Компоненты и фазы системы железо-углерод

Компоненты и фазы системы железо-углерод

Сплавы железа с углеродом (стали, чугуны) являются наиболее распространенными материалами в машиностроении.

Железо (Fе) – блестящий светло-серый металл. Атомный номер 26, плотность 7870 кг/м³, температура плавления 1539 °C, температура кипения 2880 °C, модуль нормальной упругости 210 ГПа. Механические свойства железа зависят от его чистоты. Временное сопротивление при растяжении технически чистого железа составляет 300…400 МПа, предел текучести σ_Т=100…250 МПа, относительное удлинение δ=30…50 %, относительное сужение ψ=70…80 %, НВ=60…90 (600…900 МПа).

Углерод (С) в железоуглеродистых сплавах находится в химически связанном или свободном состоянии. Атомный номер 6, плотность 2600 кг/м³, температура плавления 4000 °C, температура кипения 4200 °C. Он имеет две кристаллические модификации – графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, он имеет гексагональную решетку; алмаз получается при высоких давлениях и температурах, имеет кубическую (метастабильную) решетку.

В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы могут образовывать несколько структурных составляющих (фаз).

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в a-железе, имеет кубическую объемно-центрированную решетку, максимальная растворимость при 727 °C составляет 0,02 % углерода. Феррит магнитен, на диаграмме состояния занимает область GPQ. Феррит характеризуется низкой прочностью (s_В=250 МПа, s_0,2=120 МПа) и твердостью (НВ 80…100) и высокой пластичностью (δ=50 %; ψ=80 %).

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе, имеет кубическую гранецентрированную решетку. Предельная растворимость углерода в γ-железе при температуре 1147 °C – 2,14 %. Аустенит немагнитен, на диаграмме состояния занимает область АЕSG. Он имеет твердость НВ 160 при d=40…50 %.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fе₃С), содержит 6,67 % углерода, температура плавления точно не установлена и принимается примерно равной от 1260 °C до 1600 °C. Цементит магнитен, характеризуется высокой твердостью (>800 НВ) и очень низкой пластичностью. Цементит является метастабильной фазой и при определенных условиях распадается с выделением свободного графита. В зависимости от условий образования различают цементит первичный, который образуется из жидкости при затвердевании расплава, вторичный – образуется при распаде аустенита и третичный – образуется при выделении углерода из феррита.

Графит представляет собой свободный углерод, он мягок, обладает низкой прочностью и электропроводностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений. Форма графитовых включений оказывает влияние на механические и технологические свойства сплавов.

Перлит (П) – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83 % углерода; образуется при 727 °C в результате распада аустенита в процессе его охлаждения: Fе_g(С)®Fе_a(С)+Fе₃С. Перлит может быть пластинчатым или зернистым. Это определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет прочность s_В=800 МПа, пластичность d=15 %, НВ=160…200.

Ледебурит (Л) – эвтектическая механическая смесь аустенита и цементита, образующаяся из жидкого расплава при 1147 °C и при содержании 4,3 % углерода. Твердость НВ 600…700, хрупок. Так как при температуре ниже 727 °C аустенит превращается в перлит, то ледебурит ниже этой температуры состоит из цементита и перлита.

Помимо упомянутых составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть неметаллические включения (соединения с кислородом, азотом, серой, фосфором и др.), которые с железом образуют различные фазы.

 

16)

 

Классификация чугунов

Чугуны – сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода превышает 2,14 % (как правило, от 2,14 до 3,7 %)..

Описанные преимущества чугуна делают его ценным конструкционным материалом, широко применяеямым в деталях машин, когда детали не испытывают значительных растягивающих и ударных нагрузок.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

1) белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск;

2) серый чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8 % углерода (из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет);

3) половинчатый – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2 % углерода находится в форме цементита (редко используется в технике).

