Новые материалы

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Новые материалы

МК-отливки (лопатки) получают методом направленной кристаллизации по двум основным вариантам: методом селекторов (кристалловодов) при котором из множества растущих столбчатых кристаллов выбирается для дальнейшего роста только один, и методом затравок, когда искусственная затравка с нужной кристаллической ориентацией устанавливается в нижней части литейной формы. Каждый из этих методов имеет много технологических вариантов, но в основе каждого из них лежит принцип метода Бриджмена — охлаждение нижней части формы и подогрев ее выше линии фронта кристаллизации металла. При этом установки для получения НК- и МК-сплавов принципиально не отличаются.
...
Большим шагом в совершенствовании процессов получения НК- и МК-отливок была разработанная в ВИАМ под руководством акад. РАН СТ. Кишкина и чл.-кор. РАН Е. Н. Каблова высокоградиентная технология (температурный градиент на фронте кристаллизации на установках типа УВСН-4 составляет > 200 град/см против 20 град/см на зарубежных установках) с погружением литейных форм в жидкометаллический охладитель (Sn, А1). Рабочие скорости кристаллизации составляют при этом 4... 10 мм/мин. Сплавы, получаемые по высокоградиентной технологии, имеют малую (в 8—10 раз меньшую) микропористость (до 0,1 %) и мелкодисперсную однородную структуру (междендритное расстояние 100... 150 мкм), что обеспечивает им повышение прочностных свойств на 10...15% и усталостных свойств на 20...25 % по сравнению с МК-сплава-ми, полученными при обычных градиентах температуры (20...30 град/см). Наилучшие результаты получаются, если расплав предварительно подвергают высокотемпературной обработке (ВТОР), а полученные заготовки -термовакуумной обработке (ТВО). Это обеспечивает минимальные значения дисперсии служебных свойств и максимальную надежность лопаток.
...
Специально для лопаток со структурой НК и МК <111> разработаны интерметаллидные сплавы серии ВКНА: ВКНА-4У и ВКНА-1В с более низким (до 0,02 %) содержанием углерода, чем у сплава ВКНА-4 (РК). Сплавы ВКНА-4У и ВКНА-1В имеют соответственно а,1^0 = 1Ю и 100 МПа, а ст]§8°
...
Это перспективные материалы для лопаток, работающих при г= 1100 °С В отличие от обычных эвтектик здесь та фаза, которой меньше, фор"
...
армируется в процессе кристаллизации в виде упорядочение расположенных вдоль оси теплоотвода непрерывных стержней или полос. При доле этой фазы < 32 % образуются стержни, а>32% — полосы (пластины). Такая армирующая фаза сохраняется вплоть до температуры со-лидуса.
...
Первое поколение никелевых НЭ представлено сплавами типа у-МеС, у"—5 и y/Y~5, где матрицей являлись либо у-раствор, либо -/-фаза, либо у-раствор, упрочненный у-фазой. Армирующими фазами были карбиды MeC(NbC, ТаС) или интерметаллид №3№(5-фаза). НЭ отличаются высокой стабильностью при высоких температурах и сохраняют свою прочность вплоть до температур 0,8...0,9 7^. Для рабочих температур газов порядка 2000 К перспективными являются НЭ на основе тугоплавких оксидов.
...
Второе поколение НЭ — это композиции у/у—МеС и у/у—а, где а — тугоплавкий металл (Мо, W). Доля карбидов (NbC, ТаС) в них 5...16%, а ос-металла — 20...32 %.
...
НЭ получают тем же способом направленной кристаллизации с высоким температурным градиентом, что и НК- и МК-сплавы, но со значительно меньшими скоростями кристаллизации — 6...10 мм/ч. С увеличением скорости в этих пределах растет надежность сплава.
...
Сплавы ВКЛС превосходят сплавы НК и МК по служебным свойствам, ресурсу и надежности как при умеренных, так и при высоких температурах, но при литье охлаждаемых пустотелых лопаток возникают трудности получения НЭ-структур в переходной зоне от пера лопатки к замку.
...
Для сплавов ВКЛС характерно явление «эффекта памяти длины», когда образец с накопленной деформацией ползучести до 1,5...1,8% в результате термообработки возвращается к своей исходной длине. Эффект имеет практическое значение при ремонте лопаток.
...
В последнее время полые монокристаллические лопатки получают с микроканалами и отверстиями в теле пера прямо в процессе кристаллизации. Такие материалы позволяют сократить расход воздуха на охлаждение лопаток на 20...30 % по сравнению с пленочным охлаждением, обеспечив более глубокое охлаждение. Они перспективны для ГТД XXI в. со стехиометрической температурой газа до 2400 К.
...
