сталь) стальная основа обеспечивает прочность и жесткость детали. Верхний слой (баббит) улучшает прирабатываемость. Когда баббит износится, рабочим становится следующий слой – бронза. Слой никеля – барьер, не допускающий диффузию олова из баббита в свинец бронзы.

Упрочнителем в волокнистых КМ с одномерным напол-

нителем являются волокна и нитевидные кристаллы. В качестве волокна используют высокопрочную проволоку из стали, молибдена, вольфрама, титана и их сплавов, стекловолокно, волокна из бора, углерода, волокнистых монокристаллов А12О3, SiO и др. Между кристаллической матрицей и волокном происходит химическое взаимодействие с образованием интерметаллидов на границе металл – волокно, что обеспечивает надежные соединения матрицы и волокна.

131

Метод получения волокнистых КМ зависит от профиля, размеров, составляющих материала. Чаще всего используют волочение или прессование при высоких температурах, одновременную прокатку, сварку взрывом. Нашли применение также метод пропитки волокон расплавом матрицы и метод направленной кристаллизации расплава эвтектических сплавов. Часто эти методы дополняются прокаткой или прессованием.

Ниже представлены примеры волокнистых композиционных материалов на различной основе:

1)на основе алюминия: КАС – армирование алюминия или его сплавов стальной проволокой (матрица – сплавы АД1, АМг6, волокно – сталь 08X18Н9Т);

2)на основе алюминия: ВКА-1 – армирование алюминия или его сплавов до 50 % боридными волоконами; материалы обладают высокой прочностью, жаростойкостью, жесткостью в сочетании с малым удельным весом; применяются в самолетостроении (обшивки крыла самолета, лонжероны, специальные накладки и т.д.);

3)на основе магния: ВКМ – армирование магния волокнами карбида кремния SiC;

4)на основе титана: ВКТ – армирование титана и его

сплавов волокнами бора, борсика, SiC, А12О3, оксидами берил-

лия и молибдена (Ti – Be, Ti – BeSiC, Ti – SiC и др.); предел

прочности такого КМ составляет σвкм > 900 МПа; 5) на основе никеля: ВКН – армирование жаропрочных ни-

келевых сплавов оксидом алюминия, борными волокнами, сплавами W + 3 % Re или W + l % ThО2; предел прочности такого КМ составляет σвкм = 2700 МПа; материалы нашли применение в самолетостроении (теплонагруженные детали двигателей, рабочие и сопловые лопатки турбины, камеры сгорания и т.д.).

Эвтектические КМ представляют собой эвтектические композиции. Они получаются в процессе кристаллизации эвтектик. Эвтектические КМ имеют высокую прочность, жаропрочность, термическую стабильность. Примером эвтектичсеких

132

композиций являются (Co, Cr) – (Cr, Co)7C3; (Co, Cr, Ni) – TaC; Ni3Al – Ni3Nb; (Co, Cr) – NbC; сплав ЖС6У. Применяют эвтек-

тические композиции в самолето- и ракетостроении. Например, отливают лопатки турбины (сплав Ni3Al – NiNb).

16.2. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРНОЙ МАТРИЦЫ

Полимерная основа (матрица) представляет собой:

–термореактивные смолы: эпоксидные, полиэфирные, фенолформальдегидные и кремний-органические;

–термопластичные полимеры: полиамиды, поликарбонаты, полисульфоны.

Выделяют следующие волокна для армирования: филерное стеклянное волокно (тонкие кварцевые или кремнеземные нити диаметром 3–40 мкм и длиной 1–50 м); бороволокниты (полученные осаждением из газовой фазы кристаллического бора на вольфрамовую нить диаметром 12 мкм); углеродные волокна (вискоза и полиакрилнитрил (ПАН)); органические волокна (полиамиды ПА-6, капрон, нейлон, лавсан); нитевидные кристаллы (А12O3, SiC, BeO, SiO2).

Полимерная матрица в КМ определяет длительную прочность, стабильность характеристик при работе в агрессивных средах, деформационную устойчивость при повышенных температурах, технологию изготовления деталей. Армирующее волокно обеспечивает высокую прочность, усталостную прочность, жесткость конструкции.

КМ на основе полимерной матрицы

133

Стекловолокниты представляют собой полимерную матрицу и стеклянное волокно, стеклонити, стекложгуты, стеклоткани в виде различного плетения. Они могут быть однонаправленными и перекрестными. Стекловолокниты обладают такими свойствами, как коррозионная стойкость, высокая механическая прочность, усталостная прочность, радиационная стойкость, радиопрозрачность, низкая чувствительность к надрезам. Эпоксидная связующая, совмещенная со стеклотканью, образует стеклотекстолит, имеющий рабочую температуру до 200 °С. Стеклопластики широко используются в самолетостроение (детали крыльев, фюзеляжа), ракетостроении, в качестве плат в ЭВМ.

