С температуры 800-1000"С (обычно сплавы закаливают с ковочной температуры). В результате закалки образуется мягкий мартенсит (HRC 10-15), хорошо поддающийся деформированию в холодном состоянии. Затем материал подвергают старению, выдерживая его в течение почти 3 ч при 450- 500 "С После старения предел прочности повышается до 2100 -2300МПа при отношении ао,2Мв*1; мартенсит приобретает твердость до HRC 50, сохраняя высокую пластичность (8 = = 10-5-12%) и вязкость (й„ =

= 0,8 1,2 МДж/м). Упрочнение обусловлено преимущественно образованием интерметал-лидов типа Ni(Ti, А1) и Ni2(Ti, AI, Мо).

Мартенситостареющие стали обладают превосходными технологическими свойствами. Термообработка этих сталей очень проста и обеспечивает сквозную закалку деталей практически любых сечений и конфигураций. Старение не вызывает коробления изделий и, следовательно, может являться заключительной технологической операцией. Эти сплавы можно обрабатывать горячей пластической деформацией (ковкой, штамповкой, прокатыванием). В закаленном состоянии до старения их можно обрабатывать давлением вхолодную. Механическая обрабатываемость сплавов хорошая; они поддаются сварке и после закалки, и после старения. Разупрочнение в зоне сварного шва при сварке в состаренном состоянии устраняют повторным старением.

Мартенситостареющие стали коррозиестой-кие, поддаются упрочнению наклепом. Азотированием им можно придать высокую поверхностную твердость (НУ 1000-1200). Вследствие высокой пластичности стали мало чувствительны к концентрации напряжений.

Недостатком мартенситостареющих сплавов является повышенное содержание дефицитных никеля и молибдена. Введением 1,5-2% Мп можно получить высокие показатели прочности и вязкости при содержании не более 8-12% Ni.

Способ упрочнения низкоуглеродистых сталей многократной механик о-термической обработкой (ММТО) заключается в 5 -6-кратной деформации, соответствующей при каждой ступени нагружения длине площадки текучести на шаграмме напряжений (суммарная деформация 6-8%), до полного исчезновения площадки текучести. Затем следует старение при 100- 200°С в течение 10-20 ч. В результате этой обработки предел текучести повышается на 25-30% (становясь практически равным пределу прочности), а предел вьшосливости - на 30 - 50%.

Применяют дополнительное упрочнение путем приложения магнитного поля.

вызывающего в силу известного явления маг-нитострикции объемный наклеп материала (термомеханомагнитная обработка).

Одни из вариантов магнитного упрочнения (способ Бассета) состоит в закалке с 900-1200°С в расплаве солей при 200 - 400 "С в постоянном магнитном поле напряженностью (8-24)10* А/м, создаваемом с помощью катущек, расположенных вокруг закалочного бака,После выдержки в течение 20 мин производят закалку в воду, обработку холодом (для перевода остаточного аустенита в мартенсит) и отпуск при 150- 250°С. Магнитная обработка низколегированных сгалей (0,3-0,4 % С; 1. % Сг; 0,5 -1 % Мо) повыщает прочность на 10-20% по сравнению с исходной.

При ультразвуковом упрочнении заготовку подвергают воздействию колебаний частотой 20 - 25 кГц с амплитудой давления звукового поля 2,5 - 5 МПа, передаваемых через жидкую фазу или жесткий контакт.

Упрочнение обусловлено увеличением плотности дислокаций.

Продолжительность обработки 2 - 5 мин. Процесс интенсифицируется, если при озвучивании подвергнуть заготовку действию растягивающих напряжений, не превышающих предела упругости материала.

Упрочнению ультразвуком поддаются низкоуглеродистые стали, стали ферритного и аустенитного классов и цветные металлы, эффект упрочнения которых особенно велик.

