Лопасти винтов вертолета

АВ – алюминиевый сплав (авиаль – сокр. авиационный алюминий), деформируемый в холодном и горячем состоянии литейный сплав. Содержит в своем составе Cu, Mq, Mn и Si. Сплав упрочняется термической обработкой. Особенностью данного сплава является способность образовывать пересыщенные твердые растворы, т.к. входящие в состав сплава элементы имеют уменьшающуюся растворимость в алюминии при понижении температуры (закалке). Со временем такой твердый раствор претерпевает распад (старение), состоящее в выделении мелкодисперсных фаз. Это приводит к упрочнению сплава. Основной упрочняющей фазой в сплаве авиаль является химическое соединение Mq₂Si. Закаливают авиаль в воде с нагрева до 515…525⁰С. Естественное старение происходит при комнатной температуре в течение 2…3 дней. При нагреве до 140…160⁰С происходит искусственное старение, продолжительность которого 12 часов. После термической обработки сплав АВ имеет твердость 95 НВ по всему сечению Δ 8 мм (т.к. теплопроводность сплава велика) и высокую пластичность.

Технология термической обработки в виде графика представлена на рисунке 2.9. Деталь изготавливается методом литья, затем отливка подвергается отжигу для исправления трубой литой структуры при температуре 340…370⁰С. Охлаждение после отжига на воздухе. Твердость после отжига – 30 НВ.

Рисунок 2.9 – Графики технологии отжига (а), закалки (б) и искусственного

старения (в) отливки лопасти винта из сплава АВ

После термического упрочнения сплав удовлетворительно обрабатывается резанием.

Поскольку теплопроводность алюминиевых сплавов очень велика, время нагрева при малых сечениях Δ 8 и время выдержки при достижении температур нагрева при отжиге или закалке может быть принято в пределах получаса.

Задание № 4

Для каждого из десяти марок сплавов (в соответствии с заданным вариантом) Ст2пс, 25, 65Г, 90ХФ, 55Г2А, АК4-2, БрАЖ10-4, АЛ3, ВТ1-00, БС указать:

- название сплава;

- химический состав сплава (если это возможно, исходя из марочного обозначения, не прибегая к учебникам или справочной литературе);

- для стали указать структурный класс в отожженном (равновесном) состоянии, качество, способ раскисления, общее назначение, отношение к термообработке;

- для чугуна указать механические свойства исходя из марочного обозначения, указать также форму графита;

-для сплава на основе меди указать способ изготовления заготовки.

Ст2пс – конструкционная углеродистая сталь обыкновенного качества, полуспокойная (т.е. раскислена марганцем и кремнием) доэвтектоидная. Химический состав и механические свойства регламентируются ГОСТ380-88. Применяют эту сталь (обычно в состоянии поставки или после нормализации) для деталей неответственного назначения и сварных конструкций.

Сталь 25 – конструкционная углеродистая качественная сталь, содержит 0,25% углерода, полностью раскисленная, доэвтектоидная, в равновесном (отожженном) состоянии структура состоит из феррита и перлита; свариваемая, цементуемая. Без цементации применяется для изготовления неответственных небольших деталей, т.к. обладает невысокой прочностью. После цементации, закалки и низкотемпературного отпуска детали из стали 25 хорошо работают в условиях трения при малых нагрузках.

Сталь 65Г – сталь конструкционная рессорно-пружинная, качественная. Содержит 0,65% С и 1% Mn, раскислена полностью, доэвтектоидная. Структура в отожженном состоянии: перлит + феррит. Применяется для изготовления пружин, рессор и других деталей, от которых требуются высокие упругие свойства и износостойкость. Сталь 65Г закаливаемая, после закалки обычно назначается среднетемпературный отпуск.

Сталь 90ХФ – низколегированная инструментальная сталь, качественная, полностью раскисленная. Содержит 0,90% С, 1% Cr и 1% V. Сталь заэвтектоидная, структура в отожженном состоянии: перлит + цементит. Применяется для изготовления пил, ножей, рабочих и опорных валков холодной прокатки. Сталь закаливаемая. После закалки и низкотемпературного отпуска имеет высокую твердость закаленного слоя.

Сталь 55Г2А – низколегированная конструкционная высококачественная. Содержит 0,55% С, 2% Mn. Содержание вредных примесей S и Р не более 0,025% каждого. В отожженном состоянии структура стали состоит из перлита и феррита. Сталь улучшаемая. Применяется для различных деталей машин: валков, шестерен, осей, пружин, валков горячей прокатки и др.

