Выбор конструкционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИнОБРнауки России

ФГБОУ ВО Пензенский государственный технологический Университет (пензгту)

Факультет биомедицинских и пищевых технологий и систем

Кафедра «Биотехнологии и техносферная безопасность»

Дисциплина: «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Выбор конструкционных материалов»

ПензГТУ 3. 20.03.01. 009 ПЗ

Выполнил: студент группы 14ЗТ1бп

Кондрашова А. О.

Проверил: доцент кафедры БТБ

Красная Е.Г.

Пенза 2016 г.



Утверждаю зав. каф. БТБ

Таранцева К. Р.

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Студенту(ке) Кондрашовой Анастасии Олеговне Группа 14ЗТ1б

Тема работы: «Выбор конструкционных материалов»

Вариант 9

1. Что такое твердый раствор замещения? Приведите пример.

2. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,6 % С. Для заданного сплава определите процентное содержание углерода в фазах при температуре 1000 °С.

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

4. Назначьте режим термической обработки шестерен из стали 20Х с твердостью зуба HRC58-62. Опишите микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины зуба после термической обработки.

5. Опишите современное представление о молекулярном строении полимеров. Укажите структуру термопластических и термореактивных полимеров.

6. Выбрать материал для деталей химического аппаратостроения, работающих в особо агрессивных средах, в частности в концентрированных азотной, соляной и ортофосфорной кислотах при высоких температурах. Указать механические и технологические свойства выбранного материала.

Сравнить его сопротивление коррозионному воздействию агрессивных сред с нержавеющей сталью и сплавами типа хастеллой (сплав на основе никеля).

Руководитель Красная Е.Г._______________

Задание получил «31» марта 2016 г.

Студент Кондрашова А.О. _______________



СОДЕРЖАНИЕ

1. Твердый раствор замещения

2. Вычертите диаграмму состояния сплавов

3. Дефект после закалки

4. Назначьте режим термической обработки

5. Молекулярное строение полимеров

6. Выбрать материал для деталей

Библиографический список

Приложение



1. Что такое твердый раствор замещения? Пример

Твердый раствор - фаза, в которой один из компонентов сплава (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой или другие компоненты располагаются в решетке растворителя, изменяя ее периоды. Различают твердый раствор замещения и твердый раствор внедрения.

При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке. Например, твердые растворы замещения могут образовываться при совместной кристаллизации из расплавов KCl и KBr, Au и Ag или из паров Au и Pt, Si и Ge, K2SO4 и K2Se4.

Рис.1 Твердый раствор замещения

Образование твердого раствора замещения происходит в том случае, если атомные радиусы растворителя и растворенного элемента отличаются не более чем на 15% (размерный фактор). Растворимость компонентов в твердом состоянии уменьшается при увеличении различия в атомных радиусах сплавленных элементов и их валентности.

При соблюдении размерного фактора и одинаковом типе кристаллической решетки образуются твердые растворы с неограниченной растворимостью компонентов, а так же с ограниченной. В твердых растворах замещения атомы растворенного элемента замещают атомы растворителя в узлах кристаллической решетки, распределяясь, чаще всего, хаотически. При этом растворителем может быть химический элемент (металл), а также химическое соединение. В твердых растворах между химическими соединениями ионы одного сорта замещаются ионами другого сорта в соответствии со схемой, например, в системе NaCl - KCl ионы калия замещают ионы натрия. В твердых растворах с ограниченной растворимостью концентрация растворенного компонента возможна до определенных пределов.

В твердых растворах с неограниченной растворимостью возможна любая концентрация растворенного компонента (от 0 до 100%). Твердые растворы с неограниченной растворимостью образуются при соблюдении следующих условий: 1) у компонентов должны быть однотипные кристаллические решетки; 2) различие в атомных радиусах компонентов не должно превышать для сплавов на основе железа 9%, а для сплавов на основе меди 15%; 3) компоненты должны обладать близостью физико-химических свойств. Однако соблюдение этих свойств не всегда приводит к образованию твердых растворов замещения с неограниченной растворимостью. На практике, как правило, образуются твердые растворы с ограниченной растворимостью.

