1.3.2. Оптимизация состава сплавов

Определение оптимального состава нового сплава производится с использованием методов математического планирования экспериментов //. После проведения серии экспериментов (проведения плавок сплавов с содержанием основных компонентов на двух уровнях) и обработки полученных результатов получают математическую модель зависимости механических и технологических свойств сплава от его состава в виде полинома первой степени

y = b_o + ∑b_ix_i + ∑b_ijx_ix_j,

где y – исследуемое свойство сплава;

b_o – свободный член уравнения, характеризующий значение свойства на основном уровне легирующих элементов;

x_i, x_j - содержание легирующих элементов;

b_i, b_ij – коэффициенты регрессии, характеризующие влияние легирующих элементов на свойство.

При помощи математических моделей можно построить номограммы зависимостей исследуемых свойств от химического состава, по которым легко найти пределы содержания легирующих элементов, обеспечивающих требуемый уровень свойств, или определить какие свойства будет иметь сплав при данном составе. Если по каким-то свойствам изученная область составов сплава не обеспечивает требуемый уровень, то проводится поиск оптимального состава сплава методом крутого восхождения.

Следует отметить, что составы некоторых давно применяемых сплавов также требуют уточнения (оптимизации). Опыт практического использования многих литейных сплавов показывает, что при определенных соотношениях концентраций легирующих элементов фактические свойства существенно отличаются от свойств заявленных в нормативном документе. Наиболее нежелательным является вариант, когда состав сплава отвечает требованиям стандарта, а одно или несколько свойств не удовлетворяют требованиям того же стандарта. Отливки должны быть отправлены в брак.

Рассмотрим подобную ситуацию на следующем примере. На многих заводах, где использовали литейную латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2, при испытаниях механических свойств относительное удлинение некоторых плавок оказывалось ниже допустимого значения 7 %. Отливки приходилось отправлять на переплавку.

Состав латуни по ГОСТ 17711 – 80 следующий: 64 – 68 % Cu, 4 – 7 % Al, 2 – 4 % Fe, 1,5 – 3,0 % Mn, ост. Zn. Для выяснения степени влияния легирующих элементов на механические свойства произвели корреляционный анализ // выборки (n = 100) из журнала регистрации производственных плавок латуни. Оказалось, что статистически значимое влияние на прочность и пластичность оказывали только медь и алюминий. Уравнения регрессии, характеризующие это влияние, имели следующий вид:

δ = 51,6 – 6,4 % Al, (%),

δ = 123,95 – 2,0 % Cu, (%),

σ_в = 453 – 52,4 % Al, (МПа),

σ_в = 1449,3 – 9,72 % Cu, (МПа).

Графически данные зависимости представлены на рис. 6. При содержании алюминия на верхнем уровне, а меди на нижнем пластичность снижается к допустимому значению δ = 7%.

Рис. 6. Корреляционные зависимости между механическими свойствами латуни и содержанием в ней алюминия (а) и меди (б).

Чтобы учесть совместное влияние меди и алюминия, были найдены коэффициенты множественной линейной корреляции:

δ = 54,9 – 6,9 % Al + 1,64 % Cu, (%)

σ_в = 769 + 92,6 % Al – 8,6 % Cu, (МПа).

На рис. 7 нанесены линии равного относительного удлинения (сплошные) и равной прочности (пунктирные), рассчитанные при помощи этих уравнений. Почти все сплавы с составом в пределах, установленных ГОСТ 17711 – 80, будут иметь прочность выше требований стандарта (σ_в = 750 МПа). В то же время у латуней с составом, лежащим в заштрихованной области, относительное удлинение будет меньше допустимого (δ = 7 %).

Рис. 7. Зависимость механических свойств латуни ЛАЖМЦ 66 – 6 – 3 – 2 от содержания Cu и Al.

Таким образом, установлена «запретная» область химических составов латуни ЛЦ23А6Ж3Мц2, соответствующих ГОСТ 17711 - 80, но ведущих к браку по низкой пластичности.

Вопросы для самоконтроля

1. Классификация чистых металлов.

2. Какие металлы, и для каких целей используют в промышленности в чистом виде?

3. Какое влияние оказывают примеси на свойства чистых металлов?

4. Как маркируют чистые металлы?

5. Что такое сплав?

6. Приведите классификацию сплавов.

7. Чем отличаются литейные сплавы от деформируемых?

8. Что такое синтез сплавов?

9. На чем основан синтез сплавов?

10. Какими путями можно упрочнить сплав?

11. На какие группы можно поделить химические элементы по отношению к базовому металлу?

12. Перечислите основные типы начальных участков диаграмм состояния.

13. По каким критериям производят оценку влияния добавок на базовый металл?

14. Что характеризует коэффициент распределении?

15. В чем сущность оптимизации состава известных сплавов?

16. Какие виды ТО применяют для цветных сплавов?