Эти сплавы предназначены для лопаток, стационарных энергетических ГТУ, в которых температура газа на входе в турбину (750...950 °С) значительно ниже, чем в авиационных ГТД, а ресурс должен быть выше (20...50 тыс. ч) в условиях коррозионно-активных сред, т. е. солевой и газовой коррозии. В этих сплавах хром увеличен до 12...16 % при соотношении [Ti]/[A1] = 0,7...1,0 и сумме (W + Мо + Та) = 6,5... 11,0%. Кислорода в них должно быть не более (8...10) • Ю-4 %, серы - д0 (6...7) • Ю-4 %. Лопатки из этих сплавов получают во всех трех структурных вариантах: РК, НК и МК. В зарубежных сплавах обычно присутствует Та (1,5...5,0 %). В российских сплавах этот дорогой элемент либо отсутствует, либо его не более 0,5 %. В России (ВИАМ) разработан целый ряд этих сплавов - ЗМИ-ЗУ, ЦНК-21(РК), ЦНК-7, ЖСКС-ЦНК), ЦНК-8(МК) и т.п.
...
Последняя разработка - сплав ЖСКС-2(МК) - содержит до 1,5% Re, что повышает служебные свойства сплава до значений = 390 МПа и ojoo° = 200 МПа. Поскольку лопатки ГТУ значительно крупнее лопаток ГТД, получение МК-лопаток из этих сплавов является технологически более трудной задачей, чем получение лопаток ГТД из жаропрочных сплавов. Проектируемая в ВИАМ промышленная установка УВНЭС-5 (с высоким градиентом температуры) позволит получать лопатки длиной до 250 мм.
...
В современных отечественных ГТУ и ГТД для дисков используют, в основном, такие деформируемые и труднодеформируемые сплавы, как ЭИ698-ВД (ХН73МБТЮ), ЭИ698У-ВД (ХН73МБТЮФ), ЭП742-ИД (ХН62БМКТЮ), ЭК79 (ЭП742У-ИД с повышенным содержанием W), ЭК79У-ИД (ЭП151-ИД), ЭП152-ИД, ЭП962-ИД, ЭП975-ИД. Если в сплаве ЭИ698 содержится всего 11...15% Y-фазы, то в других сплавах ее содержание может достигать 50 %, что затрудняет их деформацию при традиционном методе изготовления дисков штамповкой заготовки из слитка ВДП или ЭШП. Сплавы ЭШ52У-ИД, ЭП151У-ИД и ЭП975-ИД предназначены для работы при температурах соответственно до 700, 850 и 975°С.
...
Проблема получения дисков из сплавов с более высоким (около 60 %) содержанием /-фазы и более высокими свойствами в мире и России ешена переходом к так называемой «гранульной технологии», позволившей разработать применительно к ней ряд специальных «порошковых» сплавов: ЭП741П (ХН60КМВТЮБ), ЭП741-НП (ЭП741П с 0,25% Hf), ЭП962П (ХН60КМЮБВТФ с 0,7% НО, ЭП975Д (ХН50КМВТЮБ с
...
0 7 % Hf)- Все эти сплавы характеризуются высоким твердорастворным упрочнением за счет высокой (11...20%) суммы (W + Мо + Nb), высокой суммой (AI + Ti) = 6,5...8,0 %, наличием ниобия (1,4...3,5 %), гафния и пониженным (< 0,06 %) содержанием углерода. За рубежом (США) в качестве «порошковых» используют сплавы Rene 95 (С < 0,08 %), модифицированный MAR-M432 (0,7% Та; 1,9% Nb; 0,7% Hf), MERL 76 (1,2% Nb; 0,3% Hf), AF 115 (1,7% Nb; 0,7% HO, NASA IIB (10% Та;
...
Особенность легирования порошковых (гранульных) сплавов Nb, Та, Hf связана, в частности, с необходимостью предотвратить образование на поверхности гранул пленок из карбидов титана, ухудшающих процессы компактирования. Эти пленки возникают в связи с тем, что титан, как и углерод, является в никеле поверхностно-активным элементом. Поэтому в порошковые сплавы вводят поверхностно-неактивные элементы — блокагоры, образующие карбиды в объеме гранул. Одновременно в сплавах понижают содержание углерода.
...
Спецификой гранул распыленного металла является их крайне высокая удельная поверхность, в связи с чем основная масса неметаллических включений (А1203, TiN) формируется на поверхности гранул и может быть механически отделена от металла. Это создает уникальную возможность получения металла, ультрачистого по включениям. Технология гранульного адьюстажа, разработанная ВИЛС, предусматривает, во-первых, отделение керамики от металла при соударении гранул во встречных потоках аргона, а затем разделение керамики и металла в электростатических сепараторах. Трехступенчатый сепаратор позволяет получать 3...6 шт. включений на 1 кг металла. Четырехступенчатый позволит получать 1...3 шт. Для сравнения: в металле ВИП, ВИП + ВДП, ВИП + ЭШП и ВИП + ЭЛП соответственно содержатся 153...328, 140...360, 60...81 и 32...38 шт. включений [5].
...
