Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ

мелкозернистой структурой (d = 1.. .3 мкм) обладает склонностью к сверхпластичности: при 600 — 700 ° С и малых скоростях деформации пластичность δ = 300 %. Более высокая пластичность спеченных из порошков блоков позволяет подвергать их не только горячей обработке давлением, но и теплой обработке при 400 - 500° С. Эта температура ниже температуры рекристаллизации бериллия (tpeK = 700° С), поэтому позволяет сохранить наклеп и получить высокую прочность (σв = = 650... 700 МПа).

Пластичность полуфабрикатов из порошкового бериллия в большой степени зависит и от технологии горячей обработки давлением. В настоящее время разработана технология получения текстурованных прутков методом горячего выдавливания порошкового бериллия. Прутки бериллия имеют текстуру базисной плоскости и пластичность δ — 20 %. На листах бериллия, полученных поперечной прокаткой этих прутков, текстура базисной плоскости сохраняется, и такой бериллий имеет пластичность 6 — 30... 40%.

В том и другом случае базисная плоскость ориентируется вдоль оси прутка или в плоскости листа, поэтому при растяжении касательные напряжения в них равны нулю. Скольжение идет по плоскостям призмы, число которых в ГП решетке поликристаллического бериллия значительно больше, чем базисных, что и обеспечивает хорошую пластичность. В направлении, перпендикулярном плоскости листа, пластичность уменьшается до нуля.

Недостатки:

- изделия из бериллиевых блоков можно также изготовлять на металлорежущих станках, однако вследствие плохой обрабатываемости резанием необходимо применять твердосплавный инструмент. Сваривается бериллий дуговым методом в аргоне, гелии или вакууме.

Помимо высокой стоимости, малой пластичности, низкой технологичности и анизотропии свойств к недостаткам следует отнести токсичность бериллия. Попадая в легкие, он вызывает тяжелое легочное заболевание (бериллиоз). На коже бериллиевая пыль, мелкие частицы бериллия вызывают зуд, а попадая в ранки — опухоли и язвы. В связи с этим обработку бериллия на металлорежущих станках проводят в специальных помещениях и в пылезащитных костюмах и масках. При работе с бериллием необходимо тщательно выполнять правила техники безопасности. В атмосфере производственных помещений не допускается содержание бериллия более 0,001 мг/м3. По удельным прочности (см. табл. 13.1) и жесткости (рис. 14.14) бериллий превосходит высокопрочные стали и все сплавы на основе легких металлов (Mg, А1 и Ti), а по удельной жесткости — и металлы, обладающие более высоким модулем упругости (W и Мо). К тому же, высокий модуль упругости бериллия (Е = 310 ГПа) мало изменяется при увеличении температуры до 450 ° С. Вот почему бериллий является одним из лучших материалов для деталей конструкций, где особо важны собственная масса конструкции, жесткость ее силовых элементов.

Расчеты показали, что самолет, изготовленный на 80 % из бериллия, будет в 2 раза легче, чем из алюминия; при этом на 40 % увеличивается его дальность полета и значительно повышается грузоподъемность. Бериллий применяют в консолях крыльев, элеронах, тягах управления и других деталях сверхзвуковых самолетов; в ракетной технике из него изготовляют панели обшивки, промежуточные отсеки, соединительные элементы, приборные стойки и др. Высокие удельные жесткость и особенно прочность проволоки диаметром десятки микрометров (σв > 1300 МПа) открывают еще одну область применения бериллия — армирование композиционных материалов (КМ) на основе Al, Ti и др., которые находят большое применение в ракетной и космической технике. Бериллий обладает большой теплотой плавления и очень высокой теплотой испарения. По удельной теплоемкости он в 2,5 раза превосходит алюминий, в 4 раза — титан и в 8 раз — сталь, по теплопроводности стоит за алюминием уступая ему в теплопроводности только ~ 12 %. Все эти свойства способствуют успешному применению бериллия в качестве теплозащитного материала в ракетной и особенно космической технике (головные части ракет, передние кромки крыльев сверхзвуковых самолетов, оболочки кабин космонавтов).

