Получение и исследование физико-химических, химических и механических свойств сплава СЧ 15

 

Рис.6.4.Фрагмент состояния  системы Al-Cu

       В сплавах системы Си—Zn высокая пластичность наблюдается при содержании цинка не более 38…39%, т.е. в однофазных сплавах, а затем она резко снижается. Остановимся особо на обрабатываемости давлением сталей — основного конструкционного металла. Чугуны из-за высокой хрупкости и весьма малой пластичности не могут быть обработаны методами пластической деформации. Пластичность стали тем выше, чем меньше в ней содержание углерода и вредных примесей: серы и фосфора. Повышенное содержание серы вызывает в стали красноломкость — разрушение при горячей пластической деформации. Это связано с тем, что сульфиды образуют в системе FeS — Fe легкоплавкую эвтектику, следовательно, при нагреве под ковку в структуре образуется жидкость, что вызывает разрушение в процессе деформации. При малом содержании серы (менее0,03%) красноломкости не наблюдается, так как сера растворяется в железе, образуя твердый раствор, а не сульфид. 

 

       В промышленности при изготовлении деталей из стали широкое распространение получила технология холодной пластической деформации. Это операции листовой (вытяжка, гибка) и объемной (высадка) штамповки. Для особо сложной штамповки с большими степенями деформации содержание углерода в сталях не должно превышать 0,08%. При содержании углерода 0,2…0,3% можно производить гибку деталей и незначительную вытяжку, а при содержании 0,3… 0,4% только гибку с большим радиусом. Для оценки возможности проведения операций с определенной степенью деформации применяют различные технологические испытания (пробы), имитирующие процесс холодной пластической деформации. В зависимости от сортамента металла используют следующие технологические пробы: на загиб, на перегиб, на скручивание, на вытяжку сферической лунки.

 

 

     6.5.Химические и технологические свойства металлов

 

       Здесь мы рассмотрим только одно из важнейших химических свойств металлов, имеющее большое практическое значение, — это стойкость против коррозии,которую определяют, используя ряд методов: при полном или многократно повторяемом погружении образца в жидкость, в парах, в кипящем соляном растворе и т.д., другими словами, в зависимости от условий эксплуатации материала. Результаты оценивают количественно по скорости коррозии, характеризующейся потерей массы материала. В зависимости от этой характеристики материалы подразделяются на сильностойкие (скорость 0,1 мм/год), стойкие (0,1…1,0 мм/год), пониженностойкие(1,1…3,0 мм/год), малостойкие (3,1…10,0 мм/год) и нестойкие (свыше 10,1 мм/год). По скорости коррозии определяют величину проникновения коррозии П, 10»3 мм/год. 

Существует несколько  методов испытаний на склонность к межкристаллитной коррозии Приведем один из них. Образцы выдерживают в течение 24 ч в кипящем растворе сернокислой меди и серной кислоты. После этого их изгибают под углом 90° на специальной оправке, толщина которой зависит от толщины образца. Если при этом трещин не образуется, то сталь обладает стойкостью к межкристаллитной коррозии, наличие трещин, напротив, свидетельствует о склонности к межкристаллитной коррозии.

 

 

Рис.6.5 Диаграмма состояния  системы Al-Si

 

Технологические свойства характеризуют поведение материалов в процессе изготовления деталей. Под технологичностью следует понимать легкость проведения технологических операций. Это означает, что уровень технологических свойств определяет возможность применения той или иной технологии. Низкая технологичность материала может являться причиной брака или вызывает снижение производительности обработки.  

 

Основные технологические  процессы, применяемые при изготовлении деталей: литье, обработка давлением, обработка резанием, сварка. Технологичность в процессе литья оценивается жидкотекучестью материала и усадкой. Жидкотекучестъ характеризует способность материала заполнять литейную форму. Представим себе трубку, в которую заливают жидкий металл. По мере прохождения по этой трубке металл остывает, и его перемещение прекращается, когда он затвердевает. Таким образом, жидкотекучесть лучше у того металла, который имеет более низкие температуры кристаллизации(плавления). 