Гранулы в России получают центробежным распылением металла ВИП-методом вращающегося электрода, и ведутся работы по переходу на более экономичный процесс распыления струи вращающейся тарелкой с охлаждением гранул струями гелия (процесс RSR). Рациональным
...
с точки зрения свойств металла, в частности МЦУ, является размер гранул 40...60 мкм. В настоящее время в России и за рубежом используются гранулы с фракциями < 100 мкм.
...
Термически дегазированные в вакууме гранулы, помещенные в стальные капсулы, компактируются либо методами горячего изостатического прессования (ГИП) в газостатах или гидростатах, либо горячей изоста-тической штамповкой (ГИШ), либо экструзией.
...
Для получения комплекса высоких прочностных и вязкостных свойств для порошковых суперсплавов используют термомеханическую обработку (ТМО), формирующую в металле «ожерельчатую» структуру. Это -двойная микроструктура из крупных деформированных зерен, окаймленных мелкими рекристаллизованными зернами. Ее получают при деформации сплавов на 40...50 % при температуре ниже У-сольвуса, рекристаллизации выше У-сольвуса и повторной деформации на 40...50% ниже у-сольвуса.
...
По сравнению с традиционной технологией трудоемкость изготовления дисков снижается в 1,5—2,0 раза, расход металла снижается в 2—3 раза, коэффициент использования металла растет с 0,2...0,3 до 0,4...0,8, в результате чего диски и валы из сплава ЭП741НП на 15...20% дешевле аналогичных деталей, полученных традиционным способом из более дешевых деформируемых сплавов (ЭП742-ИД, ЭК79-ИД и т. п.) [5].
...
В гранульном металле по сравнению с традиционным существенно выше однородность химического состава и свойств, что существенно повышает его надежность. Так, дисперсия 5p(lgx ) для перечисленных выше деформируемых сплавов составляет при 550...650 °С в среднем 0,0673, а для порошковых сплавов ЭП741П, ЭП741-НП, ЭП962П, ЭП975П при 650...750°С она в среднем равна 0,0340, т.е. меньше в 2 раза [2].
...
Длительная прочность порошковых сплавов на 25...45 % выше, чем у сплава ЭП742-ИД, и на 10...20% выше, чем у сплава ЭК79. По сравнению же со сплавом ЭИ698 она выше в 1,7...1,9 раза. Все это позволяет при переходе на гранульный металл повышать рабочую температуру на 30...50 °С, снижать массу двигателей на 10...25 %, повышать их ресурс в 5—10 раз. Так, на двигателе ГТД-2500 (ОАО «Рыбинские моторы») замена дисков из сплава ЭК79-ИД на диски из сплава ЭП741-НП (после ГИП) повысила ресурс с 3 до 15 тыс. ч [5].
...
В настоящее время в России наиболее широко используется порошковый сплав ЭП741-НП. С 1981 г. для гражданской и военной техники поставлено 46 тыс. порошковых дисков. В США в эксплуатации нахо-
...
В России ведутся работы над еще более жаропрочными порошковыми сплавами с повышенным содержанием легирующих элементов, в том числе Hf до 2%, с длительной прочностью а^о = 1200... 1300 МПа, что на 200...250 МПа выше, чем у существующих порошковых сплавов.
...
Наряду с интерметаллидами (алюминидами) никеля (сплавы ВКНА) весьма перспективными конструкционными материалами являются алюминиды титана и железа, достоинства которых:
...
— высокий абсолютный уровень служебных свойств и характеристик, сравнимый с уровнем свойств традиционных материалов-конкурентов;
...
— малая плотность (удельный вес) и высокий уровень удельных свойств, отнесенных к единице плотности (удельного веса), превышающий значения этих свойств у материалов-конкурентов (никелевых и титановых сплавов, сталей);
...
Интерметаллиды a2-Ti3Al [15,8 % (масс.) А1] и y-TiAl [36% (масс.) А1] имеют плотность соответственно 4,2 и 3,8 % г/см3. До температур 700...800°С они сохраняют высокие значения ав, а02, модуля Юнга Е и хорошую жаростойкость (благодаря высокому содержанию алюминия). Благодаря низкой плотности их удельные свойства (сГъ,
...
Разработаны различные модификации этих интерметаллидов, в том числе с дисперсным упрочнением частицами ^-фазы - Ti5(Si, А1)3 и (Ъ. Nb)5(Si, А1)3.
...
Порошки получают либо распылением жидких интерметаллидов (центр0 бежным, форсуночным), либо механическим легированием. Механически легированные порошки после ГИП имеют наноструктуру и сохраняют ее до 600 °С, что обеспечивает им до этой температуры значения о0 2 д0 2 ГПа и а02 до 50 км. Работы в области этих материалов ведутся как в России (ВИЛС, ВИАМ, МИСиС), так и за рубежом. Сплав «а2-орто» (ВИАМ) с рабочей температурой 650...700°С, ав = 1000 МПа и высокой пластичностью (8 > 6 %) способен прокатываться в лист и фольгу.