Хорошее сопротивление усталостным разрушениям, высокая скорость распространения звука (в 2,5 раза выше, чем в стали) открывает новые области применения бериллия — соответственно двигателестроение и акустическая техника. Поскольку бериллий имеет одновременно и очень высокие теплоемкость и теплопроводность, сопло из бериллия не разрушается при рабочей температуре около 3000 ° С. Использование бериллия в ракетных двигателях дало возможность почти в 2 раза увеличить тягу при значительном уменьшении массы двигателя.

Высокие удельные прочность и жесткость, теплопроводность в сочетании с размерной, геометрической и термической стабильностью, низким

коэффициентом термического расширения и хорошей отражательной способностью делают бериллий незаменимым материалом для зеркал оптических приборов, в том числе и космического назначения, деталей высокоточных приборов. Его применяют в инерциальных системах навигации для ракет, самолетов, подводных лодок. Из него изготовляют детали гиростабилизированных платформ и гироскопов.

Применение бериллия как конструкционного материала в атомной технике вызвано его способностью слабо поглощать тепловые нейтроны. Кроме того, бериллий используют как источник α-излучения, а также как конструкционный материал при изготовлении рентгеновских трубок. Бериллий очень слабо поглощает рентгеновские лучи (в 17 раз хуже, чем алюминий). Бериллий успешно используют для легирования сплавов на основе меди и алюминия.

Бериллиевые сплавы

Основные трудности при получении бериллиевых сплавов связаны с его недостатками: большой хрупкостью и высокой стоимостью.

Главная сложность при легировании бериллия, как было указано ранее, обусловлена малым размером атома бериллия. Большинство элементов, растворяясь в бериллии, искажают его кристаллическую решетку, в результате чего увеличивается его хрупкость. В связи с этим наибольшее распространение получили сплавы бериллия с практически нерастворимым в нем при 20 ° С алюминием. На диаграмме состояния AL -Be (рис. 14.15) видно, что при 20 ° С бериллий практически нерастворим в алюминии. Поэтому эвтектика, образующаяся при концентрации 2,5 % Be состоит из почти чистого алюминия с незначительным количеством вкраплений бериллия и характеризуется высокой пластичностью. Чем больше содержится в сплавах бериллия, тем выше их прочность и жесткость (рис.

14.16).

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Композиционные материалы (КМ) по удельным прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы (рис. 14.18). Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления материала. При этом КМ придают по возможности форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей и даже отдельных узлов конструкции.

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей.

Рис. 14.18. Удельная прочность и удельный модуль упругости некоторых неармированных материалов и КМ, армированных 50 % (об.) волокон:

1 - А1; 2 - Ti и сталь; 3 - Ti, армированный проволокой Be; 4 ~ Ti, армированный волокнами SiC; 5-Ti, армированный волокнами борсика; 6 - А1, армированный волокнами В; 7 - эпоксидная смола, армированная волокнами углерода; 8-эпоксидная смола, армированная волокнами В

Принцип создания КМ заимствован у природы. Примером естественных КМ могут служить стволы и стебли растений, кости человека и животных. В дереве волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином, в костях тонкие прочные нити фосфатных солей — пластичным коллагеном.

Свойства КМ в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью КМ является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем КМ присущи свойства, которыми не обладают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств композиций выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами.

Основой КМ (матриц) служат металлы или сплавы (КМ на металлической основе), а также полимеры, углеродные и керамические материалы (КМ на неметаллической основе).

Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения КМ и такие важные эксплуатационные характеристики, как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность. Созданы КМ с комбинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоев (двух или более) различного химического состава.

КМ с комбинированными матрицами называют полиматричными (рис. 14.19, а). Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность КМ в направлении, перпендикулярном оси волокон. Алюминиевые слои в матрице способствуют уменьшению плотности материала.

В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители).

Поскольку главную роль в упрочнении КМ играют наполнители, их часто называют упрочнителями. Упрочнители должны обладать высокими прочностью, твердостью и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу. С увеличением модуля упругости и временного сопротивления наполнителя повышаются соответствующие свойства КМ, хотя они и не достигают характеристик наполнителя. Наполнители называют еще армирующими компонентами. Это более широкое понятие, чем « упрочнитель ». Оно не конкретизирует роль наполнителя и поэтому показывает, что наполнитель вводится в матрицу для изменения не только прочности, но и других свойств.