2. Вычертите диаграмму состояния сплавов

Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,6 % С. Для заданного сплава определите процентное содержание углерода в фазах при температуре 1000 °С.

Диаграмма состояния графически показывает нам фазовое состояние сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Компонентами системы являются железо и углерод.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (рис.2) охватывает не все сплавы железа с углеродом, а лишь те, которые содержат до 6,67 % углерода.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие более 5 % углерода, не представляют практического интереса, 6,67 % углерода взято на том основании, что при таком его количестве образуется химическое соединение Fe3C (цементит), которое может рассматриваться как самостоятельный компонент сплава. Диаграмма состояния сплавов Fe--Fe3C разделена на две части: диаграмму углеродистых сталей и диаграмму белых чугунов. Углеродистые стали -- это сплавы железа, содержащие до 2,14 % углерода.

Рис.2 Диаграмма состояния сплавов Fe--Fe3C

Диаграмму создавали в течение многих лет ученые различных стран. Особенно большой вклад в построение диаграммы внес русский металлург

Д. К. Чернов, которому принадлежит приоритет открытия превращений в сталях и критических точек.

По горизонтальной оси диаграммы откладывается содержание углерода в сплаве в процентах, по вертикальной - температура в °С. Каждая точка на диаграмме характеризует определенный состав сплава при определенной температуре. Превращения в сплавах железо - углерод происходят не только при затвердевании сплава в жидком состоянии, но и в твердом благодаря переходу железа из одной аллотропической формы в другую.

В зависимости от температуры и содержания углерода сплавы железо - углерод могут иметь структурные составляющие: феррит, цементит, перлит, аустенит, ледебурит и графит. Физико-химическая природа этих структурных составляющих различна.

Феррит представляет собой твердый раствор внедрения углерода в железо с объемно-центрированной кристаллической решёткой (ОЦК). При 723° С в б-железе может содержаться до 0,02% углерода, а при 20° С всего лишь 0,006% углерода. Феррит пластичен, обладает низкой твердостью (НВ 80-100), прочностью (у_ь = 25 кгс/мм²) и магнитными свойствами, которые сохраняются до температуры 768° С.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом, т. е. карбид железа Fe₃C, содержащий в своем составе 6,67% углерода и до 210°С сохраняет магнитные свойства. Цементит очень хрупкий и обладает твердостью НВ760-800. В структуре стали и чугуна он находится в виде игл, отдельных включений и сетки, по границам зерен.

Перлитом называют механическую смесь феррита с цементитом. Перлит - это продукт распада аустенита при медленном охлаждении. Он может быть пластинчатым или зернистым. В нем содержится 0,8% углерода. Механические свойства перлита зависят от степени измельчения частичек цементита.

Ледебурит представляет собой эвтектику, состоящую из цементита и аустенита и образующуюся при кристаллизации жидкого сплава, который содержит 4,3% углерода. Ледебурит обладает высокой твердостью (НВдо 700) и хрупкостью.

Чистое железо плавится и затвердевает при 1539°С (точка А), а чугун, содержащий 4,3% углерода, - при 1130°С (точка С).

Графит - это кристаллическая разновидность углерода. Он имеет гексагональную неплотно упакованную кристаллическую решётку. Имеет черный цвет и встречается в структуре чугуна и графитизированной стали. Твёрдость и прочность графита очень малы.

Когда температура сплава соответствует линии АС, начинается процесс первичной кристаллизации: из жидкого сплава выделяются кристаллы аустенита, а на линии CD - цементит. Так как цементит выделяется из жидкого сплава в процессе первичной кристаллизации, то его называют первичным. Линия АЕСF является линией солидуса. В точке С сплав, содержащий 4,3% углерода, переходит в твердое кристаллическое состояние. Сплав такого состава называют эвтектическими. Структура эвтектического сплава представляет собой ледебурит. Таким образом, чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим, менее 4,3% углерода - дозвтектическим и более 4,3% углерода - заэвтектическим.