...
Во Франции (Центр изучения и исследования материалов — CEREM) разработан дисперсноупрочненный композит FeA140Grade3, представляющий собой матрицу из нестехиометрического интерметаллида FeAl [А1
...
По износостойкости и стойкости против кислородной и серной коррозии материал при 800...900°С в 3-5 раз превышает сталь 316L (18Crl0Ni2Mo) и ее аналоги. При 600 °С (числитель) и 700°С (знаменатель) материал имеет ав = 528/270 МПа, а0>2 = 467/273 МПа и Ер= 15,4/24,5 %. По этим показателям он превосходит зарубежные и российские стали для изделий, работающих до 700 °С. Его удельные свойства превосходят свойства этих сталей в 1,3—3,3 раза. До 400 °С его значения ав выше, чем у железоникелевого сплава IN718.
...
Литейные алюминиевые сплавы являются широко распрост раненными, в основном конструкционными, материалами, которые при меняются почти во всех отраслях современной промышленности.
...
По разным оценкам, от 20 до 30 % всего производимого в мире алюминия (~ 25 млн. т) используется в фасоннолитейном производству В Советском Союзе в конце 1970-х годов производилось более 1 млН- _ алюминиевых отливок. Это производство было рассредоточено на сот
...
нях заводов различных министерств. Аналогичная ситуация наблюдается и в других промышленно развитых странах. Так, в США сейчас аботают более 400 литейных алюминиевых фабрик. Основные требования к литейным алюминиевым сплавам — высокий уровень эксплуатационных характеристик (т. е. механических и коррозионных свойств) в сочетании с хорошей технологичностью при литье. Последнее для используемых сейчас в промышленности технологий означает низкую склонность к образованию горячих (кристаллизационных) трещин, хорошую жидкотекучесть, минимальную усадочную пористость, т. е. хорошие литейные свойства. Именно благодаря им силумины — сплавы, в которых основным легирующим элементом [>4 % (масс.)] является кремний и в структуре которых содержится много эвтектики — уже более 60 лет сохраняют свои лидирующие позиции среди всех известных литейных алюминиевых сплавов. И это несмотря на то, что они существенно уступают по низкотемпературной прочности сплавам на базе систем А1—Си и AI—Zn—Mg—Си, а по жаропрочности — сплавам Al-Cu-Mn.
...
В то же время высокопрочные и жаропрочные алюминиевые сплавы остро необходимы в таких отраслях промышленности, как авиакосмическая, автомобильная, оборонная и др., для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях действия высоких напряжений и температур.
...
Высокопрочными считают литейные алюминиевые сплавы с пределом текучести при растяжении а0 2 > 300...350 МПа и пределом прочности ав > 400 МПа при комнатной температуре. К жаропрочным относят сплавы, способные работать до температур 250...300°С и имеющие предел длительной прочности ат при 300 °С не менее 45 МПа. У силуминов такой уровень механических свойств получить трудно.
...
В табл. 5.1 сопоставляются важнейшие механические свойства наиболее высокопрочных и жаропрочных промышленных сплавов разных сис-и ' использУемых сейчас в производстве алюминиевого литья в России
...
ной температуре имеют сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu, а турах сочетание прочности при комнатной и повышенной темпера-ные ГАк^аКТСРНО ДЛЯ алюминиевомеДных сплавов. Самые высокопроч-пают ч) и жаропрочные (АК12М2МгН) силумины заметно усту-
...
0 Им По прочностным свойствам. низкие**0 СГШавы на базе систем Al-Cu и Al-Zn-Mg-Cu имеют очень литейные свойства. Это обусловлено их широким эффективным
...
Таблица 5.1. Механические и литейные свойства промышленных высокопрочных и жаропрочных алюминиевых сплавов для фасонного литья
...
алом кристаллизации - диапазоном между температурой образова-И исталлического каркаса в отливке и неравновесным солидусом спла-"аГ
...
Проблему повышения литейных свойств стандартных высокопрочных и жаропрочных сплавов ранее пытались решать введением малых добавок, малорастворимых в (А1) и образующих дополнительное количество эвтектики. Например, в ВИАМ сплавы системы А1—Си легировали 0,5...2 % Si (сплав ВАЛ 15), действительно добиваясь некоторого уменьшения склонности к образованию горячих трещин. Однако при этом происходило заметное снижение характеристик пластичности из-за образования Si-содержащих фаз с неблагоприятной морфологией, а также жаропрочности из-за высокой диффузионной подвижности кремния.
...
Лучшего результата удалось добиться введением относительно небольших количеств никеля в сплав типа АМ5 [7]. Сплавы АЛЗЗ и ВАЛ 18 с 0,6...1,2% Ni, разработанные в ВИАМ, имеют неплохую жаропрочность, однако их технологичность при литье остается недостаточной.
...
