Лекции по "Материаловеденю"

1. Авиация и ракетостроение - корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, лопатки компрессора, детали крепежа, фюзеляжа. Следует отметить, что у аппаратов, летящих со сверхзвуковой скоростью, обшивка сильно нагревается (при скорости, равной тройной скорости звука), температура достигает 246...316 °С. Для таких условий наиболее приемлемы титановые сплавы.
2. Химическая промышленность - компрессоры, клапаны, вентили для агрессивных жидкостей.
3. Оборудование для обработки ядерного топлива.
4. Морское и речное судостроение - гребные винты, обшивки морских судов, подводных лодок.
5. Криогенная техника, так как высокая ударная вязкость титановых сплавов (100...160 Дж/см²) сохраняется до температуры жидкого водорода (-253° С) и даже до -269 ^оС.

Интервал наивыгоднейшего применения титановых сплавов простирается от глубокого холода (не хладноломкий даже в жидком гелии) до 500-600 ^оС. Во всем этом температурном интервале титановые сплавы превосходят по своим свойствам все другие конструкционные металлические материалы.

Благодаря большой удельной прочности (280) в космической технике широко применяют чистый титан и однофазные сплавы ВТ5-1 и ОТ4. Они пластичны, легко свариваются, не требуют термической обработки соединений. Более прочные, но менее пластичные сплавы ВТ3-1 и ВТ6 с двухфазной структурой. Они применяются при температурах – 196 ^оС.

8.2. Алюминий и его сплавы

8.2.1. Свойства алюминия

Алюминий (Аl) – один из важнейших промышленных металлов, применяется в чистом виде и является основой многих легких сплавов.

Технический алюминий имеет невысокую прочность, но хорошую пластичность. Решетка Аl – ГЦК, температура плавления 662 ^ОС.

Ввиду низкой прочности  применение аллюминия как конструкционного материала ограничено. Алюминий имеет  высокую теплопроводность, электропроводность, хорошую коррозионную стойкость. Электропроводность чистого алюминия составляет 60% электропроводности меди, что обеспечивает алюминию при его малой плотности (2,73 г/см³) широкое применение в электротехнике в качестве проводников. Электропроводность и теплопроводность понижается с уменьшением чистоты.

Алюминий имеет большую  химическую стойкость на воздухе  и внекоторых других средах (за счет тонкой плотной защитной окисной  пленки на поверхности).

Коррозионная стойкость  алюминия обеспечивает его применение в химическом аппаратостроении, в быту и других областях. Ввиду низкой прочности технический алюминий применяют для ненагруженных деталей и элементов конструкций: рамы, двери, трубопроводы, фольга, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуда, теплообменники в промышленных и бытовых холодильниках, конденсаторы, провода воздушных линий электропередач, кабели, обмотки и др.

По ГОСТ 11069-74В зависимости  от степени чистоты первичный  алюминий делится на три класса и маркируется следующим образом:

• особой чистоты А999 (99,999% А1);
• высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (99, 995 99, 95 % А1);
• технической чистоты А85, А8, А7, А7Е, А6, А5, А5Е, А0 (99,85...99,0 % А1). В качестве постоянных примесей в алюминии присутствуют железо, кремний медь марганец, цинк и титан.

В качестве основных легирующих элементов в алюминиевых сплавах  применяют медь, магний, кремний, марганец, цинк, реже никель, бериллий и др.

Алюминиевые сплавы классифицируют по:

• технологии изготовления;
• способности к термической обработке;
• свойствам.

По технологии изготовления все сплавы алюминия можно разделить на три группы (рис.8.3): деформируемые, литейные и спеченные (получаемые методом порошковой металлургии).

Рис. 8.3 – Классификация  алюминиевых сплавов по двойной  диаграмме состояния: 1) сплавы, не упрочняемые  термической обработкой; 2) сплавы, упрочняемые  термической обработкой

По способности к термической обработке деформируемые алюминиевые сплавы делятся на сплавы неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

К деформируемым алюминиевым  сплавам неупрочняемым термической обработкой относятся сплавы алюминия с низким содержанием марганца (Мц) и магния (Мг). ГОСТом 4784-74* определены следующие марки этих сплавов: АМц, АМцС, АМг1, АМг2, АМгЗС, АМгЗ, АМг4, АМг4,5, АМг5, АМг6. Цифры, следующие за буквами, соответствуют примерному содержанию магния в этих сплавах. В сплавах АМц, АМцС марганца содержится до 1,6 %. Используются в отожженом (мягком), нагартованном и полунагартованном состояниях, что дополнительно отмечают в обозначении марки буквами М, Н или П соответственно (АМгЗМ, АМгЗН, АМгЗП).

Рис. 8.4 -  Микроструктура сплава АМг6 после отжига, х300

Все остальные алюминиевые  сплавы относятся к упрочняемым термической обработкой.

Сплавы нормальной прочности на основе системы А1-Сu-Мg называются дуралюминами и обозначаются буквой Д. ГОСТ 4784-74* определяет марки дуралюмина: Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17. Цифры означают условный порядковый номер сплава.