Новый способ упрочнения - гидростатическое прессование (объемная штамповка, экструзия) металла при сверхвысоком давлении. В условиях всестороннего сжатия при таких давлениях резко повышается пластичность; даже самые твердые и хрупкие материалы (интерметаллиды, карбиды, бо-риды, керамика) приходят в состояние текучести и легко заполняют формы. В процессе обжатия происходит повышение прочности и вязкости, которое не теряется и при последующем отжиге металла. Так, например, прочность молибденовых сплавов увеличивается в 2 - 3 раза, вязкость в 15 - 20 раз, пластичность в 10 раз. Гидростатическое прессование используется и как способ упрочнения, и как способ точной обработки наиболее трудноде-формируемых материалов.

В ближайшем будущем в результате применения комбинированных методов упрочнения вероятно появление материалов с пределом прочности 4000- 5000 МПа.

Появление высокопрочных сталей ставит с особой остротой вопросы жесткости. Модуль упругости сталей имеет постоянное значение и мало зависит от термообработки и содержания (в обычных количествах) легирующих элементов. Так как упругие деформации пропорциональны отношению напряжений

К модулю упругости, то с повышением напряжений (а в этом и состоит смысл применения высокопрочных материалов) деформация возрастает пропорционально напряжениям; жесткость падает обратно пропорционально.

Это справедливо в предполо}кении, что длина деталей не изменяется, как это и бывает в большинстве случаев. Линейные размеры конструкции обычно заданы условиями работы машины. У генераторов и преобразователей энергии эти размеры зависят от рабочего объема и параметров рабочего процесса (например, у двигателей внутренцего сгорания - от размеров цилиндра, зависящих, в свою очередь, от рабочего давления газов); у машин-орудий - от габаритов изделий, подвергаемых обработке на данной машине; в металлоконструкциях - от строительной длины и высоты сооружений. Во всех этих случаях применение высокопрочных материалов может влиять лишь на сечение, но не на длину деталей.

В машинах, линейные размеры которых зависят только от прочности материалов (например, редукторы), применение высокопрочных материалов позволяет наряду с уменьшением сечений уменьшить длину деталей и габариты конструкции в целом. В данном случае жесткость конструкции не снижается от применения высокопрочных материалов.

Разберем случай, когда линейные размеры деталей не меняются. Пусть из двух равнопрочных на растяжение брусков одинаковой длины один изготовлен из углеродистой стали 45 с пределом прочности 500 МПа, а другой - из сверхпрочной стали с пределом прочности 5000 МПа. Жесткость второго бруска под нагрузкой, очевидно, в 10 раз меньше жесткости первого.

Оценим абсолютное значение деформаций. Возьмем шатун двигателя внутреннего сгорания длиной L = 400 мм. Если напряжение сжатия от силы вспышки в шатуне, изготовленном из обычной стали, равно 200 МПа, то упругая деформация сжатия

а 200

Деформация сжатия шатуна, выполненного из сверхпрочной стали и имеющего сечения, пропорционально уменьшенные из условия одинаковой прочности, очень большая - 4 мм. При изгибе и кручении снижение жесткости еще больше.

Пусть вал диаметром D = 60 мм и длиной L = = 300 мм оперт по концам и нагружен посередине силой Р. Максимальная стрела прогиба вала под действием изгибающего момента (Л/„з = 0,25 PL)

4SEI Так как I = 0,5WD, то

12£/

Если напряжение изгиба в- вале из углеродистой стали равно 200 МПа, то

200 300

/ =---X 0,24 мм.

210000 6.60

Стрела прогиба вала из сверхпрочной стали с геометрически подобными сечениями и одинаковой длиной будет согласно формуле (386) больше в отношении

где индексы относятся к параметрам вала из сверхпрочной стали.

По условию равнопрочности

Следовательно,

6EDW

Е 6D

(386)

т. е. стрела прогиба вала из сверхпрочной стали имеет очень большое значение -21,5-04 w 5 мм.

Таким образом, применение сверхпрочных металлов с полным использованием их прочностного ресурса и уменьшением сечений детали без соответствующего сокращения длины может привести к прямо катастрофическому уменьшению жесткости.