Для кардинального решения проблемы создания нового поколения литейных алюминиевых сплавов, сочетающих более высокую по сравнению с известными прочность, жаропрочность и одновременно хорошую технологичность при литье, в МИСиС разработаны принципы легирования для получения таких сплавов [8]. Эти принципы в обобщенном виде сводятся к следующему:
...
) система легирования должна быть эвтектического типа, состав сплава - близок к чисто эвтектическому, это обеспечит минимальный интервал кристаллизации;
...
3) кристаллы фаз, образующих эвтектику, должны иметь сложную морфологию с переменным сечением (не иглы, не пластины), которая обеспечит за относительно короткое время нагрева протекание При высоких гомологических температурах диффузионных процессов фраг. ментации и сфероидизации с образованием равноосных и достаточно дисперсных частиц (желательно < 1
...
Ключевой и самой трудной проблемой реализации этих общих принципов является подбор легирующих элементов, обеспечивающих в сплавах, близких по составу к эвтектическим, во-первых, высокую легиро-ванность (А1)
...
ктик таких интерметаллидных фаз, которые после кристаллизации ^высокотемпературного отжига будут равномерно распределены в мат-И ном (А1) в виде глобулярных дисперсных частиц. Такая структура t с 5 1 и 5.2) является типичной для композиционных материалов с дискретно распределенными частицами фазы-упрочнителя.
...
Для выбора систем легирования при разработке новых высокопрочных сплавов с большим количеством эвтектики были проанализированы известные данные и вновь построены фрагменты многокомпонентных фазовых диаграмм, образуемых алюминием с основными традиционными легирующими элементами (Si, Mg, Си, Zn), а также эвтектикообра-зующими элементами (Fe, Ni, Се), малорастворимыми в (AJ). Этот анализ и исследования фазовых диаграмм сопровождались также оценкой микроструктуры различных эвтектик после кристаллизации с разными скоростями охлаждения и затем после высокотемпературного отжига.
...
В табл. 5.2 представлены перспективные для создания высокопрочных сплавов сочетания (А1) с разным набором легирующих элементов и эвтектических фаз, образующих кристаллы с благоприятными морфологическими характеристиками.
...
Наиболее привлекательна для разработки новых высокопрочных литейных сплавов система AI—Zn—Mg—Си, которая является базовой для самых прочных деформируемых сплавов типа В95 и ранее известного литейного сплава ВАШ 2, нашедшего лишь ограниченное промышленное применение из-за своих низких литейных свойств. Значение предела прочности ав этого сплава в состоянии Т6 составляет 550...570 МПа, что
...
яни'и Ы '^икростРУктУРа эвтектического сплава А1—12 %Се—5 %Ni (СЭМ) в литом состо-У")
...
Таблица 5.2. Сочетания разных типов алюминиевых твердых растворов с разными фазами эвтектического происхождения
...
шо видна на рис. 5.1, а. Последующий нагрев сплавов с никелем Х температурах на Ю...15°С ниже равновесного солидуса приводит к кардинальному изменению морфологии эвтектики (AI) + NiAJ3: происходит фрагментация эвтектических монокристаллов NiAl3 внутри каждой эвтектической колонии, а затем диффузионная сфероидизация образовавшихся «осколков». В конечном итоге получается оптимальная структура, которая состоит из матричного (А1), пересыщенного (после закалки) цинком, магнием и медью, и равноосных частиц NiAl3 (рис. 5.1, в).
...
Если сплав AI—Zn— Mg—Си—Ni состарить после закалки с таким двухступенчатым нагревом, то произойдет обычный для сплавов системы AI—Zn—Mg—Си без никеля распад пересыщенного (А1) с образованием частично когерентных матрице метастабильных выделений Т - и 4'(MgZn2)^a3 (рис. 5.1, г), обеспечивающих сильное дисперсионное твердение.
...
Разработанный на основе описанных структурных исследований сплав АЦ6Н4 системы AI— Zn—Mg—Си—Ni не только не уступает известному сплаву BAJI12 по механическим свойствам, но даже превосходит его по некоторым из них. В частности, предел выносливости сплава АД6Н4 a_j > 200 МПа, что в 1,5—2 раза выше, чем у ВАЛ 12. Благодаря частицам Al3Ni сплав АЦ6Н4 слабее разупрочняется с повышением температуры, и его рабочая температура может быть выше на 50...100°С , чем У ВАЛ 12.
...
При литье в кокиль предел текучести а02 сплава АЦ6Н4 составляет 490...510 МПа, ав = 540...550 МПа при 5=3.. .5% и твердости НВ 170...180. При получении из него отливок методом жидкой штамповки ав достигает 600 МПа при 5 до 9%
...
Не менее важным является установленный факт существенного повышения литейных свойств сплава АЦ6Н4 по сравнению с ВАЛ12 в результате введения в состав никеля. Горячеломкость снижается с 27,5 у ВАЛЦ (см. табл. 5.1) до 15...17,5 мм, жидкотекучесть повышается от 300 до 360 мм. В результате становится возможным получение качественных отливок из сплава А1Д6Н4 прогрессивными методами фасонного литья в жесткие металлические формы, что было крайне трудно сделать при использовании сплава ВАЛ 12.