 

Анализ диаграмм состояния  показывает, что наименьшую температуру затвердевания имеют сплавы эвтектического состава. Так, система А1 —Si представляет собой сплав, содержащий 11,7% Si (рис.6.5). Сплавы с близким содержанием кремния — это литейные сплавы, называемые силуминами. Именно наличие эвтектики в структуре чугунов определяет их высокие литейные качества в отличие от сталей, в структуре которых эвтектики нет. Стали и чутуны — это сплавы железа и углерода. При производстве фасонного литья, т.е. изделий сложной формы, материал должен обладать малой усадкой: его объем должен мало изменяться (уменьшаться) при затвердевании. В чугунах это достигается за счет наличия в структуре свободного углерода — графита. Поскольку его плотность значительно меньше плотности железа, он имеет больший удельный объем, что и определяет меньшую усадку. Малой усадкой обладают также бронзы, так как для бронзового литья характерна большая пористость. Коэффициент усадки бронз менее 1%, чугуна — около 1,5%, тогда как для сталей он превосходит 2%.

 

   

6.6. Удельное электрическое  сопротивление и тепловые свойства     материалов

   

      Электрическое сопротивление проводника г зависит от его размеров (оно тем больше, чем больше длина / и меньше площадь поперечного сечения sпроводника) и свойств материала. Проще всего определить удельное сопротивление проводника методом вольтметр —амперметр (рис. 6.6). Отрезок CD — проводник из материала, для которого необходимо определить удельное сопротивление р.  Зная длину FB и сечение образца, вычисляют р. Существуют и другие методы определения сопротивления (например, одинарного и двойного моста). Удельное сопротивление металлов зависит от температуры, оно тем больше, чем выше температура: р= р₀ (1 + at),где ро и р, — удельное сопротивление при температурах 0 °С и 1; а — температурный коэффициент. В качестве проводников в электротехнике наиболее широко применяют медь(р = 1,7 10~8 Ом см или 0,017 мкОм) и алюминий (р = 2,7-10~8 Ом см или 0,027 мкОм), имеющие малое удельное сопротивление. Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью: у = 1/р.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

 

Тепловые свойства. Теплопроводность материала характеризует его способность передавать тепловую энергию от одной части к другой, если между ними возникает разница температур. Выделим в твердом теле (рис.6.8.) две параллельные плоскости на расстоянииl и возьмем два равных сечения с площадью S. Пусть одно из сечений имеет температуру tх,  а другое — t2, если tx> t2, то поток теплоты перемещается по направлению стрелки. Количество переданной теплоты Q будет прямо пропорционально разности температур(tx — t2), сечению S и времени т и обратно пропорционально длине. Таким образом, Q = XS(tx — t2)/l, где X — удельная теплопроводность, зависящая от природы материала, она определяет количество теплоты, которое проходит через тело сечением 1 с м², длиной 1 см за 1 с. Удельная теплопроводность X измеряется в калДс • см • °С) или Вт/ (мК) (1 кал/(ссм°С) = 0,0024 ВтДмК)).

 

 

             

 

 

 

 

 

      

 

Величина теплопроводности в конкретных условиях Xt зависит от температуры: Xt = X0 (l + а7), где А,0 — удельная теплопроводность при 0°С; а — коэффициент температуропроводности; Т — температура. Для определения теплопроводности испытуемый материал помещают одним концом в нагревательное устройство, обеспечивающее постоянную температуру, а вторым — в водяной калорифер, служащий холодильником.

 

 

       6.7. Физические свойства металлов

 

       К физическим свойствам металлов относят электрические, магнитные и тепловые свойства. Для целого ряда деталей именно они определяют возможность применения металлов. Прежде всего это детали, используемые в электротехнической промышленности, от которых может потребоваться высокая электропроводность или, наоборот, высокое электрическое сопротивление, а также определенные магнитные свойства, например материал должен быть немагнитным, и т.д. В этих случаях механические свойства второстепенны. Физические свойства металлов определяются их строением — наличием свободных электронов, или электронного газа, которое и определяет высокие электро- и теплопроводность.

 

Рис.6.10. Распределение напряжений в металле при наличии трещины:а-концентрация напряжений вблизи трещины;б-зависимость  напряжений от растояния до вершины  трещины

 

      Магнитные свойства. По магнитным свойствам материалы делятся на два класса: магнитно-неупорядоченные и магнитно-упорядоченные. К первому классу относятся диамагнитные и парамагнитные материалы, ко второму — ферромагнитные. У материалов первого класса элементарные магнитные моменты в пространстве расположены хаотически, а у второго — упорядоченно. Магнитно-упорядоченные металлы отличаются большой величиноймагнитной восприимчивости. Для диамагнитных материалов величина % имеет отрицательные значения, для парамагнитных — положительные. Таким образом, в магнитном поле намагничиваются ферромагнетики. Эти металлы имеют большую магнитную восприимчивость и могут быть намагничены до насыщения в сравнительно малых полях, кроме того, они обладают остаточной намагниченностью, т. е. сохраняют магнитные свойства после снятия магнитного поля. 