Свойства КМ зависят также от формы или геометрии, размера, количества и характера распределения наполнителя (схемы армирования).

По форме наполнители разделяют на три основные группы (рис. 14.20, а): нуль-мерные (1), одномерные (2), двумерные (5).

Нуль-мерными называют наполнители, имеющие в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы). Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна). У двумерных наполнителей два размера соизмеримы с размером КМ и значительно превосходят третий (пластины, ткань).

По форме наполнителя КМ разделяют на дисперсно-упрочненные, слоистые и волокнистые.

Дисперсно-упрочненными называют КМ, упрочненные нуль-мерными наполнителями; волокнистыми — КМ, упрочненные одномерными или одномерными и двумерными наполнителями; слоистыми — КМ, упрочненные двумерными наполнителями.

По схеме армирования КМ подразделяют на три группы: с одноосным, двуосным и трехосным армированием (см. рис. 14.20, б-г).

Для одноосного (линейного) армирования используют нуль-мерные и одномерные наполнители (см. рис. 14.20, б). Нуль-мерные располагаются так, что расстояние между ними по одной оси (например, по оси х) значительно меньше, чем по двум другим. В этом случае содержание наполнителя составляет 1 - 5 % (об.). Одномерные наполнители располагаются параллельно один другому.

При двухосном (плоскостном) армировании используют нуль-, одно-и двумерные наполнители (см. рис. 14.20, е). Нуль-мерные и одномерные наполнители располагаются в параллельных плоскостях. При этом расстояние между ними в пределах плоскости значительно меньше, чем между плоскостями. При таком расположении нуль-мерного наполнителя его содержание доходит до 15 - 16 % (об.). Одномерные наполнители находятся также в параллельных плоскостях.

Рис. 14.20. Формы наполнителя (а) и схемы армирования (б - г) КМ

Рис. 14.21. Схемы армирования:

а - хаотическая; б - слоистая; в - розеточная; г - з - ортогональные; и - аксиально- радиально-окружная; к - аксиально-спиральная; л - радиально-спиральная; м - аксиально- радиально-спиральная

При этом в пределах каждой плоскости они расположены параллельно, а по отношению к другим плоскостям — под разными углами. Двумерные наполнители параллельны один другому.

При трехосном (объемном) армировании нет преимущественного направления в распределении наполнителя. Для армирования используют нульмерные и одномерные наполнители (см. рис. 14.20, г). Расстояния между нуль-мерными наполнителями одного порядка. В этом случае их содержание может превышать 15 - 16 % (об.). Одномерные наполнители располагаются в трех и более пересекающихся плоскостях (рис. 14.21).

Для расширения комплекса свойств или усиления какого-либо свойства при армировании КМ одновременно используют наполнители различной формы. Например, для увеличения прочности связи между одномерными наполнителями (стеклянным или углеродным волокном) и полимерной матрицей в нее вводят нуль-мерный наполнитель (частицы асбеста, карбида кремния и др.). С этой же целью применяют армирование наполнителями одной формы, но разного состава. Так, для повышения модуля упругости КМ с полимерной матрицей, армированной стеклянным волокном, дополнительно вводят волокна бора.

КМ, которые содержат два и более различных наполнителя, называют полиармированными (рис. 14.19, б).

Если КМ состоят из трех и более компонентов, они называются гибридными.

КМ применяют во многих отраслях промышленности. Благодаря высоким удельным характеристикам прочности и жесткости, их используют при изготовлении лопастей винтов и контейнеров вертолетов, корпусов и камер сгорания реактивных двигателей и т.д. Использование КМ в конструкциях летательных аппаратов уменьшило их массу на 30 - 40 %, увеличило полезную нагрузку без снижения скорости и дальности полета.

В настоящее время КМ применяют в энергетическом машиностроении (рабочие и сопловые лопатки турбины), автомобилестроении (кузова автомобилей и рефрижераторов, детали двигателей), машиностроении (корпуса и детали машин), химической промышленности (автоклавы, цистерны, емкости), судостроении (корпуса лодок, катеров, гребные винты) и др.