В зоне III диаграммы сплав состоит из цементита и жидкого сплава, а в зоне II - из кристаллов аустенита и жидкого сплава. Содержание углерода в кристаллах аустенита определяется линией AIE

При температурах, соответствующих линии АВ, из жидкого сплава выделяется твердый раствор д. На горизонтали HIB при 1486°С происходит перитектическое превращение. Оставшийся жидкий сплав взаимодействует с твердым раствором д и в точке / переходит в аустенит, левее точки / - в структуру аустенит - твердый раствор д, правее точки / - в аустенит и жидкий сплав. Затвердевание сплавов, содержащих до 2% углерода, заканчивается на линии AHIE. Ниже линии HIE, в зоне IV,сплавы представляют собой аустенит.

В нижней части диаграммы превращения происходят в твердом состоянии. Линия GS (линия А₃) представляет собой температуры начала выделения феррита из аустенита. Она показывает, что температура образования феррита понижается с 910°С (точка G) для чистого железа до 723° С (точка S) для сплава, содержащего 0,8% углерода. Феррит, который выделяется из аустенита при охлаждении, содержит не более 0,02% углерода. При понижении температуры до 723°С (линия PS) в зоне VIII сплав состоит из феррита и аустенита. В точке S аустенит переходит в перлит. В результате превращений сплавы, содержащие менее 0,8% углерода, имеют структуру феррита и перлита (зона IX). При 0,8% углерода в структуре остается только перлит, называемый эвтектоидом. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной, менее 0,8 углерода - доэвтектоидной, более 0,8 % углерода - заэвтектоидной.

В зоне V находятся в равновесии две структурные составляющие - цементит и аустенит. Линия SE определяет предел растворимости углерода в аустените. При 1130°С (точка Е) в аустените растворяется 2% углерода. В зоне X структура сплава состоит из перлита и вторичного цементита.

В зоне VI сплав состоит из ледебурита, аустенита и вторичного цементита, в зоне VII - из первичного цементита и ледебурита, в зоне XI - из перлита, вторичного цементита и ледебурита и, наконец, в зоне XII - из ледебурита и первичного цементита.

Описанные изменения структуры сплавов при охлаждении обратимы.

Температуры, при которых начинается или заканчивается процесс фазовых превращений в металле или сплаве, называют критическими точками.

При медленном нагреве от комнатной температуры до 723°С (точка а) в сплаве / фазовых изменений не происходит. При температуре 723°С перлит превращается в аустенит. Такую температуру называют нижней критической точкой и обозначают A_C1 . Буква С указывает на то, что температура остановки получается при нагреве стали, а единица подтверждает образование критической точки на линии PSK. Охлаждение стали отмечают буквой r (А_r1 ). При дальнейшем нагреве в сплаве / зерна феррита растворяются в аустените. Растворение заканчивается в точке а₁, лежащей на линии GS .Температуру окончания растворения феррита в аустените называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве сплава-А_С3, при охлаждении - А_Г3.

Если нагревать эвтектоидный сплав II,. то перлит в точке S (линия PSK)при 723°С превращается в аустенит. Критические точки A_C1 и А_с3, при этом совместятся.

При нагреве сплава III в точке b при 723°С перлит превращается в аустенит (точка A_C1). Дальнейший нагрев вызывает растворение цементита в аустените и в точке b₁ лежащей на линии SE, процесс заканчивается. Эту точку называют критической и обозначают А_ст.

Таким образом, на диаграмме железо - углерод критические точки, образующие линию PSK, обозначаются А_с (при нагреве) и Аr₁ (при охлаждении), линия GSK - А_Сз, линия SE - А_ст и А_rт. Знание критических точек значительно облегчает термисту дальнейшее изучение процессов термической обработки сталей.