АК4-2 – жаропрочный алюминиевый сплав. Жаропрочность обеспечивают устойчивые против коагуляции дисперсные частицы. Используется для деталей, работающих при температуре до 300⁰С.

БрАЖ10-4 – безоловянистая алюминиевая бронза. Содержит 10% Al, 4% Fe, остальное – медь. Представляет собой как литейный, так и обрабатываемый давлением сплав.

АЛ3 – алюминиевый литейный сплав силумин. Цифра 3 – номер сплава, подвергается искусственному старению.

ВТ1-00 – технический титан, содержащий 99,53% Ti.

БС – баббит, антифрикционный сплав свинца с сурьмой и небольшими добавками меди.

Список использованной литературы

1 Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение. 1980. – 493 с.

2 Гуляев А.П. Металловедение. – М: Металлургия, 1978. – 646 с.

3 Атлас диаграмм изотермического распада аустенита. Кафедра МТиТОМ. ДГМА.

4 Графики режимов термообработки. Кафедра МТиТОМ. ДГМА.

5 Навчальний посібник “Розробка технології термічної обробки сталевих виробів”. Бєлкін М.Я., Заблоцький В.К., Шашко О.Я. Краматорськ 2003. ДДМА.

Пример 3

Вариант 03

Задание № 1

Вычертите диаграмму состояния «железо-цементит» строго в масштабе, укажите структурные составляющие и фазы во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения с применением правила фаз для сплава, содержащего 0,25% процентов углерода, объясните физическую природу хода этой кривой.

Для заданного сплава определите химический состав фаз и их массу в процентах ко всему сплаву при температуре t = 750⁰С. Какова микроструктура этого сплава при комнатной температуре и как этот сплав называется? Зарисуйте схематически микроструктуру.

Для определения фазового состава и структуры сплавов в зависимости от различных переменных факторов, пользуются диаграммами состояния.

Диаграмма состояния «железо – карбид железа» является гетерогенной системой фазового равновесия железоуглеродистых сплавов. Диаграмма является двухкомпонентной (Fe и Fe₃C) и представляет зависимость состояния железоуглеродистых сплавов от температуры и концентрации. На диаграмме (рисунок 3.1) указаны все фазовые области и структуры, находящиеся в равновесии, так как получены при очень медленном охлаждении. Заданный сплав представлен вертикалью к оси концентраций с указанием содержания углерода 0,25%. Критическими точками для данного сплава являются ординаты точек пересечения линии сплава с линиями равновесия на диаграмме. Выполним анализ превращений в заданном сплаве с построением кривой охлаждения (см. рисунок 3.1, справа). При этом воспользуемся правилом фаз, т.е. математической зависимостью между количеством изменяемых внешних и внутренних фактором, числом фаз и числом компонентов. Для диаграммы состояния Fe – Fe₃C правило фаз имеет вид: С=К-Ф+1,

где С – число степеней свободы, т.е. количество внешних и внутренних факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз. В данной системе это температура и концентрация;

К – число компонентов. Их два: железо и цементит;

Ф – число фаз. Всего в системе их четыре: жидкий раствор феррит, аустенит и цементит.

Если К и Ф характеризуют концентрационный фактор, то 1 характеризует фактор температурный.

Кривая охлаждения по температурной оси (ординат) совмещается с диаграммой Fe – Fe₃C. В интервале температур 1600-1530⁰С сплав находится в жидком состоянии (С=2-1+1=2), изменяться могут два переменных фактора – температура и концентрация. Жидкий раствор будет оставаться жидкой фазой, пока не начнется охлаждение ниже температуры t₁ =1530⁰С (отрезок кривой охлаждения 1-2). Далее, на отрезке 2-3 происходит процесс кристаллизации с образованием кристаллов феррита. При этом выделяется скрытая теплота кристаллизации, что замедляет охлаждение и делает участок кривой охлаждения (2-3) более пологим

Рисунок 3.1 – Диаграмма состояния «железо-цементит» и кривая охлаждения заданного сплава (0,25% С)

(С=2-2+1=1). В данной области (НАВ) можно изменять только температуру. Кристаллизация сплава в момент завершения:

Ж_В → Ф_δH + Ж_В

0,25%С 0,1%С 0,5%С

Этот процесс завершается при температуре t₂ = 1500⁰С (точка 3), т.е. на линии перитектических превращений, когда из двух фаз (образовавшегося феррита и оставшейся жидкой фазы) образуется одна фаза (аустенит), часть жидкой фазы в сплаве сохранится:

Ф_δH + Ж_В → А _I + Ж_В

0,1%С 0,5%С 0,16%С 0,5%С

Температура постоянная (участок 3-3^/), число степеней свободы С=2-3+1=0. При дальнейшем охлаждении до температуры t₃ =1485⁰С имеет место процесс образования аустенита уже из одной только жидкой фазы, оставшейся после завершения перитектических превращений:

Ж_В + А _I → А т.4

0,5%С 0,16%С 0,25%С,

С=2-2+1=1 (участок 3-4). Кривая охлаждения на участке 3-4 также проходит с замедлением, аналогично участку 2-3. Процесс кристаллизации закончится по достижении температуры t₃ =1485⁰С, соответствующей критической точке сплава с 0,25%С на линии солидус IE. После полного затвердевания сплав приобретает однофазную аустенитную структуру. При охлаждении сплава ниже температуры 1485⁰С (точка 4) до температуры t₄ =840⁰С (точка 5) в однофазной аустенитной области превращений не происходит (С=2-2+1=2). Могут изменяться два фактора: температура и концентрация, без нарушения фазового равновесия (участок 4-5). Охлаждение ниже температуры 840⁰С, при пересечении линии GS, вызывает начало выделения избыточного феррита (α–Fe) из аустенита, при этом концентрация фаз (аустенита и феррита) в процессе охлаждения в двухфазной области РGS меняется (по линиям GS и GР соответственно). При этом С=2-2+1=1 и – более пологий участок 5-6. Ниже линии РSК (т.е. температуры t₅ =727⁰С) заданный сплав претерпевает эвтектоидное превращение аустенита в перлит.

А_S → Ф _Р + Ц_К

0,8%С 0,025%С 6,67%С.

Число степеней свободы С=2-3+1=0, т.е. температура постоянная (участок 6-6^/), из одной фазы (аустенита) образуются две новые (феррит и цементит), эвтектоидная механическая смесь которых является двухфазной структурой и называется перлитом. Охлаждение сплава ниже температуры 727⁰С (точка 6) происходит уже в двухфазной области, С=2-2+1=1, замедленное, изменяться может один фактор (температура). Этот процесс практически завершается уже при температуре 600⁰С, поэтому наблюдать процесс полного охлаждения до комнатной температуры нет необходимости.

Химический состав и их массу в процентах ко всему сплаву при температуре 750⁰С определяем, используя коноду, т.е. горизонталь через область РGS при заданной температуре. При этом проекция точки б на линию концентрации укажет содержание углерода в феррите (≈ 0,02% С), а проекция точки в – содержание углерода в аустените (≈ 0,6% С). Остальное – железо. Массу фаз q_Ф и q_А, т.е. феррита и аустенита определяем по правилу отрезков. Тогда:

; .

Принимая массу сплава за 100% (q) и подставляя числовые значения отрезков, получим:

,

.

Следовательно, при температуре 750⁰С в заданном сплаве, содержащем 0,25% С, существуют две фазы: феррит, которого 60,3%, и аустенит, которого 39,7%.

Железоуглеродистый сплав с содержанием 0,25% С называется доэвтектоидной сталью. При комнатной температуре он имеет ферритно-перлитную структуру (рисунок 3.2), перлита на микрошлифе ≈ 30% ():

Рисунок 3.2 – Структура заданного сплава при комнатной температуре

Задание 2

Вычертите строго в масштабе диаграмму изотермического распада аустенита [3] стали Р9 (рисунок 3.3). Нанесите на диаграмму кривые, характеризующие скорость непрерывного охлаждения стали от температуры выше точки Ас₃ (для доэвтектоидных сталей) или выше A_cm (для заэвтектоидных сталей) на 40°С соответственно V₁=0,007 град/с и V₂=0,9 град/с. Опишите происходящие превращения и микроструктуру, приведите схему конечной структуры и твердость стали. Определите числовые значения критической скорости закалки.

Решение. Сталь Р9 – инструментальная, быстрорежущая, ледебуритного класса, качественная, теплостойкая, высокоуглеродистая, высоколегированная. Химический состав: ≈ 0,9% С, 9% W, ≈ 4% Cr,: ≈ 2,5% V, до 1% Мо, S≤0,035%, Р≤0,035%.

Нагрев стали производим до t_н = Ас₁+40=810+40=850⁰С. Точка Ас т не указана. Для построения кривых, характеризующих скорости непрерывного охлаждения V₁ и V₂, будем задаваться произвольными промежутками времени от начала охлаждения τ₁ и определять соответствующие им температуры по формуле:

t = t_н - V∙τ.

