физические. физические и химические свойства металлов. Учебное пособие 3 Предисловие
 Скачать 0.49 Mb.
|
|
В твердом растворе, так же как и в чистом металле, атомы образуют кристаллическую решетку. Один из компонентов сохраняет свою кристал- лическую решетку и составляет основу сплава. Другой компонент в виде отдельных атомов распределяется в решетке первого. В зависимости от ха- рактера этого расположения различают твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения. В растворах внедрения атомы растворимо- го компонента размещаются в пустотах между атомами растворителя. Это возможно только при существенном различии размеров атомов компонен- тов. Например, углерод, бор в кристаллической решетке железа. Растворы внедрения не могут быть концентрированными, т.к. с увеличением концен- трации возрастают искажения кристаллической решетки основного компо- нента, и растворимость прекращается. В растворах замещения атомы растворимого компонента замещают атомы основного металла в узлах кристаллической решетки. Твердые рас- творы замещения могут быть ограниченными или неограниченными. Неог- раниченную растворимость имеют компоненты, для которых выполняются два условия: 1. Одинаковый тип кристаллической решетки. 2. Различие размеров атомов не превышает 5-7%. Например, Cu-Ni, Au-Ag. В полиморфных металлах встречается неог- раниченная растворимость в пределах одной модификации. Например, Fe- a дает непрерывный ряд твердых растворов с Cr, а Fe-g с Ni. У металлов с различным типом кристаллических решеток может от- сутствовать взаимная растворимость. В процессе кристаллизации таких сплавов образуется механическая смесь, состоящая из двух типов зерен. Химические соединения чаще всего образуют элементы, значительно удаленные в таблице Менделеева. Особенности химических соединений: 66 1. Соотношение атомов компонентов строго определено и отвечает формуле вида A n B m 2. Кристаллическая решетка их отлична от кристаллических решеток образующих их компонентов. 3. Свойства химических соединений существенно отличаются от свойств исходных компонентов. 4. Подобно чистым металлам они имеют постоянную температуру плавления. Сплавы применяют как конструкционные и инструментальные мате- риалы. В машиностроении используют две группы сплавов железа с угле- родом: стали (C от 0,05 до 1,5 %) и чугуны (C от 2,5 до 3,5 %). В состав сталей дополнительно могут входить Mn, Si, V, W, Mo, Ti, Cr, Ni. В качестве цветных сплавов широко применяют сплавы на основе меди и алюминия. Медные сплавы подразделяют на латуни (с содержанием Zn до 45 %) и бронзы, легированные Sn, Al, Be, Mn, Si. Сплавы на основе алюминия в за- висимости от технологических свойств и химического состава подразделя- ют на дюралюмины (Al и 4 % Cu), силумины (Al и 9-12 % Si) и др. В приборостроении используют прецизионные сплавы. Это сплавы со специальными физико-механическими свойствами, которые достигают- ся за счет точного химического состава и структуры. По физическим свойствам и областям применения прецизионные сплавы делятся на группы: магнитнотвердые, магнитномягкие, с заданным температурным коэффициентом линейного расширения, с особыми упру- гими свойствами, сплавы с высоким электрическим сопротивлением. Зна- чительное применение в приборостроении и микроэлектронике нашли сплавы на основе олова, палладия, серебра, индия и некоторых других ме- таллов. Сплавы олова со свинцом и сурьмой, сплавы индия с оловом, свин- цом, кадмием и никелем нашли применение в промышленности в качестве припоев с низкой температурой плавления (менее 100 о С) и используются при изготовлении полупроводниковых приборов. Сплавы на основе палладия, платины и серебра используются в про- мышленности в качестве материалов для скользящих электрических кон- тактов. Сплав палладий-индий при содержании последнего более 36% об- ладает высокой коррозионной стойкостью и имеет цвет золота, т.