Рассматривая диаграмму состояний железо - цементит в связи с происходящими превращениями в сплаве, можно видеть, как на ней распределены фазы и в каком структурном сочетании.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 - Ф,

где С - число степеней свободы системы;

К - число компонентов, образующих систему;

1 - число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Теперь определим число степеней свободы для каждой из точек:

С₁=2+1-1=2

С₂=2+1-2=1

С₃=3-3=0

С_3`=2+1-2=1

C₄=3-3=0

С_4'=3-2=1

Сплав железа с углеродом, содержащий 2,6% С, называется доэвтектоидным чугуном (рис. 2). Его структура при комнатной температуре перлит+цементит (вторичный) + ледебурит.

Определим процентное содержание углерода в фазах при температуре 1000°С. Структура сплава при этой температуре аустенит + цементит (вторичный). Для определения содержания углерода в фазах нужно провести через данный температурный уровень линию, параллельную оси концентрации до пересечения с линией SE. Тогда проекция точки пересечения этой линии с SE на ось концентрации укажет количество углерода 1,2% С.

Для заданного сплава определим количественное соотношение фаз при температуре 1000°С:

Q=Qа+Qц=100%

Q_а =18%

Q_ц =

3. Дефект после закалки

термический обработка зуб сталь

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

Рассмотрим данное задание на примере углеродистых сталей.

Недостаточная твердость закаленной стали может быть вызвана недогревом (низкая температура закалки, слишком короткая выдержка при правильной температуре печи) или при недостаточно интенсивном охлаждении, т.е. со скоростью меньше критической. Однако в задание указано, что закалка выполнена правильно. В результате закалки получен мартенсит (или мартенсит + цементит для заэвтектоидной стали).

Поэтому твердость более низкая, чем предусмотрено техническими условиями, есть результат проведения отпуска при температурах выше необходимых.

Зависимость твердости углеродистых сталей разного состава от температуры отпуска представлена на рисунке 3.

При нагреве при отпуске происходит выделение углерода из мартенсита, приводящее к уменьшению искажений решетки б-железа. Такой мартенсит называют отпущенным. При температурах порядка 300-400°С завершается выделение углерода и образуется высокодисперсная ферритно-цементитная смесь, называемая трооститом отпуска. При дальнейшем нагреве происходит коагуляция кристаллов карбидов и уменьшается дисперсность структуры. Структуру углеродистой стали образующуюся при температурах отпуска 500-650°С, называют сорбитом отпуска. При более высоких температурах нагрева образуется перлит отпуска.

Рисунок 4 - Зависимость твердости углеродистых сталей

С увеличением температуры отпуска общий уровень напряжений уменьшается, что выражается снижением твердости.

4. Назначьте режим термической обработки

Назначьте режим термической обработки шестерен из стали 20Х с твердостью зуба HRC58-62. Опишите микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины зуба после термической обработки.

Сталь 20 используется для изготовления малонагруженных шестерен высокой твердостью поверхности, где допускается невысокая прочность сердцевины, т. е. шестерни, работающей в условиях обычного износа и удара. Для получения необходимого комплекса эксплуатационных свойств (высокая износостойкость поверхности при достаточно высокой усталостно-изгибочной прочности зуба) сталь 20 подвергают цементации на глубину 0,8-1,2 мм, закалке и последующему низкому отпуску. Назначение цементации и последующей термической обработки - придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость. Эти свойства достигаются обогащением поверхностного слоя стали углеродом доэвтектоидной, эвтектоидной или заэвтектоидной концентрации и последующей термической обработкой, сообщающей поверхностному слою стальных изделий структуру мартенсита или мартенсита с карбидами и небольшим количеством остаточного аустенита.

Принимаем ширину зубчатого венца шестерни равной 25 мм.