Рис. 8.5 - Микроструктура дюралюмина Д16, х250: а) после отжига; б) после закалки

Высокопрочные алюминиевые сплавы (системы А1-Zn-Мg-Сu) обозначаются буквой В. ГОСТ 4784-74* определяет марки В93, В94, В95, В96, В96Ц1. Цифры означают условный порядковый номер сплава. В марке сплава В96Ц1 присутствует цирконий (Ц1) от 0,1 до 0,15%.

Эффективным повышением конструктивной прочности является снижение содержания примесей с 0,5 – 0,7 % (ГОСТ 4784-74) до 0,1–0,3 % (чистый сплав) иногда до сотых долей процента (сплав  повышенной чистоты). Тогда в марке сплава добавляются буквы “ч” или “пч”.

Например: Д16ч, В95пч.

Алюминиевые сплавы повышенной пластичности и коррозионной стойкости обозначаются буквами АД-алюминий деформированный. ГОСТ 4784-74* определяет марки АД31, АДЗЗ, АД35, АВ (сплав авиаль). Цифры указывают чистоту алюминия.

Литейные алюминиевые  сплавы маркируются буквенно-цифровым кодом - АЛ2, АЛ1, АЛ14-В, АЛЗО и т.д. (ГОСТ 2685-75). Буквы означают алюминиевый литейный сплав, цифры - условный порядковый номер. Наилучшими литейными свойствами и малым удельным весом обладают сплавы системы А1-Si, называемые силуминами (АЛ2, АЛ4, АЛ4В, АЛ9, АЛ9В, ВАЛ5). Буква В в конце марки указывает, что отливки изготовляются в чушках; буква В в начале марки указывает, что сплав высокопрочный.

Буква А в марках означает алюминиевый сплав, остальные буквы и цифры - название легирующего компонента и его содержание. В конце марки иногда указывается степень чистоты сплава: ч - чистый, пч - повышенной чистоты, оч - особой чистоты.

Пример расшифровки  сплава АК12М2МгН – алюминий литейный, содержащий кремния 11-13 % (К12), меди 1,5-3 % (М2), магния 0,8-1,3 % (Мг), никеля 0,8-1,3 % (Н), остальное - алюминий.

Маркировка алюминиевых  сплавов не отличается системой и  единообразием. Поэтому в настоящее  время вводится единая четырехцифровая маркировка алюминиевых сплавов. Первая цифра обозначает основу всех сплавов (алюминию присвоена цифра 1); вторая - главный легирующий элемент или группу главных легирующих элементов; третья цифра или третья со второй - соответствует старой маркировке; четвертая цифра - нечетная (включая 0) указывает что сплав деформируемый, четная - что сплав литейный.

Например, сплав Д1 обозначают: 1110, Д16-1160, АК4-1140, АМг5-1550, АК6-1360 и т.д. Некоторые новые сплавы имеют  только цифровую маркировку - 1915, 1925 и др.

8.2.2. Назначение алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы благодаря  низкой удельной прочности (s_в/ s) широко применяются в промышленности.

Деформируемые алюминиевые сплавы, хорошо обрабатываются прокаткой, ковкой, штамповкой.

Сплавы типа АМц и АМг имеют невысокую прочность, хорошую пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость. Упрочняются они только холодной пластической деформацией. Применяют их для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой: трубопроводы для бензина и масла, сварные баки. заклепки, переборки, корпуса и мачты судов, узлы подъемных кранов, рамы вагонов', кузова автомобилей и др.

Дуралюмины характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности, хорошо свариваются точечной сваркой и практически не свариваются плавлением из-за высокой склонности к трещинообразованию. Применяются: Д1 - для лопастей воздушных винтов, узлов креплений, строительных конструкций и др.; Д16, Д19 - для силовых элементов конструкций самолетов (шпангоуты, нервюры, тяги управления, лонжероны), кузовов грузовых автомобилей, буровых труб и др.; Д18 - для заклепок; ВД17 - для лопаток компрессора двигателей, работающих при температуре до 250°С.

Высокопрочные сплавы отличаются высокими временным сопротивлением и пределом текучести, но не являются теплопрочными, их можно использовать до температур не выше 100-120°С. Сплавы применяют для высоконагруженных конструкций, работающих в основном в условиях напряжений сжатия (детали обшивки, стрингеры, шпангоуты, лонжероны самолетов и др.). Сплав В95 является наиболее универсальным, по прочности значительно превосходит дуралюмины (при нормальной температуре). Сплав В96Ц1 - наиболее высоколегированный и самый прочный из всех деформируемых алюминиевых сплавов. Однако он уступает сплаву В95 в пластичности и коррозионной стойкости.

Ковочные алюминиевые  сплавы имеют, повышенную пластичность в горячем состоянии, стойки к образованию трещин при горячей пластической деформации, удовлетворительно соединяются точечной и шовной сваркой. Сплав АК6 применяют для изготовления сложных штамповок (крыльчатки вентиляторов для компрессоров реактивных двигателей, корпусные агрегатные детали, крепежные детали и др.). Сплав АК8 применяют для высоконагруженных деталей самолетов, изготовленных ковкой и штамповкой (рамы, фитинги, пояса лонжеронов и др.). Сплавы АК4 и АК4-1 сохраняют механические свойства при повышенных температурах, стойки против окисляющего воздействия горячих газов, износостойки. Используют их для изготовления деталей реактивных двигателей (крыльчатые насосы, колеса, компрессоры, заборники, диски, лопатки, обшивки и силовые каркасы сверхзвуковых самолетов).

