Целая. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты

• Название: Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты
• Анкор: Целая.doc
• Дата: 30.10.2017
• Размер: 32.33 Mb.
• Имя файла: Целая.doc
• Тип: Учебник; #9974
• страница: 21 из 30

Глава 9

В настоящей главе кратко рассмотрены только те металлы и спла­вы, которые применяются в твердотопливных двигателях. Вопросы металловедения - предмет рассмотрения специальных курсов, поэто­му приводим только основные свойства металлов и сплавов, касающи­еся ракетной техники. Не рассматриваем также стали, так как они, если и применяются в РДТТ, то не в определяющих деталях и узлах. Конеч­но, первые твердотопливные двигатели и у нас, и в других странах во многом изготовлялись из высокопрочных и жаропрочных сталей типа СП-28 и СП-33. Но на смену им пришли полимерные пластики, компо­зиционные материалы и высокопрочные сплавы легких металлов.
9.1. СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ

1. СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ
Алюминий - металл серебристо-белого цвета. Он не имеет алло­тропных превращений и кристаллизуется в решетке гранецентрированного куба с периодом а = 4,041 Å. Это один из наиболее распростра­ненных элементов в природе, его содержание в земной коре достигает 7,45 %, уступает он в этом лишь кислороду и кремнию.

У алюминия малая плотность, хорошая тепло-, электропровод­ность, высокие коррозионная стойкость и пластичность.

Физические свойства алюминия высокой чистоты (99,996 % А1)

Атомная масса 26,9

Плотность при 20 °С (293 К), кг/м³ 2 700

Температура плавления, К 933

Удельное электросопротивление при 20°С

(293 К), 0м м 0,0269

Теплопроводность, Вт/(м∙К) 217,71

Коэффициент термического расширения

20...100°С(293... 373 К), 1/град 23,8∙10^-6

Модуль упругости, МПа 71 000

Алюминий легко окисляется на воздухе, образуя на поверхности плотную пленку оксида А1₂О₃, предохраняющую его от дальнейшего окисления и коррозии в атмосферных условиях, в воде и других сре­дах. Стоек в концентрированной азотной кислоте и некоторых орга­нических кислотах: лимонной, винной, уксусной и др. Минеральные кислоты (соляная, плавиковая) и щелочи разрушают алюминий.

Алюминию свойственна высокая отражательная способность, у него малое эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтро­нов. Хорошо обрабатывается давлением, обладает удовлетворитель­ной свариваемостью, но плохо обрабатывается резанием.

Постоянные примеси алюминия - Fe, Si, Cu, Zn, Ti. В зависимости от содержания примесей различают первичный алюминий особой чистоты - А999, А995; высокой чистоты - А99, А97, А95 (0,005...0,05 % примесей) и технической чистоты – А85, А8 и др. (0,15...1 % примесей).

Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния (табл. 36).

Таблица 36

Механические свойства алюминия

Марка	Содержание примесей, %	Состояние	ϭв, МПа	ϭ0,2 МПа	ε, %	НВ, ГПа
А 95	0,005	Литой	50		45	15
А5	0,500	Литой	75		29	20
А0	1,000	Литой	90		25	25
А0	1,000	Деформированныйи отожженный	90	30	30	25
А0	1,000	Деформированный	140	100	12	32

Обозначения:ϭ_в– прочность при растяжении; ϭ_0,2–предел текучести условный;

ε – относительное удлинение; НВ–твердость по Бринеллю.

Примечание. Отжиг алюминия для снятия наклепа производится при температуре 350...400°С.

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
К преимуществам алюминиевых сплавов относятся высокая удель­ная прочность (ϭ_уд. = ϭ_в/γ) и способность сопротивляться инерционными динамическим нагрузкам (здесь γ = ρ ∙ g – уд.вес). Предел прочности при растяжении алюминиевых сплавов дости­гает 500...700 МПа при плот­ности не более 2 850 кг/м³. По удельной прочности некото­рые алюминиевые сплавы (ϭ_уд. ≥ 21 км) превышают вы­сокопрочные стали.

Рис. 84. Диаграмма состояния AI - ЛЭ:

А - деформируемые сплавы;

В - литейные спла­вы;

I - не упрочняемые термической обработ­кой;

II - упрочняемые термической обработкой.
В качестве основных леги­рующих элементов (ЛЭ) алю­миниевых сплавов применяют Сu, Mg, Si, Zn, реже Li, Ti, Be, Zr. Большинство легирующих элементов образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости и промежуточные фазы с алюминием и между собой –CuAl₂, Mg₂Si и др. Алюминиевые сплавы классифицируют по техноло­гии изготовления и способности к термической обработке (рис. 84).
9.1.1 ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

9.1.1.1. СПЛАВЫ, НЕ УПРОЧНЯЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
К этой группе относятся сплавы АМц и АМг (табл. 37). АМц принад­лежит к сплавам системы А1–Мn. Структура сплава представляет собой ос-твердый раствор и вторичные выделения фазы MnAl, переходящие в твер­дый раствор при повышении температуры. В присутствии железа вместо МпА1₆ образуется сложная фаза (FeMn)Al₆, практически не растворимая в алюминии, поэтому сплав АМц не упрочняется термической обработкой. В отожженном состоянии он обладает высокой пластичностью (относи­тельное поперечное сужение φ = 70 %; относительное удлинение ε =30 %) и низкой прочностью (предел прочности при растяжении ϭ_в = 110 МПа).