...
Можно констатировать, что сплав АЦ6Н4 на сегодняшний день является самым высокопрочным и одновременно технологичным алюминиевым сплавом для фасонного литья. Других подобных сплавов нет ни у нас в стране, ни за рубежом.
...
С целью реализации предложенных выше общих принципов легирования при разработке новых жаропрочных сплавов с большим количеством эвтектической составляющей Н.А. Белов предложил использовать в качестве легирующих элементов только тугоплавкие переходные металлы. Идея состояла в том, чтобы легировать сплавы элементами из двух групп переходных металлов:
...
2) переходными металлами, способными образовывать аномально пересыщенные твердые растворы на основе алюминия (с концентрацией выше предельной равновесной растворимости) при реальных для традиционных технологий литья скоростях кристаллизации (например, Zr, Сг, Mn, Ni).
...
Эта идея уже практически осуществлена при создании нескольких сплавов. Все они отличаются очень узким интервалом кристаллизации (часто менее 10 °С) и отличными литейными свойствами - на уровне лучших силуминов с 9...12% Si, а также высокой жаропрочностью, особенно при температурах выше 350 °С.
...
Например, сплав Al-6 % Ni-0,8 % Zr имеет показатель жидкотекуче-сти по прутковой пробе 390 мм, показатель горячеломкости по кольцевой пробе ВИАМ < 5 мм. При этом его 100-ч прочность при 350 °С составляет не менее 35 МПа, что выше, чем у известных жаропрочных сплавов. При комнатной температуре его механические свойства находятся на среднем уровне (ав = 300 МПа при 5 > 4 %, НВ 105). Высокие характеристики жаропрочности обеспечиваются низкой диффузионной подвижностью легирующих элементов, стабильностью микроструктуры при температурах до 450 °С. Эта микроструктура представляет собой
...
спавшийся матричный (А1) с дисперсными выделениями метастабиль-ных частиц AJ3Zr и частицами NiAl3 эвтектического происхождения, т. е. характер микроструктуры близок к представленному на рис. 5.1, в на примере сплава АД6Н4.
...
Приведенные выше примеры новых высокопрочных и жаропрочных сплавов с большим количеством эвтектических составляющих относились к сплавам с двухфазными эвтектиками. В то же время известно, что чем больше фаз в эвтектике, тем дисперснее ее структура (тоньше ветви кристаллов образующих ее фаз) при одинаковых условиях кристаллизации. Этот эффект на практике и, в частности, для целенаправленной разработки литейных сплавов ранее не использовался.
...
В МИСиС была предпринята попытка использовать многофазные эвтектики в качестве основы нового поколения литейных алюминиевых сплавов со структурой, дисперсность которой в условиях кристаллизации при очень больших скоростях охлаждения, типичных для традиционных сегодняшних технологий литья, была бы близка к дисперсности структуры быстроохлажденных сплавов (гранул, чешуек) [8]. При этом, как показал анализ, уже в случае трехфазных эвтектик можно добиться значительного увеличения объемной доли избыточных фаз эвтектического происхождения (XQV) по сравнению с двойными эвтектиками. Как видно из табл. 5.3, в тройных эвтектиках легко получить IQV > 20 % (об.), в то время как в двойных эта величина редко превосходит 10 % (об.). Увеличение объемной доли дисперсных частиц фаз-упрочнителей тоже должно вносить вклад в повышение характеристик прочности и жаропрочности многофазных эвтектик по сравнению с двойными.
...
Изложенные соображения были экспериментально подтверждены на примере сплавов системы AI—Ni—Се. В этой системе образуются двойные эвтектики (AI) + Al3Ni и (А1) + А14Се, а также трехфазная эвтектика (AI) + Al3Ni + А14Се. Сравнительный анализ их микроструктуры после кристаллизации в одинаковых условиях и высокотемпературного отжига показал, что в тройной эвтектике при большей суммарной объемной доле фаз Al3Ni и А14Се достигается их большая дисперсность. Из рис. 5.2 следует, что в литом состоянии сечения ветвей кристаллов эвтектических фаз значительно меньше 1 мкм, а после отжига их компактные частицы имеют средний диаметр ~ 0,5 мкм. Это заметно меньше, чем у частиц Al3Ni и А14Се в двойных эвтектиках (см. рис. 5.1, в).
...
Сплав А1—12 % Се—5 % Ni, легированный только 0,5 % Zr, уже превосходит сплав Al-6 % Ni—0,8 % Zr по жаропрочности и механическим свойствам при комнатной температуре. Естественно, что тройная эвтек-
...
Высокопрочные материалы. Из миллиарда тонн материалов, ежегодно производимых в мире, 99 % - материалы конструкционные, их назначение — выдерживать некоторые нагрузки Р.