е. облада- ет высоким декоративным видом. Сплавы с заданным ТКЛР. Для большинства металлов и сплавов ТКЛР возрастает с увеличением температуры. Для Fe при 0 о С составляет 11,3 ·10 -6 К -1 , а при 600 о С - 14,5 ·10 -6 К -1 Для измерительных приборов в геодезии, метрологии часто требует- 67 ся применение материалов с малым значением ТКЛР. В этих случаях ис- пользуют сплавы системы Fe-Ni, имеющие аномальную зависимость ТКЛР от концентрации. Минимальное значение a=1,5·10 -6 К -1 имеет сплав с 36% Ni, а максимальное значение a=20·10 -6 К -1 - сплав с 25% Ni. Сплавы с со- держанием никеля 32-39% составляют группу инварных сплавов. Эти ма- териалы отличаются низким значением ТКЛР. Сплав 36Н (инвар) имеет ТКЛР=1,5 ·10 -6 К -1 . Температурный диапазон эксплуатации от-20 до 100 о С. Сплавы высокой проводимости применяются для проводников электрического тока, поэтому должны иметь малое удельное сопротивле- ние, высокую коррозионную стойкость и технологические свойства. Прак- тическое применение имеют медь и алюминий высокой чистоты. Медь имеет удельное сопротивление ниже, по сравнению с алюминием, но отли- чается большей плотностью и прочностью. Сплавы с высоким электросопротивлением применяются для на- гревательных элементов и прецизионных элементов сопротивления (обмо- ток потенциометров, шунтов, резисторов). Материалы нагревательных элементов, кроме высокого удельного сопротивления, должны обладать окалиностойкостью, т.е. не окисляться в условиях повышенной температу- ры. Одним из таких материалов является сплав на основе системы Ni-Cr, называемый нихромом. Нихром марки Х20Н80 содержит 20% Cr и 80% Ni. Для изготовления прецизионных элементов сопротивления использу- ют медно-никелевые сплавы. Они отличаются высоким электросопротив- лением и малым температурным коэффициентом электросопротивления a r . В сплаве МНЦ 3-12 (манганин) содержится 3% Ni и 12% Mn (остальное -Cu). Манганин применяется для прецизионных элементов сопротивления. В сплаве МНЦ 40-1,5 (константан) содержится 40% Ni и 1,5% Mn (осталь- ное -Cu). Константан отличается высокой термоэлектродвижущей силой в паре с медью, поэтому его применяют в термопарах. Магнитные сплавы подразделяют на две группы, резко отличаю- щиеся формой гистерезисной кривой и значениями характеристик. К пер- вой группе относятся магнитотвердые сплавы. Они характеризуются высо- ким значением коэрцитивной силы и остаточной индукцией. Эти материа- лы в течение длительного времени сохраняют намагниченное состояние и применяются для постоянных магнитов. Ко второй группе относят магни- томягкие сплавы, для которых значение коэрцитивной силы мало. Магнит- ные свойства материалов зависят не только от химического состава, но и от структурного состояния вещества. Легко намагничиваются, т.е. имеют ма- лую коэрцитивную силу, технически чистые металлы и твердые растворы на их основе. Количество дефектов в них должно быть минимально. Гра- 68 ницы зерен должны иметь минимальную протяженность, т.е. зерна должны быть крупными. В качестве магнитомягких материалов применяют техни- ческое железо (0,02-0,04 % С) и электротехническую сталь (97% Fe и 3% Si), а также сплавы системы Fe-Ni (пермаллои) и системы Fe-Ni-Si (аль- сиферы). Высокой коэрцитивной силой и остаточной индукцией обладают сплавы, которые имеют значительные структурные несовершенства. Эти несовершенства могут быть вызваны наклепом или фазовыми превраще- ниями. В качестве магнитотвердых материалов применяют стали, легиро- ванные Cr и Co, а также сплавы на основе Fe, Ni, Co. Сплавы с особыми упругими свойствами. В приборах часто ис- пользуют упругие элементы (мембраны, пружины, сильфоны), которые должны обладать стабильностью упругих свойств. Упругие элементы должны обладать высоким пределом упругости, релаксационной стойко- стью, коррозионной стойкостью, немагнитностью, а также стабильной ха- рактеристикой. Характеристикой называют зависимость деформации от приложенного напряжения. Характеристика упругого элемента должна быть линейной и допускать возможно большее упругое перемещение. Ли- нейность характеристики обеспечивает точность прибора, а упругое пере- мещение - чувствительность. Материал, удовлетворяющий указанным тре- бованиям, должен обладать стабильной дислокационной структурой, где закреплена практически каждая дислокация. Для закрепления дислокаций используют легирование, повышение плотности дислокаций за счет пла- стической деформации, выделение дисперсных частиц вторичных фаз. Для изготовления таких элементов применяют сплавы на основе сис- темы Fe-Ni с содержанием никеля от 25 до 45% и сплавы системы Cu-Be. Сплав 44НХТЮ, называемый элинваром, содержит 44% Ni, 5,5% Cr, 2,5% Ti, около 1% Al, остальное Fe. Бериллиевая бронза БрБ2 содержит 2% Be и 98% Cu. Для достижения высоких эксплуатационных характеристик эти сплавы подвергают сложной термической