Термическая обработка заключается в газовой цементации при температуре 920-950єС на глубину 0,8-1,2 мм, продолжительность выдержки 8-10 часов. Механизированное термическое оборудование и автоматическая система контроля и регулирования углеродного потенциала в печи цементации позволяет нам на поверхности цементуемого слоя получить эвтектоидное насыщение углеродом. Структура слоя при температуре насыщения - аустенит, после медленного охлаждения в атмосфере агрегата от поверхности к сердцевине - перлит перлит + феррит. Структура сердцевины при температуре насыщения - аустенит, после медленного охлаждения - феррит + перлит.

Для гарантированного получения мелкоигольчатого мартенсита детали после цементации охлаждают до температуры ниже температуры 600єС, а затем нагревают под закалку до температуры 800-820єС. Температуру нагрева под закалку выбирают для цементованного слоя.

Температура A_C3 для данной стали составляет 850єС. Закалку для стали 20 производят в воде.

Охлаждение в воде заготовок шестерен обеспечивает скорость охлаждения цементованного слоя выше критической. Структура поверхностного слоя после закалки - мартенсит, структура сердцевины - сорбит перлит + феррит. Низкий отпуск проводим при температуре 180-190єС, выдерживая 2 - 2,5 ч, необходимых для прогрева детали по всему сечению и прохождения процессов снятия внутренних напряжений. Более высокие температуры применять не следует, так как это приводит к снижению твердости, статической и усталостной прочности, износостойкости цементовано-закаленных изделий. Атмосфера в печи при проведении низкого отпуска - воздух. Охлаждение после отпуска на воздухе. Структура поверхностного слоя - отпущенный мартенсит, структура сердцевины - низкоуглеродистый сорбит перлит + феррит.

Твердость поверхности готового изделия 58-62 HRC.

Механические свойства в сердцевине готового изделия: у_Т=370 МПа, у_В=550 МПа, д>18%, ш>45%.

5. Молекулярное строение полимеров

Опишите современное представление о молекулярном строении полимеров. Укажите структуру термопластических и термореактивных полимеров.

Полимерами называются высокомолекулярные вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных звеньев (мономеров) одинаковой структуры, соединённых между собой химическими связями. Условно, полимерами считают вещества с молекулярной массой от 5000 до 1000000, соединения с молекулярной массой от 500 до 5000 называют олигомерами. Таким образом, свойства полимера заключается в его химическом составе, строении, а так же расположением молекул относительно друг друга. Большое своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их макромолекул.

По форме макромолекул полимеры бывают: линейные, разветвленные, плоские ленточные, плоские сетчатые, слоистые и пространственные (рис. ).



Рис. Формы макромолекул полимеров

а - линейная, б - разветвлённая, в - лестничная, г - сетчатая, пространственная, д - паркетная

Гибкие длинные макромолекулы обладают высокой прочностью вдоль цепи и слабыми молекулярными связями, что обеспечивает их эластичность, способность размягчаться при нагреве и затвердевать при охлаждении (полиэтилен, полиамид). Разветвленные молекулы отличаются наличием 151 боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен ...). Плоские ленточные молекулы состоят из двух цепей, соединенных химическими связями. Они обладают повышенной теплостойкостью и большей жесткостью. Пространственные молекулы образуются при соединении молекул между собой прочными химическими связями. Образуется сетчатая структура с различной густотой сетки. Молекулы с редкой сеткой (сетчатые) теряют способность растворяться и плавиться, но обладают упругостью (мягкие резины). Густосетчатые молекулы (пространственные) отличаются твердостью и большой теплостойкостью. Эти полимеры лежат в основе конструкционных неметаллических материалов. Аморфные полимеры строятся из цепных молекул, и собраны в пачки. Пачки являются структурными элементами, и могут перемещаться относительно соседних элементов. Некоторые аморфные полимеры состоят из цепных молекул, свернутых в клубки (глобулы). Такая структура дает низкие механические свойства (хрупкое разрушение по границам глобул.). При повышении температуры, глобулы могут разворачиваться, что повышает механические свойства.