...
Для каждого класса сталей определенного назначения потребитель привык к известному уровню предела текучести, который приемлемо сочетается со множеством других необходимых технологических и эксплуатационных свойств. Когда ему предлагают более высокий уровень а0 2
...
Для каждой из этих групп сталей и комплекс свойств, и средства его достижения совершенно различны. Общий здесь лишь «каскадный эффект» у потребителя: повышая допустимые напряжения, экономят не столько на сечении и массе материала, сколько на бесполезных нагрузках от собственного веса конструкции. Особенно наглядно это в летательной технике: облегчая фюзеляж на килограмм, экономят на мощности и весе двигателя, чтобы его поднять в воздух, на весе запаса топлива, на весе бака для него и, наконец, опять на весе каркаса, чтобы все это нести. Выигрыш бывает и десятикратным.
...
Ниже рассмотрены лишь высокопрочные конструкционные стали рекордного уровня прочности а0 2 > 1500 МПа, применяемые в виде массивных поковок. Их конкурент — композиты на основе стеклянно-Г0' Углеродного и борного волокна (а также стальной проволоки). Их сравнивают уже не по самой величине предела прочности ав, Н/м2, a
...
по его отношению к удельному весу материала у, Н/м . «Удельная прочность в километрах» имеет размерность а
...
Композиты из такого волокна на углеродной, эпоксидной, алюминиевой или магниевой связке вытеснили тонколистовую сталь — там, где нагрузки одноосные или двухосные, а их направление по всему объему постоянно. Композитными делают оболочки и баллоны высокого давления, корпуса ракет и даже крылья самолетов (как Су-37).
...
Но композит плохо несет нагрузки поперек нитей, а при большой толщине «не пропекается», не пропитывается при склейке. На композит труднее передать нагрузку равномерно. В нем сложно выявлять слабые места: «прогалы» в намотке нити, плохое сцепление ее со связкой.
...
Поэтому там, где нагрузки большие по абсолютной величине, ударные, рабочее сечение большое, распределение напряжений сложное, сталь остается вне конкуренции. При рекордном уровне прочность стали должна быть однородная в больших сечениях, одинаковая во всех направлениях. К тому же нужна свариваемость — возможность получать сварной шов без трещин, по прочности и вязкости не хуже основного металла.
...
Из поковок сталей предельно высокой прочности делают, например, стойки шасси и силовой набор самолета, роторы высокооборотных моторов, насосов и центрифуг, маховики-накопители кинетической энергии для тяжелых тягачей. Объем мирового производства таких сталей сравнительно небольшой - до 105 т/год. Но их совершенствование важно и принципиально: структурные решения в этой области всегда опережали материалы других классов и впоследствии заимствовались в разработках не только сталей иного назначения, но также и сплавов титана и алюминия. (Так же и создание «штучных» моторов для «Формулы-1» ценою в миллионы долларов окупается опробованием новых технических решений, переносимых затем фирмой на миллионы автомобилей).
...
Характеристики прочности и пластичности. В обширном комплексе обязательных требований к стали высокой прочности большинство характеристик механических свойств стандартные. Но их информативность и приоритеты при выборе стали требуют детального анализа.
...
При растяжении измеряется по ГОСТ 1497 предел текучести а0 2> предел прочности ав - Pmax/SQ, относительное удлинение 5 (%) и относительное сужение у (%) после разрушения.
...
Всякое разрушение — следствие некоторой пластической деформации. Но хрупкое разрушение может наступить и после пластического удлинения образца на 0,001 % (еще до номинального предела текучести а0 2), а вязкое - и на 50 %, и более. Стекло разрушится при о = о-в<а02', a образец металла достигает уровня ав (максимальной нагрузки Ртах) после пластической деформации е
...
При напряжении Ртах пластическая деформация становится неустойчивой — она локализуется, появляется шейка; разрушение же наступает позднее, после значительного местного сужения в шейке \|/.
...
Пока образец удлиняется однородно, его равномерное относительное удлинение 5равн и относительное сужение уравн связаны условием сохранения объема (1 +5равн)(1 - уравн) = 1, и тогда 5равн = уравн. Но измеренное после разрушения сужение в шейке большое: \|/» \|/равн, тогда как полное удлинение 5 = 5равн, поскольку область шейки много короче, чем весь образец. Поэтому всегда у» 5, и обе стандартные характеристики пластичности важны и не взаимозаменяемы: 5 характеризует однородную деформацию до потери устойчивости течения, а у — полную (в том числе местную) деформацию до начала разрушения.
...
Хотя рассчитывать стальные конструкции по величине ав нельзя, соотношение ав : а0 2 важно тем, что указывает на вид диаграммы деформации и устойчивость материала к местным перегрузкам. Диаграмма нагляднее в «истинных» координатах: истинное напряжение s=P/S
...
При нагрузке Ртах пластическая деформация локализуется, появляется шейка. Если сила Р=
...