Бороволокниты – полимерная матрица и борное волокно. Такой материал обладает высоким пределом прочности при растяжении и сжатии, высокими значениями модуля упругости, хорошими полупроводниковыми свойствами, имеет повышенную тепло- и электропроводимость. Недостатком бороволокнитов является трудность их механической обработки. Такие материалы нашли широкое применение в самолетостроении (профили, стрингеры, лопасти несущих винтов вертолетов и т.д.).

Углепластики – полимерная матрица и углеродные волокна. Эти материалы обладают низкой плотностью, высоким модулем упругости, термостойкостью, низким коэффициентом линейного расширения, высокой износостойкостью. Их применяют в узлах трения (подшипники, диски тормозов и т.д).

Органопластики – полимерная матрица и синтетические волокна. Это самые легкие композиционные материалы, стойкие к ударным циклическим нагрузкам. Вследствие химического взаимодействия матрицы и волокна органопластики имеют монолитную структуру. Недостатком таких материалов является невысокая прочность. Они нашли применение в самолето-, автостроении в качестве изоляционного и конструкционного материала (обшивка).

134

ЗАДАНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Вариант задания определяется по двум последним цифрам номера зачетной книжки, например: зачетная книжка № 03–005 – вариант 5, зачетная книжка № 03–049 – вариант 49, зачетная книжка № 03–184 – вариант 184. В случае когда номер зачетной книжки более 50, следует из двух последних цифр вычесть 50, например: зачетная книжка № 03–084 – вариант 34.

ВАРИАНТ 1

1. Начертите диаграмму состояния железо – цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и определите критические точки сплава, содержащего 3,5 % углерода. Какова равновесная структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

2. Определите металлургическое качество, назначение, а также среднее содержание углерода и легирующих элементов в следующих сталях: сталь 45; 12Х17; У13А; 4Х5МФС. Укажите среднее содержание углерода и легирующих элементов по задан-

ной марке стали (EU): 28NiCrMo4; X8CrNiMoNb18-10; 15Cr3.

Приведите маркировку этихжесталейпостандартамРоссии.

3.Опишите суть процесса диффузионного хромирования. Приведите конкретные примеры.

4.Изделия из стали 45 после правильно выполненной закалки и последующего отпуска имеют твердость более низкую, чем предусмотрено техническими условиями. Чем вызван этот дефект и как можно его исправить?

5.Для изготовления резьбовых калибров выбрана сталь ХВГ. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Выберите и обоснуйте режим термической обработки, объяснив

135

влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали. Опишите микроструктуру и свойства после термической обработки.

6.Назначьте режим термической обработки для шестерни из стали 40ХГР на твердость зуба 56–58 HRC. Опишите суть происходящих превращений, микроструктуру и свойства поверхности зуба и сердцевины шестерни после термической обработки.

7.Для некоторых деталей в самолето- и ракетостроении применяются титановые сплавы ВТ3-1, ВТ14. Укажите их состав, назначьте режим термической обработки и перечислите причины их использования в данной области.

ВАРИАНТ 2

1. Начертите диаграмму состояния железо – цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и определите критические точки сплава, содержащего 1,1 % углерода. Какова равновесная структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

2. Определите металлургическое качество, назначение, а также среднее содержание углерода и легирующих элементов в следующих сталях: ШХ15; Х12М; сталь 85; 40ХН2МА. Определите среднее содержание углерода и легирующих элементов по заданной марке стали (EU): 15S20; 12CrSiMo8; X4CrNi17-7.

Приведите маркировку этих же сталей по стандартам России.

3.Приведите классификацию и маркировку чугунов. Опишите влияние структуры металлической основы и формы графитных включений на свойства чугунов.

4.В структуре углеродистой стали 30 после закалки не обнаруживается остаточного аустенита, а в структуре стали У12 наблюдается около 10 % остаточного аустенита. Объясните причину этого явления. С помощью какой обработки можно устранить остаточный аустенит?

136

5.Для изготовления волочильного инструмента выбрана сталь Х12. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Выберите и обоснуйте режим термической обработки стали Х12 на вторичную твердость, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали. Опишите микроструктуру и свойства после термической обработки.

6.Выберите сталь для изготовления метчиков. Назначьте режим термической обработки, опишите суть происходящих превращений, структуру и свойства стали.

7.Опишите состав и свойства антифрикционных полимерных покрытий. Укажите область их применения в машиностроении.