В белых чугунах углерод находится в виде цементита Fe₃C. Место излома образца будет белым. В структуре доэвтектического чугуна HB 550 наряду с перлитом и вторичным цементитом присутствует хрупкая эвтектика (ледебурит), количество которой достигает 100 % в эвтектическом чугуне. Структура заэвтектического чугуна состоит из эвтектики (Л_п) и первичного цементита, выделяющегося при кристаллизации из жидкости в виде крупных пластин. Эти чугуны характеризуются высокой твердостью, трудно обрабатывается резанием. Главное свойство: высокая износостойкость. Белый чугун – хрупкий материал. Редко применяется в машиностроении. Используется при изготовлении жерновов на мельнице, прокатные валки на прокатных станках. Если отливка небольшая (до 10 кг), то образуется белый чугун при быстром охлаждении.

Кроме этого, применяется так называемый отбеленный чугун, который имеет в сердцевине структуру серого или высокопрочного чугуна, а в поверхностном слое повышенной твердости (HB 450…550) – ледебурит и перлит. Это создает высокую износостойкость, но резко ухудшает обрабатываемость резанием. Отбеленный чугун используют в ограниченных пределах для деталей простой формы, получающих чистую поверхность при литье, выполняемом отливкой в металлические кокили, т.е. в условиях ускоренного охлаждения поверхностных слоев.

В зависимости от формы графитовых включений различают чугун:

– серый на ферритной, феррито-перлитной и перлитной основах – пластинчатый графит,

– ковкий на ферритной, феррито-перлитной и перлитной основах – хлопьевидный графит,

– высокопрочный – шаровидный графит.

Серый чугун

В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый – с пластинчатым графитом; высокопрочный – с шаровидным графитом; ковкий – с хлопьевидным графитом.

Название чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. Весь углерод, имеющийся в сплаве, присутствует в форме графита.

Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами.

Структура не оказывает влияние на пластичность, пластичность остается чрезвычайно низкой. Но оказывает влияние на твердость. Механическая прочность в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита.

Графит пластинчатой формы. Графитовые включения можно считать в первом приближении просто пустотами, трещинами. Чем больше в чугуне графита, тем ниже его механические свойства, чем грубее включения графита, тем больше они разобщают металлическую основу, тем хуже свойства чугуна. При растягивающих нагрузках облегчается образование очагов разрушения по концам графитных включений.

Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций. Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию.

Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца – 0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %.

Обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности (кгс/мм²).

Ковкий чугун Включения графита в виде хлопьев. Получается такой чугун в две стадии: получение белого чугуна (отливка до 10 кг), графитизирующий отжиг (томление). Углерода в ковком чугуне 2,4-2,8 %. Графитизированный ковкий чугун плавят в электропечах. Получили ферритовый ковкий чугун, более пластичный. На П+Ф-основе. Если закончился процесс графитизации при 725°, по получаем перлитный ковкий чугун (более прочный).

Получают отжигом белого доэвтектического чугуна.

Ковкие чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора – до 0,2 %, серы – до 0,1 %.

Различают 7 марок ковкого чугуна: три с ферритной и четыре с перлитной основой.

По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным чугуном является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.

Обозначаются индексом КЧ (высокопрочный чугун) и двумя числами, первое из которых показывает значение предела прочности (кгс/мм²); а второе – относительное удлинение (%).

Высокопрочный чугун Включения в виде шаровидного графита. У него более высокая прочность. Эти чугуны пластичные. Это литейный сплав. Чугун прочнее стали. Магний (Mg) добавляется в эти чугуны в расплавленном виде, часто Mg возгорается и получение сопровождается взрывами. Mg вводится для образования шариков. Шарики более компактны, концентраторов напряжения мало.

Высокопрочные чугуны могут иметь ферритную, феррито-перлитную и перлитную металлическую основу. Получают эти чугуны из серых чугунов, в результате модифицирования магнием или церием (добавляется 0,03…0,07 % от массы отливки). По сравнению с серыми чугунами, механические свойства повышаются, это вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряжений из-за шаровидной формы графита.

Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8 %, кремния – 1,9…2,6 %, марганца – 0,6…0,8 %, фосфора – до 0,12 %, серы – до 0,3 %.Отливки коленчатых валов массой до 2 т, взамен кованых валов из стали, обладают более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, обладают лучшими антифрикционными свойствами и значительно дешевле.Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности:

ВЧ 60-5, 60 кгс/мм² – предел прочности, 5 % – относительное удлинение.