Квази кристаллические полимеры образуются только из достаточно гибких макромолекул с регулярной структурой. В этом случае возможно образование пространственных решеток внутри пачки. Гибкие пачки складываются в ленты, многократно поворачиваются на 180о и образуют пластины. Пластины, наслаиваясь, друг на друга, образуют правильные кристаллы. При затруднении наслоения образуются сферолиты, состоящие из лучей, чередованием кристаллических и аморфных зон. Кристаллические участки состоят из микрофибрилл.

По отношению к нагреву, полимеры разделяются на термопластичные и термостойкие.

Термопластичные полимеры (термопласты) состоят из большого количества повторяющихся макромолекул, соединенных между собой только физическими связями. Энергия разрыва физических связей мала и составляет от 12 до 30 кДж/моль. При нагревании физические связи исчезают, при охлаждении -- восстанавливаются. Энергия разрыва химических связей, соединяющих мономерные звенья в цепную макромолекулу, многократно превышает указанные значения и составляет 200-460 кДж/моль. Поэтому при нагревании термопластов до температуры плавления физические связи исчезают, а химические -- ковалентные -- сохраняются, и, следовательно, сохраняется неизменным химическое строение полимера.

При охлаждении и затвердевании такого расплава физические связи и основные физические свойства термопластичного полимерного вещества восстанавливаются. Таким образом, термопласты, во-первых, допускают формование изделий из расплава с его последующим охлаждением и затвердеванием и, во-вторых, могут перерабатываться многократно. Это, в свою очередь, позволяет возвращать в производственный цикл отходы производства, брак, изделия, утратившие потребительскую ценность.

Термопластичные полимеры имеют макромолекулы линейной и разветвлённой структуры.

Термореактивные полимеры (реактопласты) состоят из макромолекул, соединенных поперечными ковалентными, то есть химическими связями. Образовавшаяся сетчатая химическая структура необратима. Нелимитированное нагревание сетчатых полимеров приводит не к расплавлению, а к разрушению пространственной сетки, сопровождающемуся термодеструкцией. С точки зрения практики это означает, что реактопласты допускают лишь однократную переработку в изделия, которые формуются в результате химической реакции отверждения.

Технологические и иные отходы производства практически не рециклируются. Вместе с тем сетчатая молекулярная структура придает полимерам ряд особых свойств, не наблюдаемых у термопластов. Так, густосетчатые термореактивные полимеры, например, полиэпоксиды, характеризуются повышенными значениями модуля упругости, твердости и теплостойкости; редкосетчатые реактопласты, основными представителями которых являются эластомеры, обладают значительной и обратимой деформативностью, стойкостью к истиранию и повышенным коэффициентом трения.

6. Выбрать материал для деталей

Выбрать материал для деталей химического аппаратостроения, работающих в особо агрессивных средах, в частности в концентрированных азотной, соляной и ортофосфорной кислотах при высоких температурах. Указать механические и технологические свойства выбранного материала.

Сравнить его сопротивление коррозионному воздействию агрессивных сред с нержавеющей сталью и сплавами типа хастеллой (сплав на основе никеля).

Выбор наиболее подходящего материала для изготовления химической аппаратуры является одной из первых и ответственных задач, возникающих в процессе конструирования. При выборе материала должны учитываться следующие его важные свойства:

- прочностные характеристики;

- теплостойкость, жаропрочность;

- химическая стойкость против разъедания;

- физические свойства;

- технологические характеристики;

- состав и структура материала;

- стоимость

Свойства материала неразрывно связаны между собой и сильно зависят от условий, в которых находится материал. Достаточно изменить температуру, чтобы сейчас же изменились все механические свойства металла, его коррозионная стойкость, его обрабатываемость - способность штамповаться , коваться, шлифоваться. Достаточно увеличить чистоту поверхности при механической обработки , чтобы ощутимо улучшить коррозионную сопротивляемость металлов и сплавов. Достаточно термической обработкой, при том же самом составе сплава, изменить его структуру, чтобы совершенно изменить его прочностные характеристики.