Отношение о-в/а02 прямо связано с показателем упрочнения п. Предел текучести а0 2 определен при деформации фт = 0,002, т. е. о0 2 = sQ 1 = = 50(фт)". Предел'прочности ав = sB(S/SQ), где sB = я(фкр) = s0n". Из определения с?ф = -dS/S следует соотношение начальной и текущей площади сечения SQ/S = еф, и тогда ов = sQ(n/e)n. Отсюда отношение ов/о0 2 = (п/ефт)". Чем меньше отношение стандартных характеристик <^b/oq2,
...
«Теоретическая прочность». Еще в 20-е годы было оценено напряжение атеор однородного разрушения кристаллической решетки — «теоретическая прочность» — верхняя граница возможного предела прочности ав для любого материала. Известен вид потенциала V(x) межатомного взаимодействия (изменения энергии атома при его смещении на расстояние х от равновесного положения в решетке). Его константы выражаются через модуль Юнга Е
...
Критерий старта трещины находится из сопоставления упругой энергии разгрузки материала вблизи трещины и работы разрушения G
...
талла в микротрещинах на ней, как в капиллярах, конденсируется роса -атмосферная влага. В ней растворяются оксиды азота и углерода из аэродромного воздуха, образуя электролит. Разность химических потенциалов структурных составляющих стали создает микроскопические гальванические элементы. В них электролиз воды на кромке трещины дает атомарный водород, поглощаемый металлом и участвующий в разрушении. Поэтому критическая интенсивность напряжений (sec -stress corrosion cracking) даже при сравнительно безобидных кратковременных испытаниях в воде оказывается в несколько раз ниже, чем на воздухе [9].
...
Ударная вязкость. При знании К1с сохраняется необходимость измерять и более простую характеристику вязкости — ударную вязкость, не только потому, что изготовление образцов и испытание много проще, быстрее и требует меньше металла. Это несколько иная характеристика работы разрушения. Если при измерении К^с цель — воспроизвести стационарные условия распространения трещины (с постоянной удельной работой G),
...
Пропорция этих составляющих зависит от остроты надреза - его радиуса «в корне»: 1 мм в образце Менаже (тип I по ГОСТ 9454) - ударная вязкость KCU; 0,25 мм - по Шарпи - KCV (тип ГУ
...
Излом ударного образца имеет плоское дно — «хрупкий квадрат» (хотя по микростроению это часто вязкий ямочный излом). Он окружен с трех сторон откосами среза — «выбега трещины», когда ее пластическая зона достигнет поверхности образца. Поэтому легко измеряемая ширина откоса и есть радиус гт пластической зоны трещины. Это почти та же величина, которую мы ищем в конечном счете, измеряя К1с. Только здесь трещина двигалась в пластически деформированном материале, отчего гт может быть ниже, чем при измерении вязкости разрушения.
...
Но вместо имеющего очевидный смысл гт рядом стандартов предписано измерять «долю хрупкого излома» в процентах: отношение площади хрупкого квадрата ко всему сечению образца. Тем самым скла-
...
дываются вместе две разные площади: с трех сторон — пластической зоны стационарной трещины, а с четвертой — зоны ее зарождения под надрезом.
...
Хладноломкость. Все перечисленные испытания выполняют при +20 °С, тогда как конструкция работает в диапазоне температур - хотя бы климатическом, от +60 °С до -60 °С. Когда сталь разрушается вязко (в шейке), излом «волокнистый», из «ямок» размером 0,5...5 мкм — следов слияния пор, возникавших в процессе разрушения от неких мелких включений иных фаз. С охлаждением ниже комнатной температуры предел текучести о-02(7) всех структур на основе а-железа растет. При некоторой температуре он сравняется с напряжением аск хрупкого скола (по кристаллографической плоскости наименьшего сцепления в решетке), которое не зависит от температуры. Чем ближе о-02(7) к аск, тем меньше предшествующая сколу пластическая деформация ф, работа разрушения — площадь под диаграммой я(ф) и ударная вязкость.
...
В отличие от сталей, содержащих крупные зерна феррита, в высокопрочных сталях нет резкого порога хладноломкости [10]: KCU(7) и Kic(T) при охлаждении плавно падают в интервале шириной >100К. Например, К[с при температуре жидкого азота (-196°С) в стали ВКС9 (табл. 5.4) составляет 37 % от К1с при +20 °С. Для общей характеристики хладноломкости измеряют ударную вязкость KCU(7) для ряда температур, а для сдаточных норм обычно задают KCU"70 (по температуре эксплуатации) или же, «с запасом», KCU"196.
...
Усталость. Долговечность почти всей техники определяют процессы усталости - зарождения и роста трещины от циклической нагрузки
...

Сварка на контактных машинах
Краткий справочник технолога-термиста
Спутник термиста
Новые материалы
Твердые сплавы
Цементация стали
Зварювальні матеріали

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Новые материалы