 

 

36) Дуралюмины – сплавы системы Аl – Сu (2,6…4,9 %) – Mg (0,25…2,5 %) с добавками Mn (0,15…0,9 %) всегда содержат десятые доли процента примесей железа и кремния, т.е. являются многокомпонентными сплавами с весьма сложным фазовым составом.

Классический дуралюмин Д1 отличается от сплава повышенной прочности Д16 меньшим содержанием магния, от дуралюминов повышенной жаропрочности Д19 меньшим соотношением Mg / Cu, от сплавов повышенной пластичности Д18, В65 повышенным содержанием этих компонентов. Основные легирующие элементы – Cu и Mg.

Количество Si и Fe стараются уменьшить, так как образуемые ими интерметаллиды нерастворимы в алюминии и, имея игольчатое строение, охрупчивают сплавы.

Термоупрочняющая обработка (закалка в воде и старение) позволяет значительно повысить свойства дуралюминов. Нагрев под закалку требует очень точного соблюдения температурного режима: 505±5 °C (для Д1, Д19), 500±5 °C (для Д16, Д18). Такая точность связана с опасностью расплавления вероятных в сплавах тройных эвтектик с температурами плавления 514 °C и 506 °C. Естественное старение сплавов продолжается от 4 до 10 суток (чем больше соотношение Mg / Cu, тем дольше идет старение).

Сплав Д1 используется все меньше, его заменяют сплавом Д16, обладающим хорошей долговечностью при переменных нагрузках. Из Д16 (s_В=520 МПа) изготовляют детали и элементы конструкций средней и повышенной прочности, обшивки, шпангоуты, стрингеры и лонжероны самолетов, кузова грузовых автомобилей и т.д. Сплавы Д18 и В65 идут на изготовление заклепок, применяющихся в самолетостроении.

Все дуралюмины свариваются контактной точечной сваркой, но имеют пониженную коррозионную стойкость по сравнению с другими алюминиевыми сплавами, поэтому нуждаются в дополнительной защите. Основное достоинство дуралюминов – более высокая, чем у других алюминиевых сплавов, вязкость разрушения, особенно у Д16.

Авиали (AB) – сплавы системы Аl – Mg – Si, обладают хорошей свариваемостью, высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, высоким пределом выносливости. Прочность авиалей ниже, чем у дуралюминов (s_В=220 МПа).

Авиали закаливают в воде при 515…525 °C и подвергают естественному или искусственному (160 °C, 12 ч) старению. Из них изготовляют листы, трубы и прочие полуфабрикаты, лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери и т.д.

Алюминий ковочный (АК) содержит медь, магний, марганец и кремний. Он отличается от авиалей повышенным содержанием меди, при этом сплав АК8 отличается от дуралюмина Д1 только содержанием специального компонента – Si (AK8 называют иногда супердуралюмином).

Закалку производят в воде с 505±5 °C (АК8) и с 520±5 °C (АК6) и подвергают искусственному старению (160…170 °C, 12…15 ч). Сплав АК8 значительно хуже сплава АК6 по вязкости разрушения, но лучше по свариваемости, оба сплава имеют низкую коррозионную стойкость и нуждаются в защите. Они отличаются хорошей пластичностью и высокой прочностью (s_В=420…480 МПа). Сплав АК6 используется для изготовления подмоторных рам, фитингов, крепежа, сплав АК8 – поясов лонжеронов, лопастей винтов вертолетов, бандажей вагонов.

Высокопрочные алюминиевые сплавы (В), кроме меди и магния, содержат цинк. Интерметаллиды (Al₂Mg₃Zn₃), придают им высокую прочность (s_В=550…700 МПа, s_0,2>500 МПа при d>10 %). Сплавы закаливают в воде (холодной или горячей) при 465…475 °C и подвергают последующему старению при 135…145 °C в течение 16 ч. По сравнению с дуралюминами высокопрочные сплавы обладают рядом недостатков: чувствительностью к концентраторам напряжений, пониженными усталостной прочностью и коррозирнной стойкостью под напряжениями. Сплавы В95 и В96 применяются в самолетостроении для нагруженных конструкций, длительно работающих при температуре выше 20…100 °C (обшивка, шпангоуты, лонжероны, силовые каркасы строительных сооружений и т.д.).