Особые свойства ряда КМ позволяют использовать их в качестве электроизоляционных материалов, радиопрозрачных обтекателей, подшипников скольжения и других деталей.

МАТЕРИАЛЫ, УСТОЙЧИВЫЕ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ТЕМПЕРАТУРЫ И РАБОЧЕЙ СРЕДЫ

КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Конструкционные материалы при эксплуатации в коррозионной среде должны обладать также высокой коррозионной стойкостью. Процессу

коррозии наиболее подвержены металлы и сплавы, что объясняется их большой химической активностью и высокой электропроводимостью.

Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Коррозионно-стойкими называют металлы и сплавы, в которых процесс коррозии развивается с малой скоростью. Отмечают два вида коррозии: электрохимическую и химическую.

КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ НЕПАССИВИРУЮЩИЕСЯ МЕТАЛЛЫ

В тех случаях, когда обратимый электродный потенциал в заданных условиях коррозии близок к обратимому потенциалу катодной реакции Vaобр, коррозионный ток мал и металл обладает высокой коррозионной стойкостью

(см. формулу (15.6)).

По этой причине электроположительные металлы Au, Pt, Ag, Си, а также Sn и РЬ, потенциал которых имеет небольшие электроотрицательные значения, обладают коррозионной стойкостью во многих средах.

Так, Au, Pt, Ag стойки к коррозии во всех средах, кроме некоторых концентрированных окисляющих кислот, а Си, Sn, Pb — во влажной атмосфере, морской воде и многих органических кислотах.

Скорости атмосферной коррозии металлов приведены ниже:

Медные сплавы, в состав которых входят электроотрицательные металлы, имеют высокую коррозионную стойкость в условиях равномерной атмосферной и морской коррозии.

Латуни коррозионно-стойки при равномерной коррозии, но склонны к коррозионному растрескиванию во влажной атмосфере (в особенности, при наличии сернистых газов), поэтому после их обработки давлением необходим отжиг для устранения напряжений. При большом содержании цинка латуни подвержены еще одному виду коррозионного разрушения — избирательному поверхностному электрохимическому растворению электроотрицательного цинка.

КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ ПАССИВИРУЮЩИЕСЯ МЕТАЛЛЫ

Несмотря на большой отрицательный обратимый электродный потенциал металла вследствие большой анодной поляризации Ра в коррозионном элементе устанавливается небольшой коррозионный ток, и металл разрушается с очень малой скоростью (см. формулу (15.6)). Пассивное состояние связывают с образованием на поверхности защитных пленок.

Способностью переходить в пассивное состояние обладают многие промышленные сплавы. Для большинства металлов пассивность наступает в окислительных (кислородсодержащих) средах и даже самопроизвольно на

воздухе.

Наибольшей склонностью к самопассивированию на воздухе обладают титан, алюминий и хром. Пассивное состояние в них сохраняются во многих средах, однако оно исчезает в средах, содержащих мало кислорода и много ионов хлора (влажная, плохо аэрируемая почва, морская вода, неокисляющие кислоты).

Титан в пассивированном состоянии по своей коррозионной стойкости уступает только золоту и платине. В отличие от остальных металлов он сохраняет пассивность во влажной атмосфере даже при нагреве, в неокислительных, окислительных и органических кислотах, в морской воде, а также в горячих щелочах. Титановые сплавы (см. § 14.1) сохраняют высокую коррозионную стойкость титана.

Алюминий во влажной атмосфере, окислительных и органических кислотах обладает высокой коррозионной стойкостью, что связано с его переходом в пассивное состояние. Однако в щелочах он коррозирует с большой скоростью.

Все примеси и легирующие элементы алюминиевых сплавов уменьшают поляризуемость и, тем самым, ухудшают коррозионную стойкость. Наиболее опасны, так как устраняют пассивность, электроположительные металлы. Присутствие железа и меди в десятых долях процента заметно ухудшает коррозионную стойкость алюминия. Сплавы (см. § 13.2), содержащие до 5 % Си, — дуралюмины, высокопрочный сплав с цинком В95, сложные силумины АК8М, жаропрочные сплавы АК4 и другие по коррозионной стойкости значительно уступают чистому алюминию.