Деформируемые алюминиевые сплавы типа АД и АВ имеют высокую пластичность, коррозионную стойкость, достаточную пластичность, удовлетворительно свариваются. Сплав АД31 применяется для изготовления деталей невысокой прочности (для отделки кабин самолетов и вертолетов с различными цветовыми покрытиями; в строительстве для дверных рам, оконных переплетов, эскалаторов; в автомобильной, легкой и мебельной промышленности). Сплав АДЗЗ применяется для деталей средней прочности работающих с коррозионной стойкостью во влажной атмосфере и морской воде (лопасти вертолетов, барабаны колес гидросамолетов). Сплав АВ применяется для деталей, от которых при изготовлении требуется высокая пластичность в холодном и горячем состоянии (лопасти вертолетов, штампованные и кованые детали сложной конфигурации).

Литейные алюминиевые  сплавы должны иметь хорошую жидкотекучесть, малую усадку, низкую склонность к образованию горячих трещин и пористости, а также высокие механические и антикоррозионные свойства. По назначению литейные алюминиевые сплавы условно разбивают на сплавы:

1. отличающиеся высокой герметичностью (АК12 (АЛ2), АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9), АК7пч (АЛ9-1), ВАЛ8, АЛ34), используемые для изготовления мелких, средних и крупных литых деталей ответственного назначения - корпусов компрессоров, картеров, двигателей внутреннего сгорания, турбинных колес турбохолодильников, вентиляторов, деталей авиационных колес, барабанов, кронштейнов и др.,
2. высокопрочные жаропрочные сплавы (АМ5 (АЛ19), АК5М5 (АЛ5), АК5Мч (АЛ5-1), АЛЗ, АЛЗЗ), используемые дли крупногабаритных отливок, получаемых в основном в песчаных формах (АЛ19), для корпусов арматуры и приборов, головок цилиндров двигателей воздушного охлаждения и др.;
3. коррозионно-стойкие сплавы (АЦМг (АЛ24), АЛ8, АЛ22, АЛ27, АЛ27-1), применяемые для изготовления силовых деталей, работающих, при температурах от -60 до +60°С, для деталей, работающих в различных климатических условиях, включая воздействие морской воды и тумана.

Антифрикционные материалы предназначены для изготовления подшипников (опор) скольжения, которые широко применяют в современных машинах и приборах из-за их устойчивости к вибрациям, бесшумности в работе, небольших габаритов.

Антифрикционность — способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали - стального или чугунного вала.

Антифрикционные свойства алюминиевых сплавов достаточно высоки. Из-за хорошей теплопроводности граничный слой смазочного материала на этих сплавах сохраняется при больших скоростях скольжения и высокого давления.

8.3. Медь и ее сплавы

8.3.1. Основные свойства

Медь (Cu) среди технических металлов занимает особое место. Чистая медь (рис. 8.6) обладает высокой теплопроводностью, электропроводностью (r = 0,0178 Ом * см²/м), достаточно высокой коррозионной стойкостью, высокой пластичностью в горячем и холодном состоянии.

Рис. 8.6 - Микроструктура литой отожженной меди, х200

Медь имеет решетку  ГЦК, с параметром 3,608 А^о (0,3608 Нм), плотность меди 8,94 г/см³, температура плавления 1083 °С. Механические свойства отожженой меди: s_в = 250 – 280 МПа, d = 20 – 30 %.

Медь проводниковый  материал. По ГОСТ 859-78 в зависимости  от содержания примесей, различают  марки технической меди:

МООб – 99,99 % Cu      МО – 99,97 % Cu      М1р – 99,90 % Cu     М2 – 99,7 % Cu     М3 – 99,5 % Cu

Буква “б” в конце означает бескислородная, “р” – раскисленная.

Наиболее вредная примесь  – кислород (рис. 8.7). По мимо ухудшения  проводимости кислород при отжиге изделий  из чистой меди в водороде вызывает растрескивание, потерю прочности. Отожженная медь имеет более высокую проводимость, а нагартованная – большую прочность

Рис. 8.7 - Микроструктура литой меди, содержащей кислород, х250

Отожженную медь используют для обмоточных проводов и кабельных  изделий, нагартованную – для  подвесных токонесущих и контактных проводов.

Из меди изготавливают: катоды, проволоку, прутки, полосы, ленты, шины, которые используются в электротехнических целях, трубы разных размеров – в теплотехнике, холодильных установках и т.д.

Для изделий, от которых  требуется прочность выше 400 МПа используют сплавы меди.

8.3.2. Латунь

Латуни – двойные и много компонентные медные сплавы, с основным легирующим элементом – цинком.

По сравнению с медью  латуни обладают более высокой прочностью и коррозионной стойкостью.