обработке. Температурный диа- пазон эксплуатации бериллиевой бронзы до 100 о С, элинвара – до 200 о С. Металлы, оксиды, нитриды и карбиды на основе металлов исполь- зуются при изготовлении различных неметаллических материалов в том числе керамики, ситаллов и различных композиционных материалов [11,12]. Керамика. Керамикой называют неорганические материалы, полу- ченные путем высокотемпературного спекания отформованных минераль- ных порошков. При нагреве до 1200-1250 о С исходные химические соеди- нения взаимодействуют между собой и образуют кристаллическую и аморфную фазу. Керамика представляет собой пористый материал, со- 69 стоящий из оксидов, нитридов, карбидов или твердых растворов на их ос- нове. Керамические материалы обладают разнообразными свойствами. Различные классы керамики имеют специфическое применение. Характер- ной особенностью керамических материалов является хрупкость. Сопро- тивление разрушению тем выше, чем мельче кристаллы и чем меньше по- ристость. Существует две группы конструкционной керамики: оксидная и безоксидная. Оксидная керамика содержит оксиды Al 2 O 3 , ZrO 2 , BeO и др. Тем- пература плавления оксидов превышает 2000 о С, поэтому оксидную кера- мику относят к огнеупорам. Корунд (Al 2 O 3 ) обладает высокой прочностью, которая сохраняется при повышенной температуре, химической стойкостью, диэлектрическими свойствами. Плотность корунда 3,96 г/см 3 , s сж =5000 Н/мм 2 . Корунд широ- ко применяют как инструментальный материал, для деталей высокотемпе- ратурных печей, в вакуумной технике. Оксид циркония (ZrO 2 ) имеет низкий коэффициент теплопроводно- сти, поэтому применяется как тепловая изоляция печей, для тиглей. Керамика на основе оксида бериллия (BeO) отличается высокой теп- лопроводностью, обладает способностью рассеивать ионизирующее излу- чение тепловых нейтронов, применяется в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах. Безоксидная керамика. К этой группе относят нитриды, карбиды, бориды, силициды. Эти соединения отличаются высокой хрупкостью, ог- неупорностью (свыше 3000 о С), твердостью, стойкостью в агрессивных средах. Карбиды. Наибольшее распространение получил карбид кремния SiC– карборунд. Он применяется в качестве абразива и в качестве материа- ла нагревательных элементов. Бориды. Применяют бориды тугоплавких элементов – титана TiB 2 и циркония ZrB 2 . Они отличаются металлическими свойствами, обладают высокой электропроводностью, твердостью, стойкостью к окислению. Их используют для термопар, работающих при температуре свыше 2000 о С, тиглей. Нитриды обладают низкой теплопроводностью, при обычной темпе- ратуре являются диэлектриками, а при высокой – полупроводниками. Наи- большее распространение имеют нитрид бора BN и нитрид кремния Si 3 N 4 Нитрид бора имеет две модификации a–BN с гексагональной структурой и b–BN с кубической структурой. a–BN применяют в качестве материала для обтекателей антенн и электронного оборудования летательных аппаратов. b–BN является заменителем алмаза, стоек к окислению до 2000 о С. 70 Нитрид кремния отличается высокой стойкостью к окислению до 1600 о С. По удельной прочности при высоких температурах нитрид крем- ния превосходит все конструкционные материалы, а по стоимости дешевле жаропрочных сплавов. Он применяется для высоконагруженных деталей, работающих при высоких температурах. Ситаллы. Ситаллом называют искусственный поликристаллический материал, полученный кристаллизацией стекла определенного состава. Структура ситалла представляет собой смесь очень мелких (размером 0,01- 1 мкм) беспорядочно ориентированных кристаллов и остаточного стекла. Кристаллическая фаза образует каркас, что в совокупности с остаточным стеклом обеспечивает ситаллам сочетание ценных физико-химических свойств. Плотность ситаллов 2,5-2,9 г/см 3 , предел прочности sσ изг =90-130 Н/мм 2 , s сж =400-800 Н/мм 2 , ТКЛР=5-80 10 -7 К -1 , термостойкость (в зависи- мости от группы) 250-900 о С, водопоглощение – нулевое. Кристаллизация стекла происходит в присутствии катализаторов, ко- торые инициируют процесс зарождения центров кристаллизации. В качест- ве катализаторов используют металлы Au, Ag, Pt, Cu, оксиды Li 2 O, TiO 2 , Al 2 O 3 , фториды NaF, CaF 2 По основным эксплуатационным свойствам и по химическому соста- ву ситаллы подразделяют на три основные вида: термоситаллы, фотоси- таллы и ситаллы на основе промышленных