Жаропрочные сплавы Al – Cu – Mg – Si с добавками Fe, Ni (AK4-1) и Al – Cu – Mn – Si с добавками Ti и Zr (Д20) отличаются от других сплавов алюминия более сложным составом. Кроме типичных упрочняющих алюминиевые сплавы интерметаллидов, в жаропрочных сплавах образуются дисперсные, устойчивые против коагуляции при нагреве фазы Al₉FeNi и Al₆Cu₃Ni. В результате закалки с 525…535 °C (АК4-1) и с 535 °C (Д20) в воде и старения при 200..220 °C сплавы приобретают высокую прочность (s_В=430…400 МПа) при достаточно высокой пластичности (d=12…13 %), но главное, имеют высокую жаропрочность (до 300 °C). Из этих сплавов изготовляют обшивку сверхзвуковых самолетов, головки цилиндров, диски компрессоров турбореактивных двигателей и др.

 

39)

Медь

Медь – тяжелый цветной металл (красно-розового цвета), диамагнитный, температура плавления 1083 °C, температура кипения 2360 °С. Плотность r=8,96 г/см³. Кристаллическая решетка – ГЦК. Не имеет аллотропических модификаций.

Физические свойства: высокая электро- и теплопроводность, пластичность, хорошая коррозионная стойкость, хорошая жидкотекучесть и др.

Механические характеристики чистой меди (прокатанной и отожженной): предел прочности 250…270 МПа; относительное удлинение 40…50 %; относительное сужение 75 %; твердость НВ45.

Медь и ее сплавы хорошо обрабатываются давлением, но трудно резанием, свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке. Медь имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки. Медь устойчива к воздействию воздуха и воды, но окисляется в сернистых газах и аммиаке.

На поверхности меди образуется плотная оксидная пленка, благодаря чему она обладает хорошей коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, в органических кислотах и т.д. Однако медь плохо противостоит воздействию азотной и соляной кислот, горячей концентрированной серной кислоты, аммиака и др.

В чистом виде медь применяют для электротехнических целей (провода, кабели). Медь обладает высокой электропроводностью, незначительно уступая лишь серебру; ее электропроводность принимается за 100 %, а электропроводность всех остальных металлов берется в сравнении с ней.

Согласно ГОСТу техническую медь делят на марки:

– высокой чистоты МЭ (99,995 % Cu), М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu)

– технической чистоты М1 (99,9 % Cu), М2 (99,70 % Cu), М3 (99,5 % Cu), М4 (99 % Cu), М1_р, М2_р, М3_р.

Медь марок М1_р, М2_р, М3_р характеризуется пониженным содержанием кислорода.

На структуру и свойства меди существенное влияние оказывают примеси.

Так, например, алюминий, железо, мышьяк, фосфор и сурьма снижают электро- и теплопроводность меди.

Примеси, нерастворимые в меди, отрицательно сказываются на механических и технологических свойствах.

Так, висмут вызывает хладноломкость меди, кислород понижает пластичность и коррозионные свойства; водород делает ее хрупкой и при деформировании вызывает растрескивание. Это явление известно под названием «водородной болезни».

Свинец, взаимодействуя с медью, образует легкоплавкую эвтектику (326 °C) и приводит к горячеломкости меди.

Кислород с медью образует соединение Сu₂О, которое отрицательно влияет на пластические свойства, технологичность и коррозионные свойства.

Сера с медью образует соединение Cu₂S, которое приводит к хладноломкости и снижает пластичность при горячей и холодной обработке давлением.

Фосфор повышает механические свойства и жидкотекучесть, он способствует сварке и широко применяется как раскислитель.

Селен и теллур образуют с медью соединения Cu₂Se и Сu₂Те, которые ухудшают свариваемость, снижают пластичность, но значительно улучшают обрабатываемость резанием.

