Глава 6. Конструкционные материалы малой плотности

 

Алюминий и его сплавы

 

1. Физико-химические свойства

 

t_пл. = 660°С, ГЦК-решетка, Е ~ 71000 МПа, плотность d ~ 2,7 г/см³;

● не магнитный;

● электрическая проводимость хорошая σ_Al ~ 0,7 σ_Cu;

● теплопроводность хорошая λ_Al ~ 0,55 λ_Cu;

● коррозионная стойкость, стоек с пищевыми продуктами, не стоит в морской воде, стойкость зависит от чистоты (чем больше чистота, тем выше стойкость), Mn – единственный элемент, который повышает его коррозионную стойкость;

● очень склонен к схватыванию (в зонах трения не идет).

 

Маркировка:

- особой чистоты:

А999 – 99,999%;

А95 – 99,95%;

- технический:

А8 – 99,8%;

А1 – 99,7%;

А0 – 99,0%.

1. Механические свойства

 

	σU (σB), МПа	σ0,2, МПа	δ, %	НВ
особой чистоты
технической чистоты
декоративные	140-150

 

● пластичность – легко деформируется;

● резание удовлетворительное;

● сваривание хорошее;

● литье удовлетворительное.

 

1. Применение

 

1) электротехнические цели;

2) пищевая промышленность.

 

1. Сплавы Al

I – деформируемые не упрочняемые ТО

Al+Mg (до 8%) – АМг-2 (2-3%), АМг-6 (6-7%) – сварные конструкции, кузовы:

 

	σU (σB), МПа	δ, %
АМг-2	~190
АМг-6	~340
АМц	~130

 

II – деформируемые, упрочняемые ТО

Дуралюмины (Д): Al + (4-4,5)% Cu + 1,5% Mg + 0,6% Mn

ТО: закалка 500°С, вода, 2-3 часа + старение (есть на 6 суток, есть на 6 часов, 180°С)

 

σU (σB), МПа	δ, %	d, г/см^3
400-500	10-14	2,8

Недостаток – ниже коррозионная стойкость.

 

Высокопрочные (В): Al + (8-9)% Zn + (2-2,5)% Cu + 3% Mg

ТО: закалка 470°С + старение 140°С

 

σU (σB), МПа	δ, %	d, г/см^3
~680		2,9

 

Al+Li+Mg: закалка 520°С + старение 170°С

 

δ, %	d, г/см^3
	2,5

 

Это основной конструкционный материал авиации (обшивка, лопасти винтов).

 

III – литейные

[Al+Si] – силумины, АК12 (12% Si)

σU (σB), МПа	δ, %
~180

АК8М (8 Si + 1,5%Cu + 0,2%Ti + 0,4%Mg)

Сложные корпусные детали, литье под давлением.

 

Магний и его сплавы (Al, Fe)

 

1. Физико-химические свойства

 

t_пл. = 649°С, ГПУ-решетка, Е ~ 45000 МПа, плотность d ~ 1,74 г/см³;

● не магнитный;

● электрическая проводимость σ_Mg ~ 0,3 σ_Cu;

● теплопроводность λ_Mg ~ 0,4 λ_Cu;

● очень высокое сродство к кислороду;

● воспламеняется при 500°С;

● высочайшая деформирующая способность (гасит вибрации).

 

 

2. Механические свойства

σU (σB), МПа	δ, %
~200

 

● пластичность – низкая, не деформируется – ТО горячая обработка давлением 400-450°С;

● резание отличное;

● свариваемость с защитой от окисления;

● литье удовлетворительное.

 

Применение – пиротехника.

 

3. Сплавы Mg

 

+ Al, + Zn

1) из-за ГПУ-решетки во всех оплавах очень медленная диффузия – нет высокой прочности, упрочняющая ТО: закалка 420°С, 15-30 часов + старение 200°С, 16-24 часа;

2) очень сложный состав, т.к. добавляют элементы для ускорения диффузии (Cd), против воспламенения (Be), для сохранения мелкого зерна.