отходов. В группу термоси- таллов входят ситаллы с низким и высоким ТКЛР, высокими диэлектриче- скими свойствами, оптически прозрачные, глушеные. Термоситаллы с низ- ким ТКЛР производят на основе системе Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 . Оптически про- зрачные материалы этой группы применяют для защитных окон высоко- температурных аппаратов. Термоситаллы на основе MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 отли- чаются высокими диэлектрическими и механическими свойствами. Их применяют в радиотехнике в качестве материалов для плат и радиодеталей. Высококремнистые термоситаллы на основе системы SiO 2 -Na 2 O-Al 2 O 3 применяют для спаев с металлическими сплавами, а также в качестве ди- электриков. Фотоситаллы – это стеклокристаллические материалы системы Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 .Изделия из фотоситалла получают фотохимическим спо- собом. Сначала на пластину из прозрачного фоточувствительного стекла накладывают негатив из кварцевого стекла. Проводят экспонирование, в результате чего на фоточувствительном стекле образуется невидимое изо- бражение. При нагревании происходит кристаллизация облученных участ- ков, изображение становится видимым. В изделии можно выполнить уг- лубления или отверстия путем обработки в 10% растворе плавиковой ки- слоты. Кристаллическая фаза растворяется более интенсивно по сравнению 71 со стекловидной. После травления изделия повторно облучают и проводят кристаллизацию. В результате получают полупрозрачный материал, кото- рый отличается высокой прочностью, твердостью, способностью подвер- гаться металлизации. Фотоситалл применяют для изготовления визирных сеток, шкал оп- тических приборов. В отличие от стекол этот материал не повреждается царапанием, не дает усадки после кристаллизации. Ситаллы на основе промышленных отходов производят за счет утилизации промышленных отходов металлургического производства (шлакоситаллы) и отходов ТЭЦ на твердом топливе (золоситаллы). Они отличаются высокой химической стойкостью в кислотах и щелочах, стой- костью против истирания. Их применяют в качестве футеровочного мате- риала в химических агрегатах, для облицовки стен и полов лабораторий и химических цехов. Композиционные материалы. Композиционными называют мате- риалы, обладающие совокупностью следующих признаков: - не встречаются в природе, поскольку созданы человеком; - состоят из двух или более компонентов, различающихся по хими- ческому составу и разделенных выраженной границей; - имеют новые свойства, отличающиеся от свойств составляющих их компонентов; - неоднородны в микромасштабе и однородны в макромасштабе; - состав, свойства, форма и распределение компонентов "запроек- тированы" заранее; - свойства определяются каждым из компонентов. Основой композиционного материала (КМ) служит матрица. Матри- ца непрерывна в объеме КМ. Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы зависят технологические режимы получения КМ и его эксплуатационные характеристики, такие как плотность, рабочая температура, удельная прочность (временное сопротивление, отнесенное к плотности). Матрица может быть металлической (Al, Mg, Ni) и неметалли- ческой (полимерной, углеродной, керамической). Созданы материалы с комбинированными матрицами, состоящие из двух или более слоев раз- личного состава. Такие КМ называют полиматричными (рис. 5а). В матрице рав- номерно распределен армирующий элемент (наполнитель). По своим свойствам ар- Рис. 5 72 мирующие элементы должны значительно превосходить матрицу, т.е. иметь более высокие прочность, твердость, модуль упругости. Свойства КМ зависят от формы, размера и характера распределения наполнителя. Наполнители по форме бывают нуль-мерные, одномерные и двумерные. Нуль-мерными наполнителями являются мелкодисперсные частицы. Од- номерные наполнители имеют в одном направлении размер, намного пре- восходящий два других размера. Такими наполнителями являются волокна. Двумерные наполнители (пластины, ткань) имеют два размера, соизмери- мые с размером всего КМ, а третий – значительно меньше. Существуют материалы, армированные частицами или волокнами различного состава. Такие КМ называют полиармированными (рис. 5б). Композиционные материалы подразделяют на дисперсно- упрочненные и волокнистые. Первые имеют нуль-мерный наполнитель, вторые упрочнены одномерными и двумерными наполнителями. |