Значительное влияние на механические свойства меди оказывает ее состояние, например:

1) литая медь имеет предел прочности 160 МПа и твердость 40НВ (400 МПа), d=25 %; 2) отожженная мягкая (ММ) предел прочности 220 МПа, 55 НВ (550 МПа), d=50 %; 3) холоднодеформированная МТ (нагартованная, твердая) – предел прочности 450 МПа, 125 НВ (1250 МПа), d=3 %.

Таким образом, нагартовка способствует значительному росту прочности и твердости меди.

Чистая и техническая медь при холодной прокатке подвергаются промежуточным рекристаллизационным отжигам (500…600 °C), обеспечивающим восстановление пластичности. Температур выше 600 °C избегают в связи с возможностью перегрева меди.

Медные сплавы, сохраняя многие положительные свойства меди, обладают более высокими механическими и антифрикционными свойствами, лучшей технологичностью.

Изделия и полуфабрикаты из сплавов меди (как и из сплавов других цветных металлов) получают деформацией и литьем, поэтому и сплавы подразделяют на деформируемые и литейные.

 

Магний

Магний – щелочноземельный парамагнитный металл белого цвета с ГПУ решеткой, плотностью 1,74 г/см³, T_пл=651 °C. Аллотропических модификаций не имеет. Химически активный магний легко окисляется на воздухе с образованием оксидной пленки MgO, не обладающей защитными свойствами. Эта пленка растрескивается из-за более высокой плотности (3,2 г/см³), чем у самого магния.Магний пирофорен (воспламеняется при повышенных температурах). Магний в порошкообразном виде и в виде ленты горит ослепительно белым пламенем, что используется в пиротехнике, в фотографии для моментальных съемок, в военной технике (сигнальные ракеты, зажигательные бомбы и др.). Магний в слитках, а также изделия из магниевых сплавов не огнеопасны. Опасность может представлять магний в виде стружки, порошка или пыли. Взаимодействие воды с горячим и расплавленным магнием сопровождается взрывом.Технический магний Mг1 (99,92 % Mg) содержит примеси Fe, Ni, Na, Al, Mn, Si имеет низкие механические свойства: s_В=110…180 МПа, d=4…12 %, НВ 30…40 (300…400 МПа), где нижние значения характерны для литого магния, верхние – для деформированного. Поэтому магний не используется как конструкционный материал, а применяется в качестве раскислителя при производстве стали, никеля и других сплавов, модификатора чугуна, в пиротехнике и химической промышленности.Механические свойства магния можно существенно улучшить легированием: s_В=200…360 МПа при d=6…20 %. Примеси железа, никеля, кобальта и меди снижают коррозионную стойкость магния и сплавов на его основе.В последние годы на основе магния созданы сплавы с особыми физическими и химическими свойствами. Из них изготавливают аноды для источников тока, детали машин с высокими демпфирующими свойствами и др.

Магниевые сплавы

Магниевые сплавы имеют меньший удельный вес, меньшую электро- и теплопроводность по сравнению с алюминием. Кроме того, они сильно подвержены коррозии. Все магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием. Они подразделяются на:

– деформируемые содержащие 7,8…9,2 % алюминия, 0,15…0,5 % марганца, 0,2…0,8 % цинка, магний – остальное;

– литейные: 2,5…3,5 % алюминий, 0,15…0,5 % марганца, 0,5…1,5 % цинка, магний – остальное.

В промышленности широко применяются сплавы магния с алюминием (до 10 %), цинком (до 5…6 %), марганцем (до 2,5 %), цирконием (до 1,5 %). Алюминий и цинк, растворяясь в магнии и образуя с ним интерметаллиды, повышают механические свойства, марганец – коррозионную стойкость, редкоземельные металлы – механические свойства и жаропрочность сплавов магния. Для повышения коррозионной стойкости сплавы магния оксидируют и затем поверхность деталей защищают лакокрасочными покрытиями.