ВАРИАНТ 3

1. Начертите диаграмму состояния железо – цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и определите критические точки сплава, содержащего 4,9 % углерода. Какова равновесная структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

2. Определите металлургическое качество, назначение, а также среднее содержание углерода и легирующих элементов в следующих сталях: У7; сталь 10; 7Х3; 38Х2МЮА. Определите среднее содержание углерода и легирующих элементов по за-

данной марке стали (EU): 53MnSi4; 34CrNiMo6; X3CrNi18-9.

Приведите маркировку этих же сталей по стандартам России.

3.Кратко изложите суть процесса нитроцементации и применяемой после цементации термической обработки. Приведите конкретные примеры.

4.С помощью диаграммы состояния железо – цементит определите температуру нормализации, отжига и закалки для стали У8. Изобразите графически и охарактеризуйте эти виды

137

термической обработки. Опишите структуру и свойства стали после каждого режима обработки.

5.В результате термической обработки детали машин должны получить повышенную прочность по всему сечению (твердость 30–35 HRC). Для их изготовления выбрана сталь 40Х. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Выберите и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства изделий в готовом виде.

6.Назначьте нержавеющую сталь для изделий, работающих

вслабоагрессивной среде (атмосферные осадки). Опишите химический состав стали, необходимую термическую обработку и получаемую структуру. Объясните физическую природу коррозионнойустойчивостистали иролькаждоголегирующего элемента.

7.Для изготовления некоторых деталей двигателей внутреннего сгорания выбран сплав АК4. Расшифруйте состав, укажите способ изготовления деталей из данного сплава и приведите характеристики его механических свойств при повышенных температурах.

ВАРИАНТ 4

1. Начертите диаграмму состояния железо – цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и определите критические точки сплава, содержащего 0,2 % углерода. Какова равновесная структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

2. Определите металлургическое качество, назначение, а также среднее содержание углерода и легирующих элементов в следующих сталях: Р18; У8; 40Х; 60С2ХА. Укажите среднее содержание углерода и легирующих элементов по заданной

138

марке стали (EU): 41Cr4; 9SMn22; X40CrMo13. Приведите мар-

кировку этих же сталей по стандартам России.

3.Опишите возможные виды и причины брака при закалке

сталей.

4.С помощью диаграммы состояния железо – цементит установите температуру полного и неполного отжига и нормализации для стали 40. Охарактеризуйте эти режимы термической обработки и опишите структуру и свойства стали.

5.Для изготовления валков для горячего деформирования выбрана сталь 9ХВГ. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Выберите и обоснуйте режим термической обработки на твердость 45–50 HRC, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали. Опишите микроструктуру и свойства после термической обработки.

6.Выберите сталь для изготовления кухонных ножей. Назначьте режим термической обработки, опишите суть происходящих превращений, структуру и свойства стали.

7.Для изготовления деталей самолета выбран сплав Д16. Расшифруйте его состав, опишите способ упрочнения и объясните природу упрочнения. Укажите характеристики механических свойств сплава.

ВАРИАНТ 5

1. Начертите диаграмму состояния железо – цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и определите критические точки сплава, содержащего 3,2 % углерода. Какова равновесная структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

2. Определите металлургическое качество, назначение, а также среднее содержание углерода и легирующих элементов в следующих сталях: 20ХН4ФА; У8А; сталь 15; 9ХС. Определи-

139

те среднее содержание углерода и легирующих элементов по за-

данной марке стали (EU): 30WCrV17-9; X8CrNiMoTi18-10; 35S20.

Приведите маркировку этихжесталейпостандартамРоссии.

3.Что понимают под зерном в сталях? Как происходит рост зерна? Как влияет размер зерна на свойства стали?

4.Режущий инструмент требуется обработать на максимальную твердость. Для его изготовления выбрана сталь У13. Назначьте и изобразите графически режим термической обработки, опишите структуру и свойства стали.

5.Детали машин из стали 30ХН3А закалены: одни – от

температуры 800 °С, а другие – от температуры 850 °С (охлаждение в масле). После закалки в обоих случаях проведен высокий отпуск при температуре 600 °С. Изобразите графически данные режимы обработки. У каких из этих деталей эксплуатационные свойства лучше и почему? Укажите состав и определите группу стали по назначению, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали.

6.Выберите сталь для изготовления хирургических скальпелей. Назначьте режим термической обработки, опишите суть происходящих превращений, структуру и свойства стали.

7.Опишите состав и свойства керамических материалов. Укажите область их применения в машиностроении.

ВАРИАНТ 6

1. Начертите диаграмму состояния железо – цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и определите критические точки сплава, содержащего 1,3 % углерода. Какова равновесная структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

2. Определите металлургическое качество, назначение, а также среднее содержание углерода и легирующих элементов

140