 

Сплавы:

1) деформируемые

Маркировка:

МА5 (8-9%Al + 0,5%Zn + 0.3%Mn)

σU (σB), МПа	δ, %
~320	12-14

 

2) литейные

Маркировка:

МА10 (8-9%Al + 7-8%Cd + 2-2/5%Ag)

σU (σB), МПа	d, г/см^3
~430	1,9

 

Применение деформируемых сплавов – сварные конструкции (платформы, петли, на которые крепится вибрирующая техника), литейных – корпусные детали (корпуса вибрирующих деталей).

 

Пластмассы

 

Строятся на базе полимеров (CH₃-, C₆H₅-).

 

1. Линейное строение

 

Гибкие молекулы, сильные связи внутри молекулы, между молекулами связи нет.

При нагреве размягчаются, при охлаждении затвердевают (превращения обратимы и повторяются не один раз).

 

Термопластичные пластмассы

 

Полистирол, полиамид, ПВХ.

Преимущества:

1) удобные технологии изготовления;

2) усадка мала ≤ 3%;

3) относительно низкая хрупкость.

 

Недостатки:

1)

низкая теплостойкость;

 

2)

прочность уменьшается от времени (старение = деградация).

 

Пример:

Фторопласт-4

T_экс. = 250-269°С, σ ~ 10-30 МПа, плотность d ~ 2 г/см³, f_тр = 0,04;

Стоит в растворах воды, щелочей, кислот.

Применение: вакуумная техника.

Недостатки:

● σ_U ≤ 100 МПа;

● Е ~ 2000-3000 МПа;

● низкая теплостойкость;

● деградация.

 

2. Сетчатое строение

 

В результате химической реакции устанавливается связь между молекулами, один раз затвердевает и при нагреве без разложения распадается.

 

Термореактивные пластмассы

 

Полиэфир, полиуретан, эпопсиды, фенолформальдегид.

Наполнители:

- сыпучие (тальк);

- волокна;

- слои (ткань).

 

 

Недостатки:

● усадка 12-15%;

● хрупкость.

Достоинства:

● имеют высокую теплостойкость;

● форму можно получить без давления.

Вариант наполнителя:

Эпоксидная смола + волокна (бор, углерод, стекло)80%

волокна	σU (σB), МПа	d, г/см^3	У.П., км	У.Ж., км
бор
углерод		1,5
стекло		2,2

 

Итог:

Если пластмассы сравнивать с Ме, то у них более дешевый материал, очень легкий, коррозионной стойкости нет, хорошие теплоизоляторы.

 

Глава 7. Конструкционные материалы с высокими удельной плотностью и удельной жесткостью

 

Титан и его сплавы

 

В земной коре: Al, Fe, Mg, Ti.

 

1. Физико-химические свойства

 

t_пл. = 1670°С, при 882°С: ГПУ-решетка - Ti_α и ОЦК-решетка - Ti_β, Е ~ 112000 МПа, плотность d ~ 4,6 г/см³;

● не магнитный;

● электрическая проводимость низкая σ_Ti ~ 0,04 σ_Cu;

● теплопроводность крайне низкая λ_Ti ~ 0,05 λ_Cu;

● очень склонен к газопоглощениям: Н₂ при t ≥ 50°С, О₂ при t ≥ 400°С, все газы при t ≥ 500°С;

● имеет высочайшую коррозионную стойкость во всех средах, в том числе и биологических, не ржавеет в царской водке (TiO₂);

● восстанавливается мгновенно, т.к. имеет высокое сродство к О₂.

 

В природе TiO₂ имеет сильнейшие межатомные связи.

TiO₂ ―› термический способ ―› Ti – губка (полуфабрикат).

Из губки получают:

- порошок + спекание + прессование;

- многократный переплав.

 

Выводы:

1) цена 1кг – 15-20$;

2) примеси (получен грязный Ti), при условии получения самого чистого иодидного Ti число примесей 0,1-0,2%, в технических сплавах ВТ1-00 – 0,4-0,5%, ВТ1-0 – 0,5-0,7%;

3) склонен к схватыванию.