Как и алюминиевые, магниевые сплавы подразделяются по способу производства на литейные и деформируемые. Первые получают методом фасонного литья, вторые – обработкой давлением. Маркируют литейные сплавы буквами МЛ, деформируемые – МА и цифрами (порядковый номер).

Магниевые сплавы подразделяются на: термически упрочняемые и неупрочняемые ТО. Упрочнение (порядка 20…35 %) обеспечивается получением пересыщенного твердого раствора (после закалки) и его распадом при старении.

При работе с литейными магниевыми сплавами следует соблюдать особые меры осторожности, учитывая их склонность к возгоранию. Наилучшая жидкотекучесть сплавов с высокими механическими свойствами отливок наблюдается при перегреве расплавов до 850…900 °C и заливке форм при 800…850 °C. Плавку проводят в железных тиглях при защите легкоплавким флюсом, заливку форм осуществляют при подаче в струю металла серы (образующийся сернистый газ предохраняет металл от воспламенения). В формовочную землю добавляют соли фтористого алюминия, борной кислоты и др., предохраняющие поверхность отливок от окисления. Для получения сплавов к магнию добавляют различные элементы, повышающие его свойства. К основным легирующим элементам относятся алюминий, цинк и марганец. Введение марганца в магний практически не оказывает влияния на прочностные характеристики, но снижает пластичность и вместе с тем повышает сопротивление коррозии и улучшает свариваемостьБлагодаря малой плотности сплавы на основе магния по удельной прочности превосходят некоторые конструкционные стали, чугуны и алюминиевые сплавы. При замене алюминиевых сплавов магниевыми на 25…30 % снижается масса детали. Магниевые сплавы хорошо поглощают вибрации, что очень важно для авиации, транспорта и текстильной промышленности. Удельная вибрационная прочность магниевых сплавов с учетом демпфирующей способности почти в 100 раз больше, чем у дуралюмина, и в 20 раз больше, чем у легированных сталей. Большую выгоду дает применение магниевых сплавов в деталях, работающих на продольный или поперечный изгиб. Удельная жесткость у магниевых сплавов при изгибе и кручении на 20 % выше, чем у алюминиевых сплавов, и на 50 % выше, чем у сталей.Магний и сплавы на его основе немагнитны и не дают искры при ударах и трении. Магниевые сплавы представляют особый интерес для конструкций, где масса является решающей (авиация, космическая и ракетная техника, транспортное машиностроение и др.). Они применяются в приборостроении, радиотехнике, текстильной и полиграфической промышленности.

37) Титан - Металл сочетает большую прочность с малой плотностью r = 4,5 г/см³ и высокой коррозионной стойкостью. Благодаря этому во многих случаях он обладает значительными преимуществами перед такими основными конструкционными материалами, как сталь и алюминий. Однако из-за низкой теплопроводности затрудняется его применение для конструкций и деталей, работающих в условиях больших температурных перепадов, и при службе на термическую усталость. Металл обладает ползучестью как при повышенных, так и при комнатной температурах. К недостаткам титана как конструкционного материала следует отнести также относительно низкий модуль нормальной упругости.

Металл высокой чистоты обладает хорошими пластическими свойствами. Под влиянием примесей пластичность его резко изменяется. Кислород хорошо растворяется в титане и сильно снижает данную характеристику уже в области малых концентраций. Пластические свойства металла уменьшаются и при добавлении азота. При содержании азота более 0,2 % наступает хрупкое разрушение титана. Вместе с тем кислород и азот повышают временное сопротивление и выносливость металла. В этом отношении они являются полезными примесями.

Вредной примесью является водород. Он резко снижает ударную вязкость титана даже при очень малых концентрациях, за счет образования гидридов. На прочностные характеристики металла водород не оказывает заметного влияния в широком интервале концентраций.

Чистый титан не относится к жаропрочным материалам, так как прочность его резко уменьшается с повышением температуры.

Важной особенностью металла является его способность образовывать твердые растворы с атмосферными газами и водородом. При нагревании титана на воздухе на его поверхности, кроме обычной окалины, образуется слой, состоящий из твердого раствора на основе a-Ti (альфитированный), стабилизированного кислородом, толщина которого зависит от температуры и продолжительности нагрева. Он имеет более высокую температуру превращения, чем основной слой металла, и его образование на поверхности деталей или полуфабрикатов может вызвать хрупкое разрушение.