Таблица 37

Механические свойства алюминиевых сплавов

Система	Марка сплава	ϭв, МПа		ϭ0,2, МПа	ϭк, МПа	Склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением
		Основной материал	Сварной шов	Основной материал
	АМг6М	320	300	160	280	Не склонен
Al - Mg	АМг6Н (20 % нагарт.)	380	340	290		Малосклонен
	АМг6НН (40 % нагарт.)	430	370	300		Склонен
Al-Zn-Mg	1915	370	350	260	300	Склонен
Al-Cu-Mn	Д20, 1201	430	300	340	290...300	Малосклонен
Al-Cu-Mn-Cd	01205	460	320	370		Не склонен
Al - Cu - Mn-Si	АК9	440	320	320	300	Малосклонен
Al - Cu - Mg	ВАД1	410	370	300	320	Не склонен
Al-Be	АБМ-1	440...650	400	220...550	370	Не склонен
Al - A12O3	САП-1	290	220	220		Не склонен
Al - Si - Ni	САС-1	270	200			Не склонен

Обозначения: ϭ_в- прочность при растяжении;ϭ_0,2- пределтекучести;ϭ_к- конструктивнаяпрочность.
Сплавы АМг принадлежат к системе Al-Mg. Магний образует с алюминием α-твердый раствор, концентрация которого при повыше­нии температуры увеличивается с 1,4 до 17,4 % в результате растворе­ния фазы Mg₂Al, И тем не менее сплавы, содержащие до 7,0 % Mg,дают очень незначительное упрочнение при термической обработ­ке. Вследствие этого сплавы АМг, как и АМц, используют в ото­жженном (мягком –М), реже – в нагартованном (Н – 80 % наклепа) и полунагартованном (П– 40 % наклепа) состояниях. Применение наклепа ограничено ввиду резкого снижения пластичности.

Эти сплавы применяют для изделий, требующих высокой кор­розионной стойкости и получаемых методами глубокой вытяжки исварки.

9.1.1.2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СВАРИВАЕМЫЕ СПЛАВЫ
Сварные конструкции из алюминиевых сплавов находят широ­кое применение в ракетостроении. Достоинство этих соединений –в их герметичности, качестве очень важном при изготовлении емко­стей и разного рода герметичных отсеков и в то же время способ­ствующем устранению вредных и трудоемких клепальных работ.

До последнего времени основным конструктивным свариваемым сплавом был не упрочняемый термической обработкой АМг6– с пределом прочности при растяжении 320 МПа и пределом текучес­ти 180 МПа. Повышение прочностных характеристик свариваемых сплавов осуществляется нагартовкой полуфабрикатов, использова­нием сплавов, упрочняемых термической обработкой и сочетанием термической обработки с нагартовкой (табл. 37). Однако в зоне свар­ных швов упрочнение от нагартовки или термической обработки может снижаться, вызывая необходимость в местном утолщении материала для получения равнопрочной конструкции.

Сварные конструкции из алюминиевых сплавов широко исполь­зуют при создании сварных баков, сварных конструкций корпусов ракет и пр. В отечественной практике накоплен большой опыт при­менения свариваемых алюминиевых сплавов, не упрочняемых терми­ческой обработкой, особенно типа магналий: АМг2, АМг3, АМг4, АМг5, АМг6, АМг61.

Низколегированные сплавы АМг2, АМг3 применяют в изготов­лении различных бензо- и маслотрубопроводов в самолето- и ракетостроении. Пластичность и коррозионная стойкость сварных со­единений из этих сплавов столь же высоки, как и у основного метал­ла. Для повышения прочности, и особенно предела текучести листов и плит из сплава АМг6 толщиной до 15...20 мм, их нагартовывают на20...40 %, что обеспечивает временное сопротивление разрыву по­рядка 400...500 МПа, предел текучести - более 290 МПа, относитель­ное удлинение – более 6 %.

Нагартовка листов и плит производится методом растяжения на специальной растяжной машине при комнатной температуре. В то же время сварные швы из нагартованного и ненагартованного сплава АМг6 мало отличаются друг от друга в результате отжига материала в зоне сварки. Для сварных конструкций, работающих при криогенных и повышенных температурах, применяют сплавы АК8, 1201, Д1205, ВДА1. В табл. 38 приведены механические свой­ства плакированных листов всех толщин из сплава 1201 и его свар­ных соединений.

Таблица 38

Механические свойства основного материала и сварных соединений плакированных листов из сплава 1201

Толщина листа, мм	Основной материал				Сварные соединения с усилением
	Состояние	ϭв, МПа	ϭ0,2, МПа	ε, %	ϭв, МПа	λ, кДж/(кг∙К)
2	п*	330	220	17	290	70...90
10	Т1	430	330	10	270	40...50
	Т1Н	440	350	8

*П - без термообработки.