2. Механические свойства

	σU (σB), МПа	KCU, мДж/м^2	δ, %	НВ
иодидный	220-260	2,5	50-60	1070-1080
ВТ1-00	300-450	1,2-2		1100-1400
ВТ1-0	400-550	1-1,5		1300-1600

 

 

● при одинаковой пластичности Ti в 2 раза прочнее и тверже железа;

● свойства Ti очень сильно зависят от количества примесей.

 

ВТ1-0/tисп, °С	σU (σB), МПа	KCU, мДж/м^2	δ, %
-196 (жидкий N2)		0,8
-253 (жидкий О2)		0,6

Нет явной хладноломкости, т.к. решетка ГПУ.

 

3. Технологические свойства

 

● пластичность хорошая, деформируется до тонкого листа;

● резание – крайне плохое;

● свариваемость (защита от газов);

● литейные качества (защита от газов).

4. Применение

● геттер (поглотитель газа) – губка;

● химическая промышленность;

● протезы;

● декоративные цели.

 

5. Сплавы Ti

 

1) легированный α-стабилизатор

Линия перемещения растворимости не применяется, т.к. Ti₃Al очень хрупкий.

При введении Al температура β―›α превращения повышается, значит, при любой скорости охлаждения превращение пойдет диффузионно, неравномерную структуру получить нельзя.

Ti + Al (до 6%) ―› α-сплавы Ti (твердый раствор, ГПУ)

● всегда прочнее Ti;

● всегда легче Ti;

● сильнее чувствительнее к Н₂.

ВТ5: Ti+Al(5%), σ_U = 750-950 МПа, δ = 10-14%, упрочняющей ТО нет, упрочнять можно только наклепом.

 

3) легированный β-стабилизатор

 

При введении таких элементов температура β―›α превращения понижается, значит, при использовании быстрого охлаждения можно в сплавах получить неравновесные структуры: вместо 2-х фаз получим одну, либо α’ мартенсит, либо β’ – нестабильную.

Нагрев до β-области:

Для таких сплавов существует упрочняющая ТО – закалка + старение.

 

4) Ti + β-стабилизаторы + Al – (α+β)-сплавы Ti

● псевдо-α-сплавы:

ВТ4 (Ti + 4%Al + 1-2%Mn), %лег.эл. ≤ 5.

Без ТО:

σU (σB), МПа	δ, %
700-900	10-12

 

● мартенситные:

%лег.эл. ~ 5-10%

ВТ6 (Ti + 6%Al + 5%V)

ВТ16 (Ti + 3%Al + 5%V + 5%Mo)

 

Упрочняющая ТО:

	σU (σB), МПа	δ, %
ВТ6	1100-1250
ВТ16	1300-1400	6-7

 

● переходный класс:

%лег.эл. ~ 10-15%

ВТ22 (Ti + 5%Al + 5%V + 5%Mo + 1-2%Cr)

σU (σB), МПа	δ, %	d, г/см^3	У.П., км
	4-5	4,8

 

● псевдо-β-сплавы:

%лег.эл. ~ 15-20%

ВТ15 (Ti + 5%Al + 8%Mo + 11%Cr)

σU (σB), МПа	δ, %	У.П., км

 

Итог:

1) цена;

2) более пластичны, т.к. β-фаза имеет 48 плоскостей скольжения, хуже сваривается, менее хладостойки, менее чувствительны к воздуху.

Применение:

У.П. + коррозионная стойкость – авиация, ракетостроение, подводные лодки, химическая промышленность, инвалидные коляски, спортивный инвентарь.

 

Недостатки:

1) теплопроводность низкая (для закаливания сплавов могут быть применимы небольшие сечения);

2) E_низк, для несущих длинных деталей Ti сплавы не применимы, искусственно повышают жесткость.