Химическая промышленность является одним из основных потребителей коррозионностойких сталей. Известно, что одной из важнейших проблем химических производств является проблема коррозии. С увеличением объема производства растут издержки на защиту от коррозии и замену вышедшего из строя оборудования, потери от простоев и аварий. Наиболее эффективным путем решения этих вопросов является использование в химическом машиностроении современных коррозионностойких материалов. Эксплуатационная надежность химической аппаратуры, изготовленной из нержавеющих кислотоупорных сталей, особенно коррозионная стойкость сварных соединений, определяется качеством самих сталей и технологией изготовления аппаратуры. Если среда отличается значительной агрессивностью, то применяются специальные стали: а) нержавеющие и кислотостойкие стали, б) жаростойкие и жаропрочные стали. Для каждой агрессивной среды надо подбирать соответствующую марку стали, так как нет универсально стойких сталей.

Для производства синтетических неметаллических материалов (пластмассы, стеклопластики, стекловолокно и т. д.), удобрений, а также других химических продуктов аппаратура, установки и машины работают в агрессивных кислотных средах, чаще в серной, соляной, азотной или фосфорной кислотах и их смесях разной концентрации и при разных температурах.

Нержавеющие стали оказываются недостаточно стойкими в перечисленных средах и других средах высокой агрессивности.

Для эксплуатации в этих средах следует применять более легированные стали и сплавы, называемые кислотостойкими.

Увеличение стойкости в кислотах (общая коррозия) дает присадка в аустенитные стали молибдена и особенно молибдена с медью при одновременном увеличении содержания никеля.

Рассмотрим коррозионную стойкость разных сплавов в различных средах.

Фосфорная кислота. При комнатной температуре любой концентрации аустенитные стали устойчивы, хромистые нет.

В горячей фосфорной кислоте устойчивы лишь сталь 06ХН28МДТ (до концентрации 25 %), в кипящей -- лишь хастеллой (до концентрации 20-50%) а при более высокой устойчивы лишь тугоплавкие металлы.

Соляная кислота. При комнатной температуре устойчива только сталь ЭИ943 но лишь в разбавленной кислоте (5%).

В кипящей кислоте концентрацией до 20% может работать сплав хастеллой и до любой концентрации -- тугоплавкие металлы.

Несмотря на малую стойкость против окисления (газовой коррозии) при высоких температурах все тугоплавкие металлы являются чрезвычайно кислотостойкими. В кипящей серной кислоте - одной из наиболее агрессивных сред - кислотостойкая хромоникельмолибденомедистая сталь может работать при концентрации Н₂SО₄ до 5 %, сплав хастеллой (80 % Ni, 20 % Мо) - при концентрации до 20 %, а тантал не подвергается коррозии в кипящей серной кислоте при концентрации до 80 % .

Наибольшее промышленное применение имеет хромоникельтитановая сталь марки 1Х18Н9Т, она кислотостойка в азотной кислоте и ряде других агрессивных сред, а также прочна, пластична и хорошо сваривается.

Из тугоплавких материалов тантал является наиболее кислотостойким. Ниобий по кислотостойкости превосходит сплавы на основах железа и никеля, однако уступает танталу. Использование ниобия вместо тантала представляет интерес из-за более низкой (по сравнению с танталом) его стоимости.

По кислотостойкости молибден и вольфрам в условиях эксплуатации в кипящих неорганических кислотах значительно превосходят ниобий и мало уступают танталу. При их стоимости, существенно меньшей по сравнению с танталом, они явились бы весьма перспективными материалами для химического машиностроения. Однако технологические трудности изготовления химической аппаратуры ограничивают применение молибдена и вольфрама.

Тугоплавкие сплавы, в первую очередь тантал, сплав ниобия с танталом и в отдельных случаях молибден, являются самыми кислотостойкими металлическими материалами. Их применение особенно целесообразно в средах, в которых другие материалы не обладают коррозионной стойкостью. К таким средам относятся неорганические крепкие кислоты при повышенных температурах, а также некоторые промышленные среды. Несмотря на высокую стоимость тугоплавких материалов по сравнению с такими кислотостойкими материалами, как высоколегированная нержавеющая сталь или сплав хастеллой, применение сплавов Ta-Nb, экономически оправданно, так как вследствие высокой коррозионной стойкости можно эксплуатировать химическую аппаратуру весь срок без замены облицовки. Следует иметь в виду, что коррозионная стойкость в крепких кислотах определяется в основном химическим составом сплава и мало зависит от структуры и способа производства.