Электроотрицательные элементы Si, Mn, Mg не устраняют пассивность алюминия, поэтому простые силумины, не содержащие медь, сохраняют коррозионную стойкость во влажной атмосфере. Марганец оказывает даже положительное влияние, так как, образуя фазу (MnFe)Al6, удаляет железо из твердого раствора и, тем самым, устраняет его вредное действие. Коррозионная стойкость сплава АМц по этой причине даже выше коррозионной стойкости технически чистого алюминия. Магний образует с алюминием анодную фазу Mg2Al3, которая на поверхности сплава быстро растворяется, и поверхность становится однофазной. Это объясняет высокую коррозионную стойкость сплавов АМгб, АМг10, которая лишь немного уступает стойкости чистого алюминия.

Алюминий и его сплавы чувствительны к контактной коррозии. При контакте с более электроположительными металлами (Fe, Ni, Си) алюминий является анодом и разрушается. Алюминиевые сплавы, легированные медью, подвержены МКК. Для защиты от такой коррозии сплавы дополнительно легируют магнием, а листовые полуфабрикаты плакируют чистым алюминием.

КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ СТАЛИ

Коррозионно-стойкие стали являются высоколегированными и содержат не менее 13 % Сr, что обеспечивает образование на поверхности металла

пассивирующей защитной пленки.

Их разделяют на классы в зависимости от структуры, которая образуется после высокотемпературного нагрева и охлаждения на воздухе: мартенситный, мартенситно-ферритный (при содержании феррита не менее 10 %), ферритный, аустенитно-ферритный (при содержании феррита не менее 10 %), аустенитный и аустенитно-мартенсит-ный (ГОСТ 5632-72). Суммарное влияние феррито- и аустенитообразую-щих элементов характеризуют эквиваленты хрома Сrэкв и никеля Niэкв:

Сrэкв = Сr + 2Si + 1,5Мо + 5V + 5,5Аl + l,75Nb + l,5Ti + 0,75W;

Niэкв = Ni + 0,5Mn + 30C + 30N + 0,3Cu,

где символы легирующих элементов обозначают их массовые доли в данной марке стали, а числа — коэффициенты активности.

Внастоящее время разработано несколько групп высокоазотистых коррозионно-стойких сталей с низким содержанием углерода.

Повышение прочности и снижение стоимости коррозионно-стойких сталей наиболее эффективно достигается путем использования азота в качестве легирующего элемента.

Азот — доступный практически в неограниченном количестве из воздуха легирующий элемент — отличается повышенной аустенитообразующей

иупрочняющей способностью. Он эффективно заменяет никель и, являясь, как и углерод, элементом внедрения, интенсивно упрочняет сталь. Использование азота в качестве легирующего элемента сдерживалось трудностью введения его в сталь ввиду малой (0,045 % (мае.)) растворимости в жидком железе. Кроме того, азот улетучивается из стали при термической обработке и сварке.

Внастоящее время разработаны промышленные способы введения азота в жидкую сталь, что привело к созданию нового перспективного класса высокоазотистых сталей, отличающихся высокими прочностью и коррозионной стойкостью. Для введения азота необходимо большое давление и наличие в стали нитридообразующих элементов (Ti, Nb, V, Сг, Мn). Сталь выплавляют в индукционной печи и раскисляют. После этого ковш с готовой сталью помещают в специальную установку, в которой создают давление газообразного азота до 10 МПа. На поверхности стали молекулы азота диссоциируют, атомарный азот растворяется и диффундирует в жидкую сталь. Процесс кристаллизации идет при высоком давлении, масса получаемых слитков — до 2 т.

Растворимость азота в жидкой стали значительно увеличивает хром — необходимый элемент коррозионно-стойких сталей. Кроме того, хром

связывает азот в прочные нитриды CrN и Cr2N, имеющие высокую (до 1200 ° С) термическую стабильность. Оба эти фактора обусловили возможность сверхравновесных (1,0 - 1,3%) концентраций азота именно в коррозионностойких .сталях. В обычных конструкционных коррозионно-стойких сталях содержание азота составляет 0,15 - 0,25 %.