 

 

Берилий и его сплавы

 

 

1. Физико-химические свойства

 

t_пл. = 1284°С, ГПУ-решетка, Е ~ 310000 МПа, плотность d ~ 1,85 г/см³, У.Ж. ~ 16000 км;

Применим, где требуется стабильность размеров под нагрузкой (гироскопы).

 

 

● теплопроводность λ_Be ~ 0,5 λ_Cu;

● скорость распространения звука в аккустических системах 12600 м/с;

● имеет очень высокую радиационную стойкость.

 

2. Механические свойства

 

Губка ―› многократное переплавление (очистка) ―› размалывание на порошок ―› спекание ―› горячее прессование ―› выдавливание.

 

	σU (σB), МПа	δ, %
литой		1-2
спекание	370-450	2-4
выдавливание	650-800	8-13

 

 

3. Технологические свойства

● обрабатываемость давлением;

● резание (как Ti);

● сварка (с защитой от газов);

● литейные качества (отливки не получаются).

 

4. Сплавы Ве

R_Be ~ 1.13 Å

Be + 30%Al

δ_. = 5%, Е ~ 205000 МПа, плотность d ~ 2 г/см³, σ_U ~ 400-500 МПа, У.П. ~ 25 км, У.Ж. ~ 10000 км.

 

Композиционные материалы

 

Материалы, в которых с помощью соответствующих технологий соединены разные составляющие. При этом каждый компонент сохраняет свой состав, структуру и свойства.

К.М.:

1) ДКМ (дисперсноупрочняемые КМ), наполнители – мелкие частицы, расположены по-разному;

2) ВКМ (волокнистые);

3) СКМ (слоистые).

 

1. ДКМ – матрица ориентированная дисперсными частицами.

Матрица – не несет нагрузку, частицы – тормозят движение дислокаций.

, f – объемная доля.

λ_min = 0.015 мкм – предел, ближе которого частицы не приближаются – потеря пластичности.

Реально:

d ~ 0.01-0.1 мкм

λ ~ 0.1-1 мкм

f ~ 2-15%

Вывод: свойства ДКМ зависит от размера и количества частиц, но не зависит от свойств самих частиц.

ДКМ: способ сохранения прочности при нагреве до температуры 0,95t_пл, т.е. они являются жаростойкими (t ≤ 700-750°С) или жаропрочными (t > 750°C) материалами.

При условии, что частицы Ме будут рассматриваться в матрице:

1) Al+Al₂O₃, t_экспл ≤ 500°С, σ_U ~ 400 МПа, δ_. = 4%, САП ~ 3-15%;

2) Ni+ThO₂(HfO₂), жаропрочные до 1200°С(950°С).

Идея ДКМ применима для создания материала высокой теплостойкости и жаропрочности.

 

2. ВКМ – волокна, несут нагрузку. Матрица – связывает и перераспределяют нагрузку между волокнами.

- нагрузка, передаваемая на волокна.

- max нагрузка при нагреве.

Max нагрузку можно передать только на «длинные» волокна, если волокно l < l_кр требует больших касательных напряжений, их не выдержит сцепление.

● свойства ВКМ зависят от размеров волокон, от прочности их сцепления, от количества волокон, от свойств самих волокон.

 

волокна	σU (σB), МПа	Е, МПа	d, г/см^3
борное	~3000		2,6
углеродное	~2500		1,7
SiC	~3000		3,2
стекло	~4500		2,5
усы SiC	~3600		3,2

 

Пример: Al (легкая пластичная масса) + волокна В и С (40-50% по объему).

 

волокна	σU (σB), МПа	d, г/см^3	У.П., км	У.Ж., км
В	~1200	2,6
С	~1000	2,2

 

● при правильно подобранной матрице ВКМ обеспечивают достижение необычайно высоких удельных характеристик: У.П. и У.Ж.;

 

● ВКМ – самые надежные конструкционные материалы: у них не может быть внезапного хрупкого разрушения, они не чувствительны к концентраторам напряжений, не подвержены усталости.