Ниже в таблице представлены важнейшие физические свойства тугоплавких металлов.

Табл. 1 Физические свойства тугоплавких металлов

Номер в периодической системе элементов	Металл	Температура С	Параметр решетки, нм	Плотность г/см3	Коэффициент линейного расширения *106 град-2
		Рекристаллизации	Плавления	Кипения
23 41 73 24 42 74	V Nb Ta Cr Mo W	950 1000 1350 800 1000 1500	1900 2415 2996 1875 2610 3410	3400 3300 5300 2500 4800 5900	0?303 0,329 0,330 0,289 0,314 0,316	6,1 8,6 16,6 7,2 10,2 19,4	8,3 7,2 6,5 4,5 5,1 4,4

Наибольший практический интерес представляют свойства тугоплавких металлов при повышенных температурах, поскольку главное назначение этих металлов и, в первую очередь, их сплавов для деталей, работающих при высоких температурах, выше 1000 С

Молибден, вольфрам и хром обладают высокой жаропрочностью, однако они склонны к хрупкому разрушению. Ниобий и тантал - высокопластичные материалы и хорошо свариваются.

Сплав на основе ниобия ВН2А - t=1200°C, sв=850МПа.

Сплав на основе молибдена ЦМ3 - t=1200°С, sв=500МПа, s100=180МПа.

Сплав на основе вольфрама ВВ2 - t=1200С°, sв=130МПа, s100=80МПа.

Для ряда металлов прочность при растяжении представлена на рис. Как и следовало ожидать, прочность тем выше (при одинаковой температуре), чем выше температура плавления.

Рисунок 6 - Температурные зависимости предела прочности при растяжении (а) относительного сужения (б) тугоплавких металлов.

Жаропрочность можно повысить легированием тугоплавких металлов другими элементами. Используя две системы легирования, либо вводят большое количество других тугоплавких металлов (молибден в ниобий или вольфрам в молибден) для образования двойного, более прочного твердого раствора либо вводят небольшое количество более сильных карбидообразователей для образования вместе с углеродом упрочняющей карбидной фазы. Во избежание сильного охрупчивания количество вводимых элементов должно быть невелико. Часто используют оба способа легирования.

Составы и жаропрочные свойства некоторых сплавов на основе ниобия и молибдена приведены в таблице 2.



Табл.2 Жаропрочные свойства сплавов на основе ниобия и молибдена.



Список литературы

1. Рогов В.А. Современные машиностроительные материалы и заготовки.- М., 2008.- 336с.

2. Таранцева К.Р. Материаловедение. Учебное пособие. - Пенза: Изд-во ПГТА.. 2011. - 265 с.

3. Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 2008. - 544 с.

4. Материаловедение и технология металлов/ Под ред. Г. П. Фетисова.- М., 2008.- 877с.

5. Бондаренко Г.Г. Материаловедение - М.: Издательство Юрайт, 2013. - 359 с.

6. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник для студ. высш. учеб. заведений / под ред. В.Б. Арзамасова, А.А. Черепахина. - М., 2009.

7. Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка) - М., 2008. - 288с.

8. Оськин В.А. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. - М., 2008. - 447с.

9. Черепахин А.А. Технология конструкционных материалов: Обработка резанием. - М., 2008. - 288с.

10. Таранцева К.Р. Выбор конструкционных материалов Учебное пособие. Пенза. Изд-во ПГТА, 2011, 119 с.

11. http://material.osngrad.info/node/116

12. http://supermetalloved.narod.ru/lectures_materialoved.htm

13. http://lib.ssga.ru

Размещено на Allbest.ru