 

Титан характеризуется значительной коррозионной стойкостью в атмосфере воздуха, естественной холодной, горячей пресной и морской воде, растворах щелочей, солей неорганических и органических кислот и соединений даже при кипячении. В настоящее время титан широко применяют в металлургии, в том числе в качестве легирующего элемента в нержавеющих и жаростойких сталях. Добавки титана в сплавы алюминия, никеля и меди повышают их прочность. Он является составной частью твердых сплавов для режущих инструментов. Двуокись титана используют для обмазки сварочных электродов. Четыреххлористый титан применяют в военном деле для создания дымовых завес.

В электротехнике и радиотехнике используют порошкообразный титан в качествепоглотителя газов - при нагревании до 500 °С он энергично абсорбирует газы и тем самым обеспечивает в замкнутом объеме высокий вакуум. В связи с этим его применяют для изготовления деталей электронных ламп.

Титан в ряде случаев является незаменимым материалом в химической промышленности и в судостроении. Из него делают детали, предназначенные для перекачки агрессивных жидкостей, теплообменники, работающие в коррозионно-активных средах, подвесные приспособления, используемые при анодировании различных деталей. Титан инертен в электролитах и других жидкостях, применяемых в гальваностегии, и поэтому пригоден для производства различных деталей гальванических ванн. Его широко употребляют при изготовлении гидрометаллургической аппаратуры для никелево-кобальтовых заводов, так как он обладает высокой стойкостью против коррозии и эрозии в контакте с никелевыми и кобальтовыми шламами при больших температурах и давлениях.

Титан наиболее стоек в окислительных средах. В восстановительных средах он корродирует довольно быстро вследствие разрушения защитной окисной пленки.

Сплавы титана с различными элементами являются более перспективными материалами, чем технически-чистый металл.

Основными легирующими компонентами промышленных титановых сплавов являются ванадий, молибден, хром, марганец, медь, алюминий и олово. Практически же титан образует сплавы со всеми металлами, за исключением щелочноземельных элементов, а также с кремнием, бором, водородом, азотом и кислородом.

Наличие полиморфных превращений титана, хорошая растворимость многих элементов в нем, образование химических соединений, обладающих переменной растворимостью, позволяют получить широкую гамму титановых сплавов с разнообразными свойствами.

Они обладают тремя основными преимуществами по сравнению с другими сплавами: малым удельным весом, высокими химическими свойствами и отличной коррозионной стойкостью. Сочетание легкости с большой прочностью делают их особенно перспективными материалами как заменители специальных сталей для авиационной промышленности, а значительная коррозионная стойкость - для судостроения и химической промышленности.

Во многих случаях применение титановых сплавов оказывается экономически выгодным, несмотря на высокую стоимость титана. Например, применение литых титановых насосов с высочайшей коррозионной стойкостью на одном из предприятий России позволило снизить эксплуатационные расходы на один насос в 200 раз. Таких примеров можно привести немало.

 

Строение древесины

В растущем дереве можно условно выделить три части: корни, ствол и крону.

Корни – сложная, широко разветвленная, многофункциональная система. Мелкие корни всасывают из почвы воду с растворенными в

Разрезы ствола, наиболее полно отражающие природу капиллярно-пористого строения древесины, называются главными. Различают три главных разреза:

– поперечный (торцовый) – разрез плоскостью, перпендикулярной оси ствола;

– радиальный – разрез плоскостью, проходящей вдоль ствола через его сердцевину;

– тангенциальный – разрез плоскостью, проходящей вдоль ствола на некотором расстоянии от его сердцевины.

Строение древесины, наблюдаемое на главных разрезах невооруженным глазом или при небольшом увеличении, называется макроскопическим. На поперечном и радиальном разрезах можно наблюдать основные анатомические структуры дерева: сердцевину, центральную часть, луб и кору.

