В биметаллической детали Соединяющим звеном между ее частями является диффузионный слой, который состоит из кристаллитов (блоков) твердых и хрупких интерметаллических соединений. Это, естественно, отрицательно сказывается на прочности слоя. Однако прочность слоя в значительной степени зависит также и от его толщины.
Обработка данных многочисленных прочностных испытаний и анализ микроструктур переходного слоя позволили установить, что прочность соединения алюминия со сталью тем выше, чем тоньше слой интерметаллических соединений.
статорВ слое большой толщины имеются поры и значительные внутренние напряжения, приводящие иногда к возникновению трещин.
Для определения фактического места разрушения сталеалюминиевого соединения (сочетания Ст. З – АМг5 и 10Х18Н9Т – АМг5) были выполнены опыты, при которых образец не доводился до разрушения при испытании на разрыв, а нагрузка снималась после появления первой трещины. Из образца изготавливали шлиф. Изучение шлифов показало, что разрушение соединения при развитой ширине интерметаллического слоя всегда происходит не по алюминию, а по слою интерметаллического соединения.
Высказаны предположения, что различие коэффициентов линейного расширения сплавляемых металлов должно способствовать развитию в зоне сплавления кристаллизующейся фазы и скоплению субмикроскопических дефектов типа вакансий и дислокаций.
Таким образом, опыты подтвердили, что наиболее опасным местом сталеалюминиевого соединения является прослойка интерметаллической фазы. Поэтому уменьшение толщины этого интерметаллидного слоя или его полное удаление, а также снижение его твердости и хрупкости должны повышать прочностные свойства комбинированного соединения. Известно, что хрупкие материалы плохо сопротивляются разрывным нагрузкам, но удовлетворительно работают в условиях сжатия. Следовательно, диффузионный слой может быть наиболее успешно использован лишь в условиях сжатия. Практически это выполнимо в случае литья. При изготовлении биметаллических отливок соблюдается принцип всесторонней обливки арматуры: в этих условиях диффузионный слой постоянно сжимается алюминиевым сплавом и, таким образом, сообщает биметаллической детали необходимую прочность.
При эксплуатации биметаллические детали нагреваются. При этом алюминиевая часть детали, имеющая значительно больший (почти в два раза) линейный коэффициент термического расширения (сжатия), расширяется сильнее, чем железная часть, и уменьшает усилие сжатия, а при значительном расширении даже изменяет знак напряжений. В этих условиях диффузионный слой работает уже на разрыв, и прочность биметаллической стали резко уменьшается. Если к тому же деталь испытывает и некоторые механические нагрузки, то она может разрушиться.
Таким образом, прочность биметаллической детали в процессе ее эксплуатации обеспечивается всесторонним сжатием диффузионного слоя, предельной температурой нагрева детали, минимальными механическими нагрузками и, естественно, зависит от прочности диффузионного слоя. Прочность переходного слоя достаточна, чтобы выдержать (без разрушения) термические напряжения, возникающие во время эксплуатации вследствие различных коэффициентов расширения железоуглеродистых и алюминиевых сплавов.
В отличие от других видов соединения (склеивание, пайка и др.) диффузионный слой не теряет своей прочности и при повышенных температурах. Рабочая температура ограничивается только жаропрочностью применяемых алюминиевых сплавов. Прочность слоя при 500 °С равна 2,5 – 3,0 кГ/мм2, причем разрыв происходит не по слою, как при нормальных температурах, а по алюминиевому сплаву.
Прочность и особенно пластичность переходного слоя в биметаллических отливках, у которых на границе стыка двух металлов интерметаллической фазы не образуется, например в соединении сталь – свинцовистая бронза, значительно выше.
В последнее время сталеалюминиевые соединения нашли широкое применение в различных ответственных конструкциях, а также в качестве переходных элементов при сварке стальных и алюминиевых деталей. Это стало возможным после отработки процесса алитирования стальных деталей, которые затем аргоно-дуговой сваркой привариваются к алюминиевым деталям. Если в процессе алитирования поверхности стальной детали ряда производств уделяется основное внимание чистоте покрытия, шероховатости и т. п., то при сварке главное – это прочность сцепления покрытия со стальной основой. При этом необходимо учесть, что при сварке алитированной детали с алюминием возможен последующий перегрев, при котором температура в зоне соединения компонентов может достигать температуры плавления алитированного слоя. В этом случае процессы диффузии вновь интенсифицируются, хрупкий промежуточный слой растет, что может привести к разрушению соединения. Как было показано, толщина промежуточного слоя зависит от химического состава стали и условий нагрева.
Диффузионное насыщение сталей и сплавов различными элементами приводит к существенному изменению некоторых физико-механических и электрохимических свойств, в частности выносливости. Так, порошковое алитирование на глубину 0,2 мм снижает предел выносливости среднеуглеродистой стали примерно в два раза.
На предел выносливости стали влияет также алитированный слой, полученный методом погружения. Это было установлено исследованиями, проведенными на вращающихся с частотой 50 гц образцах диаметром 8 мм при чистом изгибе на машинах типа МУИ 6000 и ФМИ 10.
За базу испытаний в воздухе было принято 107, а в коррозионной среде 5–107 циклов нагружения. Коррозиионной средой был 3 %-ный водный раствор хлористого натрия, по агрессивности имитирующий морскую воду. Алитирование производили методом погружения образцов в ванну жидкого алюминия марки АВ000, расплавленного в графитовом тигле под слоем специального флюса следующего состава: 44 % LiCl; 30 % NaCl; 9,3 % КС1; 16,7 % NаF.
После полного остывания алитированные образцы тщательно промывали горячей водой до полного удаления флюса. Температура алитирования составляла 750 и 850° С, продолжительность выдержки 0,5; 1; 1,5; 2 и 3 мин. Для решения вопроса, что является ответственным за снижение предела выносливости: образование на поверхности диффузионного слоя или термическое воздействие при нанесении покрытий, сталь без диффузионных покрытий была подвергнута термической обработке в соляной ванне по температурным режимам, соответствовавшим диффузионному насыщению. Предел выносливости после такой обработки находился в пределах 26 – 30 кг/мм 2.
Таким образом, при проектировании и расчете биметаллических конструкций, работающих при циклических нагрузках, необходимо учитывать, что диффузионное алитирование приводит к снижению предела выносливости.




  • Читать все новости