 

 

Рис.6.11.Намагниченность ферромагнетика в зависимости от напряженности  магнитного поля

 

    Ферромагнетики обладают магнитным гистерезисом (рис.6.11.). При приложении магнитного поля намагниченность возрастает по кривой ОС сначала за счет увеличения напряженности поля Н и увеличения собственной намагниченности материала. Сумма двух этих величин называется магнитной индукцией В, которая измеряется в тесла (1 Тл = 104 Гс(гаусс)): В — Н+ 4 тс. После достижения ферромагнетиком намагниченности насыщения (Bs)суммарная намагниченность увеличивается только за счет повышения напряженности поля. При снятии напряженности поля Н размагничивание происходит не по линии ОС — кривой намагничивания, а по линии CDE, образуя петлю гистерезиса. 

 

    Важными магнитными свойствами материала являются (см.рис.6.11):  

• остаточная магнитная  индукция Вг — значение индукции, сохраняющейся в материале после его намагничивания до насыщения, а затем полного снятия внешнего магнитного поля до нуля (Н= 0); ее представляет отрезок OD на кривой гистерезиса.

Другими словами, после снятия магнитного поля ферромагнетик сохраняет  магнитные свойства; 

 

• коэрцитивная сила Нс — напряженность внешнего магнитного поля, имеющая знак, обратный полю, приложенному первоначально, которая необходима для полного размагничивания. Это отрезок ЕО на кривой гистерезиса; 

• магнитная проницаемость х характеризует способность материала к намагничиванию и зависит от напряженности магнитного поля.

Магнитные характеристики материалов устанавливают специальными методами — баллистическим, магнитометрическим и др. Различные сочетания магнитных свойств материалов определяют их применение. В электротехнике, приборостроении и других отраслях требуются немагнитные (парамагнитные) материалы. К таким относятся цветные металлы (медь, алюминий и сплавы на их основе), а также аустенитные стали.

 

     

6.8. Методика исследования жаропрочности сплава

      Исследование кратковременной жаропрочности СЧ15 проводили при комнатной и повышенных температурах 700, 900 и 1100 °С. Разрушающее усилие определяли после разрыва образцов. Испытание образцов на кратковременную жаропрочность проводили на разработанной и изготовленной специальной установке. Базой для нее послужила испытательная машина УТ-5Т.

Установка состоит из:

-универсального пресса IТ-5 Т;

-электрической нагревательной печи ТИ-950;

-самопишущего потенциометра СПУ-ЭПП-09.

      

Нагрев образцов производился в электрической печи сопротивления. В рабочее пространство печи помещался  образец со специальными жаропрочными захватами, изготовленными из СЧ15. На рис.6.12 представлены захваты для образцов.

Рис.6.12.Захваты образцов

      Нагревательный элемент печи состоит из трех секций, регулирование и питание которых производилось независимо друг от друга. Это позволило регулировать температуру по всей длине образца. Рабочее пространство печи сверху и снизу тщательно закрывалось теплоизоляционными крышками.

     Печь свободно подвешена в установке на тросах и может передвигаться “вверх” и “вниз”, что значительно облегчает установку и снятие штанги с образцом. Перед испытанием на кратковременную жаропрочность образцы тщательно осматривались и отбраковывались. На рабочей части образца наносилась измерительная база. Затем образец устанавливался в захватах и вводился в печь. Установка образца проводилась таким образом, чтобы он находился в средней части печи. Предварительно к центральной части измерительной базы крепилась термопара типа ПР-30/6. Температуру в каждой зоне печи замеряли термопарами ПР-30/6. При достижении заданной температуры испытания образец в течение 10 минут выдерживался при этой температуре, после чего печь отключали и начинали испытания. После разрыва образец удаляли из печи и охлаждали на воздухе, с последующим замером удлинения и сужения на его шейке. От каждого варианта плавки испытывалось по пять образцов при одних и тех же температурных условиях. Определение прочности на разрыв опытных отливок звеньев цепей осуществлялось на 50-ти тонном прессе. Испытанию на разрыв подвергались опытные звенья с различным содержанием хрома и алюминия. После выбора оптимального состава сплава для отливки звеньев цепей, от каждой серийной плавки отбиралось по два звена, для испытания их на разрывной машине (марка УГИМ-50). Звено крепили в разрывной машине.