Технология конструкционных материалов и материаловедение - 2004.. Коротких М. Т. Технология конструкционных материалов и
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
2.2.2 Алюминий и сплавы на его основе Алюминий - металл серебристо-белого цвета. Температура плавления 650 °С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность - 2.7г/см 3 против 7.8г/см 3 для железа и 8.94г/см 3 для меди. Алюминий обладает электрической проводимостью, составляющей 65% электрической проводимости меди. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты: А999 (99.999% Al); высокой чистоты: А995 (99.995% Al), А99, А97, А95 и технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5, А0 (99.0% Al) ( ГОСТ 11069-74) Технический алюминий изготавливают в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов и маркируют АДО и АД1. Алюминиевая проволока используется в электротехнической промышленности в линиях электропередачи, а прокат алюминия в пищевой промышленности, в качестве кровельного материала и т.д. Чистый алюминий отличается высокой коррозионной устойчивостью, но имеет низкую прочность, что не позволяет использовать его в качестве конструкционного материала. Классификация алюминиевых сплавов Наибольшее распространение получили сплавы Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg и другие. Все сплавы алюминия можно разделить на деформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков и т. д.), а также поковок и штампованых заготовок и литейные, предназначенные для фасонного литья. Сплавы алюминия, обладая хорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозийной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости нашли широкое применение в авиации, судостроении, строительстве и других отраслях промышленности. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой Дуралюмины. Дуралюминами называются сплавы на основе элементов Al-Cu- Mg, в которые дополнительно вводят марганец. Дуралюмин, изготовляемый в листах, для защиты от коррозии подвергают плакированию, т.е. покрытию тонким слоем алюминия высокой чистоты. Из сплава Д16 изготовляют обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей и т.д. Дуралюмины маркируются буквой "Д" и порядковым номером, например: Д1, Д12, Д18, но иногда и по-другому, например - АК4, АК8. Дуралюмины можно упрочнять термообработкой, которая состоит из закалки и последующего старения. Прочность сплава при этом значительно повышается. Например, сплав Д16 - σ 0.2 =400МПа, σ в =540МПа, δ=11%. Сплавы авиаль (АВ). Эти сплавы уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях. Авиаль удовлетворительно обрабатывается резанием (после закалки и старения) и сваривается контактной и аргонодуговой сваркой. Сплав обладает высокой общей сопротивляемостью коррозии, но склонен к межкристаллитной. Из сплава АВ изготовляют различные полуфабрикаты (листы, трубы и т.д.), используемые для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузки, кованые детали двигателей, рамы, двери, для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состояниях. Сплав АВ - σ 0.2 =200МПа, σ в =260МПа, δ=15% Высокопрочные сплавы. Предел прочности этих сплавов достигает 550- 700МПа, но при меньшей пластичности, чем у дуралюминов. Представителем высокопрочных алюминиевых сплавов является сплав В95. При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов повышается, а их пластичность и коррозийная стойкость понижаются. Добавки марганца и хрома улучшают коррозийную стойкость. Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем состоянии и сравнительно легко деформируются в холодном состоянии после отжига. Сплав В95 хорощо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой, его применяют в самолетостроении и судостроении для нагруженных конструкций, работающих длительное время при t<=100 ÷120°С. Сплав В95 рекомендуется для сжатых зон конструкций и для деталей без концентраторов напряжений. Сплав В95 - σ 0.2 =530-550МПа, σ в =560-600МПа, δ=8%. Сплавы для ковки и штамповки. Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки для последующей обработки давлением. Сплав АК6 используют для деталей сложной формы и средней прочности, изготовление которых требует высокой пластичности в горячем состоянии. Сплав АК8 рекомендуют для тяжелонагруженных штампованных деталей. Сплав АК8 - σ 0.2 =300МПа, σ в =480МПа, δ=10%. Жаропрочные сплавы. Эти сплавы используют для деталей, работающих при температуре до 300 °С. Жаропрочные сплавы имеют более сложный химический состав, чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Их дополнительно легируют железом, никелем и титаном. Сплав Д20 - σ 0.2 =250МПа, σ в =400МПа, δ=12%. Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем или с магнием. Сплавы легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и обладают высокой коррозийной стойкостью. Обработка резанием затруднена. Сплавы (АМц, АМг2, АМг3) применяют для сварных и клепанных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующих высокого сопротивления коррозии. Сплав АМг3 - σ в =220МПа, σ 0.2 =110МПа, δ=20%. Литейные алюминиевые сплавы Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии и др. Сплавы Al-Si (силумины). Отличаются высокими литейными свойствами, а отливки - большой плотностью. Сплавы Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9) сравнительно легко обрабатываются резанием. Сплав АЛ9 - σ в =200МПа, σ 0.2 =140МПа, δ=5%. Сплавы Al-Cu. Эти сплавы (АЛ7, АЛ19) после термической обработки имеют высокие механические свойства при нормальной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства низкие. Сплав АЛ7 используют для отливки небольших деталей простой формы, сплав склонен к хрупкому разрушению. Сплав АЛ7 - σ в =240МПа, σ 0.2 =160МПа, δ=7%. Сплавы Al-Mg. Имеют низкие литейные свойства. Характерной особенностью этих сплавов является хорошая коррозийная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием. Сплавы АЛ8, АЛ27, АЛ13 и АЛ22 предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере, например, в судостроении и авиации. Сплав АЛ8 - σ в =350МПа, σ 0.2 =170МПа, δ=10%. Жаропрочные сплавы. Наибольшее применение получил сплав АЛ1, из которого изготавливают поршни, головки цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275-300 °С. Сплав АЛ1 - σ в =260МПа, σ 0.2 =200МПа, δ=0.6%. Следует отметить, что при обозначении алюминиевых сплавов отсутствует строгая система и о составе конкретного сплава можно судить только с привлечением специальных справочников. 2.2.3 Магний и сплавы на его основе Магний - металл светло-серого цвета. Характерным свойством магния является его малая плотность (1.74г/см 3 ). Температура плавления магния 650 °С. Кристаллическая решетка гексагональная. Технический магний выпускают трех марок МГ90, МГ95 и МГ96. Механические свойства литого магния: σ в =115МПа, σ 0.2 =25МПа, δ=8%, 30НВ. При повышении температуры магний интенсивно окисляется и даже воспламеняется Используется магний в пиротехнике и химической промышленности. Сплавы на основе магния Чистый магний обладает малой прочностью и пластичностью, поэтому как конструкционный материал не используется. Для улучшения свойств в магниевые сплавы вводят алюминий, цинк, марганец и другие легирующие добавки. Магниевые сплавы подразделяют на деформируемые (ГОСТ 14957-76) и литейные (ГОСТ 2856-79). Первые маркируются буквами "МА", вторые "МЛ". После букв указывается порядковый номер сплава в соответствующем ГОСТе. Например: МА1-деформируемый магниевый сплав №1; МЛ19-литейный магниевый сплав №19 Сплав МЛ5 - σ в =226МПа, σ 0.2 =85МПа, δ=5%. Сплав МА1 - σ в =190-220МПа, σ 0.2 =120-140МПа, δ=5-10%. Сплавы магния обладают малой плотностью, высокой удельной прочностью, хорошо поглощают вибрации, что определило их широкое использование в авиационной и ракетной технике. Однако сплавы магния имеют низкий модуль нормальной упругости 43000МПа и плохо сопротивляются коррозии, поэтому изделия из них даже защищают от окисления в атмосферных условиях специальными лаками. 2.2.4 Титан и сплавы на его основе Титан - металл серого цвета. Температура плавления титана 1668 °С. Титан имеет две аллотропические модификации: до 882 °С существует α-титан (плотность 4.505г/см 3 ), который кристаллизуется в гексагональной решетке с периодами а=0.2951нм и с=0.4684нм , а при более высоких температурах - β-титан (при 900°С плотность 4.32г/см 3 ), имеющий решетку, период которой а=0.3282нм. Технический титан изготовляют двух марок: ВТ1-00, ВЕ1-0. Удельная прочность титана выше, чем у некоторых легированных конструкционных сталей, однако, в настоящее время, существуют легированные стали, удельная прочность которых выше, чем у титановых сплавов, при меньшей стоимости. Поэтому титановые сплавы применяются только тогда, когда требуются уникальные химические или физические свойства титана. Титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, из него можно изготовить сложные отливки, но обработка резанием затруднительна (трудоемкость обработки резанием на порядок превышает таковую для конструкционной углеродистой стали). При высокой температуре титановые сплавы склонны к газопоглощению, особенно водорода. При этом пластичность их падает. Поэтому горячую обработку титана давлением, литьё, сварку приходится проводить в атмосфере защитных газов, что еще более удорожает изделия. Титан и его сплавы (ГОСТ 19807-91) маркируют буквами "ВТ" и порядковым номером: ВТ1-00, ВТЗ-1, ВТ4, ВТ8, ВТ14. Пять титановых сплавов обозначены иначе: 0Т4-0, 0Т4, 0Т4-1, ПТ-7М, ПТ-3В. Сплавы на основе титана получили значительно большее применение, чем технический титан. Легирование титана Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si повышает его прочность ( σ в , σ 0.2 ), но одновременно снижает пластичность ( δ,ψ). Жаропрочность повышают Al, Zr, Mo, а коррозийную стойкость в растворах кислот - Mo, Zr, Nb, Ta и Pd. Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность. Например, сплав ВТ14 (Al - 5.5%, V - 1.2%, Mo - 3.0%) - σ в =900-1050МПа, δ=10%, KCU=0.5МДж/м 2 , σ -1 =400МПа. Благодаря высокой коррозионной устойчивости титана в соленой воде из него изготавливают корпуса подводных аппаратов, эндопротезы, аппараты пищевой промышленности и тару для пищевых продуктов. 2.2.5 Тугоплавкие металлы и их сплавы Наибольшее значение в технике имеют следующие тугоплавкие металлы: Nb, Mo, Cr, Zr,Ta и W. Их применяют при строительстве ракет, космических кораблей, ядерных реакторов, отдельные узлы которых работают при температуре до 1500-2000 °С. Тугоплавкие металлы и их сплавы используют в основном как жаропрочные. Молибден, вольфрам и хром обладают высокой жаропрочностью, однако они склонны к хрупкому разрушению. Ниобий и тантал - высокопластичные материалы и хорошо свариваются. Цирконий выдерживает высокие температуры в окислительной атмосфере, пластичен и прозрачен для нейтронов. Из него изготавливают корпуса тепловыделяющих элементов атомных реакторов. Сплав на основе ниобия ВН2А - t=1200 °C, σ в =850МПа. Сплав на основе молибдена ЦМ3 - t=1200 °С, σ в =500МПа, σ 100 =180МПа. Сплав на основе вольфрама ВВ2 - t=1200С °, σ в =130МПа, σ 100 =80МПа. 2.2.6 Композиционные материалы с металлической матрицей Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Co, Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Волокнистые композиционные материалы. Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50-100%), модуля упругости, и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение этих материалов повышает жесткость конструкций при одновременном снижении ее металлоемкости. Композиционный материал бор-алюминий (ВКА-1А) - σ в =1300МПа, σ - 1 =600МПа, Е=220Гпа, σ в / γ=500, Е/γ=84.6. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Композиционные материалы применяются в авиации, в космической технике, в горной промышленности, в гражданском строительстве и в других областях народного хозяйства. 2.3 Конструкционные порошковые материалы Порошковыми называют материалы, изготовляемые путем прессования металлических порошков в изделия необходимой формы и размеров и последующего спекания сформованных изделий в вакууме или защитной атмосфере при температуре 0.75-0.8Т пл Антифрикционные порошковые сплавы имеют низкий коэффициент трения, легко обрабатываются, выдерживают значительные нагрузки и имеют хорошую износостойкость. Наибольшее применение получил материал ФМК-11. Сплавы на основе цветных материалов (АЛП-2, АЛПД-2-4, БрПБ-2, ЛП58Г2-2 и др.) применяют в приборостроении и электронной технике. Применение порошковых материалов рекомендуется при изготовлении деталей простой симметричной формы, малых массе и размеров. 2.3.1 Инструментальные порошковые материалы Твердые сплавы (ВК3, ВК6, ВК8, ВК10, Т30К4, Т15К6, Т5К10, ТТ7К10, ТТ8К6, ТТ20К9 и др.), изготовлены методом порошковой металлургии и состоят из карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), соединенных кобальтовой связкой. Сплавы получают прессованием и спеканием порошков с размером частиц около 1мкм и менее при высокой температуре. В зависимости от состава и свойств определяется целесообразная область применения этих сплавов. Они имеют твердость HRC 80…92 и термостойкость в условиях резания металлов 900…1200 °С. Обозначение этих сплавов специфично, например: ВК8 – 92% -WC, 8%-Co, Т15К6 – 15%-TiC, 6%-Co, остальное – WC. В основном, эти сплавы применяются для изготовления лезвий режущего инструмента, а также штампов, волок и деталей машин, находящихся в условиях интенсивного абразивного изнашивания, иногда и при высоких температурах. 2.4 Общие сведения о неметаллических материалах Современную машину или прибор невозможно создать, применяя только металлические материалы. Ряд неметаллических материалов, полученных современной промышленностью обладают значительно более высокими физическими и химическими свойствами. В то же время, такие уникальные свойства этих материалов как электрические изолирующие свойства, эластичность , прозрачность делают эти материалы просто незаменимыми. Неметаллические материалы условно можно разделить на искусственные и природные, органические и минеральные, однородные и композиционные. Наибольшее распространение в технике получили неметаллические материалы на основе различных полимеров. 2.4.1 Пластические массы Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Состав и свойства пластмасс Обязательным компонентом пластмассы является связующее вещество. В качестве связующих для большинства пластмасс используют синтетические смолы, реже применяют эфиры целлюлозы. Другими важными компонентами пластмасс являются наполнители (порошкообразные, волокнистые и другие вещества), красители, пластификаторы, стабилизаторы. Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные специфические свойства. Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного отношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах. Термопластичные пластмассы В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы. Неполярные термопластичные пластмассы. К ним относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4. Полиэтилен - продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам. Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Он химически стоек и при нормальной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. Недостаток его - подверженность старению. Применяют для изготовления труб, пленок, литых и прессованных деталей, не подвергающихся интенсивным механическим нагрузкам.. Полипропилен - жесткий нетоксичный материал с высокими физико- механическими свойствами. Недостаток полипропилена его невысокая морозостойкость (от -10 до -20 °С). Полистирол - твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. Удобен для механической обработки, хорошо окрашивается, растворим в бензине. Недостаток его - невысокая теплостойкость, склонность к старению и образованию трещин. Из полистирола изготавливают детали для радиотехники, телевидения и приборов, сосуды для воды и многое другое. Фторопласт-4 является аморфно-кристаллическим полимером. Разрушение материала происходит при температуре выше 415 °С. Он стоек к воздействию растворителей, кислот, щелочей, не смачивается водой. Применяют его для изготовления труб, вентилей, кранов, насосов, мембран, уплотнительных прокладок, манжет и др. |