Сердцевина расположена примерно в центре ствола. У большинства пород она наблюдается в виде темного круглого пятнышка диаметром 2…5 мм (у бузины около 10 мм).

Центральная часть – основная по массе часть ствола. В зависимости от окраски центральной части различают породы ядровые и безъядровые. У ядровых пород центральная часть (ядро) окрашена темнее, периферическая зона, ограничивающая ядро (заболонь), окрашена светлее.

Ядровые породы подразделяются на хвойные (сосна, ель, лиственница, кедр, можжевельник, тис) и лиственные (дуб, ясень, ильм, карагач, грецкий орех, тополь, ива, рябина, яблоня и др.).

Безъядровые породы, у которых окраска древесины и содержание в ней влаги по всей массе одинаковы, называются заболонными. Породы, у которых окраска древесины по всему разрезу одинакова, но центральная часть содержит меньше влаги, чем периферийная, называют спелодревесными. Древесина таких пород называется спелой, к ним относятся: хвойные – ель, пихта; лиственные – осина и бук.

Иногда у заболонных и спелодревесных пород центральная часть ствола окрашена темнее (главным образом под влиянием грибов) и образует так называемое ложное ядро (клен).

Камбий – тонкий, не различимый невооруженным глазом слой, расположенный на границе между заболонью и лубом. Состоит из живых клеток, обусловливающих прирост древесины и коры.

Луб расположен между камбием и корой. В растущем дереве проводит питательные вещества от кроны вниз ствола (нисходящий ток).

Кора – наружный слой ствола дерева, предохраняющий его от резких колебаний температуры, испарения влаги и механических повреждений. По химическому составу кора резко отличается от древесины.

На поперечном разрезе стволов деревьев, произрастающих в умеренном климатическом поясе, можно заметить концентрически расположенные слои, окружающие сердцевину. В большинстве случаев каждый такой слой представляет собой ежегодный прирост древесины – годичный слой. Он состоит из двух зон, содержащих раннюю и позднюю древесину. Ранняя древесина образуется в весенний период – период интенсивного роста дерева. Она окрашена светлее и более рыхлая, чем поздняя, обладает невысокой механической прочностью и расположена с внутренней стороны годового слоя. Поздняя древесина более темная, более плотная, расположена с наружной стороны годового слоя (обращена к коре).

Ширина годичных слоев зависит от породы древесины, условий ее произрастания и положения в стволе. Узкие годичные слои образуются у медленно растущих пород деревьев (самшит, дуб и др.), широкие – у быстрорастущих пород (тополь, ива и др.).

Сосуды имеют форму трубок различного диаметра и различной длины (в зависимости от породы дерева) и имеются только в лиственных породах. В зависимости от размеров и распределения сосудов по годичному слою различают кольцесосудистые и рассеянно-сосудистые породы

В кольцесосудистых породах сосуды четко разделяются по размерам (крупные и мелкие) и распределению: крупные сосредоточены в ранней зоне годичного слоя и образуют на поперечном разрезе пористое кольцо, а мелкие – в поздней зоне годичного слоя, где они заметны благодаря более светлой окраске.

В рассеянно-сосудистых породах нет резкого разделения сосудов по размерам, и располагаются они более или менее равномерно пой всему годичному слою. К рассеянно-сосудистым породам относятся береза, осина, ольха, липа, бук, клен, рябина и др.

Сердцевинные лучи есть в древесине всех пород. У немногих пород (дуб, бук, платан) они настолько широки, что ясно видны невооруженным глазом на поперечном разрезе. Большинство древесных пород имеют узкие, трудно различимые сердцевинные лучи. На радиальном разрезе древесины сердцевинные лучи заметны в виде поперечных полос различной величины. Сочетание их образует своеобразный рисунок (текстуру). На тангенциальном разрезе сердцевинные лучи имеют чечевицеобразную или веретенообразную форму.

В стволе древесины хвойных пород имеются вертикальные и горизонтальные смоляные ходы – тонкие, наполненные смолой каналы. Горизонтальные ходы проходят по сердцевинным лучам и соединяются с вертикальными ходами.

46) Свойства, определяющие внешний вид древесины.