В случае растяжения-сжатия способов борьбы с уменьшением жесткости нет, так как при данных а и £ деформация определяется только площадью сечения и не зависит от его формы. Вследствие этого ферменные и стержневые системы, выполненные из сверхпрочных сталей, неизбежно будут обладать пониженной жесткостью.

При изгибе и кручении можно до известной степени повысить жесткость обычным путем - увеличением диаметральных размеров №. тали с одновременным утонением ее стенок. Однако с увеличением моментов инерции одновременно увеличиваются и моменты сопротивления деталей, что сопровождается уменьшением напряжений. Таким образом, этот путь сводится к снижению напряжений, что скрадывает основное преимущество высокопрочных материалов; возможность повышения расчетных напряжений с соответствующим выигрышем в массе. Это преимущество удается реализовать лишь отчасти и при очень большом утонении стенок (до величины порядка 1 - 2 мм для обычных деталей в общем машиностроении), т. е. при переходе на оболочковые конструкции.

Для некоторых деталей (дисков, отсеков, зубчатых колес, шатунов, рычагов, валов) эта форма осуществима, хотя и требует коренного изменения конструкции и технологии изготов-

ления. Поэтому наряду с увеличением моментов инерции необходимо применять другие средства уменьшения деформаций: сокращение длины деталей, более тесную расстановку опор и т. д. Во всяком случае применение сверхпрочных материалов ставит перед конструкторами и технологами новые задачи, решение которых требует значительных творческих усилий.

Положительной особенностью деталей из высокопрочных сталей является высокая способность противостоять ударным нагрузкам, обусловливаемая большой величиной упругих деформаций. Сопротивляемость ударным нагрузкам приблизительно пропорциональна ао.2 и при стЬ.г/оо.г = Ю в 100 раз больше, чем у обычных сталей.

ЛЕГКИЕ СПЛАВЫ

Алюминиевые сплавы. Алюминиевые сплавы обладают малой плотностью (3 кг/дмР), высокой теплопроводностью [X, = 0,12 -г- 0,18 Br/iM-C) и удовлетворительной прочностью; пластичны и хорошо обрабатываются режущим инструментом. Многие из них можно сваривать с помощью аргонодуговой или ар-гонной дуговой сварки с неплавящимися вольфрамовыми электродами. Применяют также газовую сварку под флюсом (LiCl, NaCl, KCl, KF). Листовые материалы сваривают контактной сваркой.

Алюминиевые сплавы "противостоят коррозии в сухой атмосфере, устойчивы против действия щелочей и слабых растворов кислот, но подвержены коррозии в условиях влажного (особенно морского) воздуха; неустойчивы против действия сильных кислот, мягки (НВ 60-1.30). В интервале O-IOCC коэффициент линейного расширения а = (20 -г 26) 10~. Модуль упругости Е = (7,0 - 7,5) 10* МПа.

Прочность алюминиевых сплавов быстро падает с повышением температуры (хотя еть сплавы, сохраняющие удовлетворительные механические, качества до 250 -400С).

Алюминиевые сплавы делятся на литейные и деформируемые.

Для литья применяют сплавы систем: А1 - Сп; Al-Zn; Al-Mg; Al-Si; Al-Cu-Si; Al-Zn -Si (табл. 11). Наиболее прочны сплавы Al-Mg; однако их литейные свойства невысокие. Сплав АЛ 13 повышенной коррозионной стойкости и жаропрочности используют для изготовления термически напряженных деталей. Для отливок несложной формы широко применяют сплавы АЛ7 и АЛ 19.

Наилучшими суммарными показателями обладают сплавы А1 - Si (силумин ы). Они отличаются малой плотностью (2.6 - 2,7 кг/цм), хорошими литейными свойствами, свариваемостью и повышенной коррозионной стойкостью. Силумины применяют для литья тонкостенных деталей сложной формы. Для

11. Литейные алюминиевые сплаиы