Рисунок 3.3 – Диаграмма изотермического распада аустенита стали Р9 и кривые охлаждения V1 и V2

Для скорости V₁ = 0,007⁰С/с:

τ = 1000 с, t = 850 – 0,007·1000 = 843⁰С

τ = 4000 с, t = 822⁰С

τ = 8000 с, t = 794⁰С

τ = 10000 с, t = 780⁰С

τ = 20000 с, t = 710⁰С

Для скорости V₂ = 0,9⁰С/с:

τ = 10 с, t = 850 – 0,9·10 = 841⁰С

τ = 50 с, t = 805⁰С

τ = 100 с, t = 760⁰С

τ = 300 с, t = 580⁰С

τ = 500 с, t = 400⁰С

τ = 800 с, t = 130⁰С

Полученные значения τ и t нанесем на диаграмму изотермического распада аустенита в виде точек. Соединив плавной линией соответствующие точки, получим кривые охлаждения V₁ и V₂.

Определим критическую скорость закалки:

,

где t^* и τ^* температура и время минимальной устойчивости переохлажденного аустенита заданной стали.

Критическая скорость небольшая, т.к. легирующие элементы (особенно Cr) повышают устойчивость переохлажденного аустенита, тем самым повышая прокаливаемость стали.

При t_Н = 850⁰С сталь имеет структуру аустенит + труднорастворимые частицы карбидов (VC, WC, Mo₂C). Эти карбиды не растворяются в аустените даже при очень высоких температурах.

При охлаждении стали со скоростью V₁ = 0,007⁰С/с в точке а (t ≈ 835⁰С) из аустенита начинают выделяться карбиды К. Выделение карбидов заканчивается в точке в₁ (t = 800⁰С), и при этой же t начинается превращение аустенита в грубодисперсную ферритно-карбидную смесь – перлит. Это превращение завершается в точке с₁ (t ≈ 740⁰С). В данном случае распад аустенита происходил в верхнем температурном интервале, где диффузия углерода, железа и легирующих элементов достаточно высокая, т.е. все превращения носили диффузионный характер. Конечная структура (рисунок 3.4): перлит + карбиды, твердость ≈ 30…33 HRC.

Рисунок 3.4 – Схема конечной структуры при охлаждении

со скоростью V₁

При охлаждении стали со скоростью V₂ = 0,9⁰С/с в точке а₂ (t ≈ 370⁰С) начинается превращение аустенита (А) в бейнит (Б). Это превращение протекает в среднем температурном интервале, где диффузия железа и легирующих элементов практически невозможна, а диффузия углерода еще достаточно высока. Так как кривая охлаждения не пересекает линию конца бейнитного превращения, то не весь А превратится в Б. Часть А переохлаждается до точки в₂ (t = М_н =220⁰С). Ниже этой температуры диффузия углерода уже невозможна. Здесь происходит мартенситное превращение, которое носит бездиффузионный характер и осуществляется путем сдвига.

Структура: бейнит + мартенсит +А_ост+ частицы тугоплавких карбидов К (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 – Схема конечной структуры при охлаждении

со скоростью V₂

Присутствие в структуре А_ост объясняется тем, что мартенситное превращение не идет до конца, т.к. легирующие элементы снижают точку конца мартенситного превращения в область отрицательных температур. А_ост наблюдается в структуре в виде светлых полей между иглами мартенсита.

Задание 3

Разработайте режимы предварительной и окончательной термической обработки деталей, заданных в индивидуальном задании (таблица 3 методических указаний [1]) для обеспечения оговоренных свойств.

При выполнении задания:

а) для стальной детали:

- указать состав стали исходя из марочного обозначения (без использования справочной литературы), ее качество, структурный класс в равновесном состоянии, общее назначение;

- описать превращения, протекающие при нагреве, выдержке и охлаждении на стадии окончательной термообработки;

- указать микроструктуру стали на поверхности и в сердцевине детали;

б) для детали из чугуна:

- исходя из марочного обозначения указать вид чугуна, его механические свойства, форму графита;

- описать превращения, протекающие на стадии охлаждения;

в) для деталей из цветных сплавов:

- указать состав сплава;

- охарактеризовать превращения, протекающие при нагреве, выдержке и охлаждении.

Все виды технологий термической обработки представить в виде графика в координатах (температура, °С - время, ч).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: