книги / Материаловедение. Технология металлов и сварки

стического деформирования или наклепа. Из таких сплавов изготавливают емкости, трубопроводы.

Из термически упрочняемых сплавов наибольшее применение получили дуралюмины, это высокопрочный алюминий – медные сплавы с содержанием меди 3–5 % с добавками Mg, Si (по 1 %).

Литейные сплавы. Наибольшее распространение получили силумины – сплавы алюминия с 13 % Si. Их используют для деталей турбокомпрессорных установок.

6.4. Медь и ее сплавы

Медь (Cu) – металл красного цвета с плотностью 8,9 г/см3

итемпературой плавления 1083 °С, имеет кубическую гранецентрированную решетку без аллотропических превращений.

Медь обладает высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью, хорошей коррозионной стойкостью и текучестью. Она хорошо обрабатывается давлением, хорошо сваривается, легко паяется.

Свойства меди во многом зависят от ее чистоты. Самая чистая медь, выпускаемая промышленностью, – медь марки М0 (0,05 % примесей), далее следует М1 (0,1 % примесей), М2, М3.

Медь широко применяется для изготовления проводников тока, кабелей, шин в электротехнике, теплообменников, радиаторов

ит.д.

Основной недостаток меди – малая прочность, поэтому часто применяют ее сплавы: латуни и бронзы.

6.5. Латуни

Латуни – это сплавы меди с цинком. Они бывают двойными и многокомпонентными. Маркируют латуни буквой Л, за которой ставится цифра, указывающая среднее содержание меди. Например:

Л70 (70 % меди, 30 % цинка).

Если латуни сложного состава, то после буквы Л ставится условное обозначение этих элементов, а затем цифра, указывающая на среднее содержание элемента в процентах. Обозначение элементов:

41

С (свинец), Ж (железо), А (алюминий), Мц (марганец), Н (никель), К (кремний). Например: ЛАЖМЦ 66-6-3-2 – марка латуни, содержащей 66 % меди, алюминия – 6 %; железа – 3 %; марганца – 2 %,

цинка – 23 % (до 100 %).

Латуни, содержащие менее 40 % цинка, обладают высокой пластичностью и их с давних пор применяют для изготовления гильз. Латуни с содержанием цинка более 40 % в технике не применяют ввиду малой пластичности. Для повышения прочности латуни легируют кремнием, марганцем, железом (от 1 до 3 %), добавляют 1–2 % свинца для лучшей обработки резанием.

6.6. Бронзы

Бронзы – сплавы меди со всеми другими элементами, кроме цинка, однако цинк может быть легирующей добавкой.

Названия по основным легирующим элементам: оловянистые, алюминиевые, бериллиевые и т.д. Маркируют буквами Бр, ставя буквы и цифры, обозначающие название и содержание в процентах легирующих элементов. Обозначение элементов: Ф (фосфор), Ц (цинк), Х (хром), Б (бериллий), Ц (цирконий), К (кремний). При-

мер: Бр ОЦС 6-63 (Sn – 6 %, Zn – 6 %, Pb – 3 %, Cu – 85 %).

Применяют в деталях, работающих на трение, в контактах электрооборудования, втулках кранов, зубчатых колесах, в изготовлении биметаллов (хромистые бронзы).

6.7. Титан и его сплавы

Титан (Ti) – металл серебристо-белого цвета с плотностью ρ = 4,5 г/см3 и температурой плавления tпл = 1672 °С.

Сочетание легкости и тугоплавкости делают титан очень полезным материалом. При обычных температурах (комнатных) титан является коррозионно-стойким материалом. Однако нагрев его до температуры 500 °С делает его активным металлом, что является неплохой предпосылкой для легирования металла. Особо опасен для титана водород, который охрупчивает его.

42

Самое основное свойство – полиморфизм:

ГПУ Ti Ti ОЦК.

882 C

Легирующие элементы по влиянию на температуру полиморфного превращения делятся на три группы:

1)α-стабилизаторы, они стабилизируют α-форму Ti и повышают температуру α-β-перехода; из металлов это алюминий, галлий, индий; из неметаллов – кислород, азот, углерод;

2)β-стабилизаторы. β-элементы понижают температуру α-β- перехода; к ним относятся хром, ванадий, молибден, медь;

3)элементы, слабо влияющие на температуру полиморфного превращения; их называют нейтральными упрочнителями.

Наиболее сильно упрочняют титановые сплавы Al, Mo, Si, Cr, наиболее прочными являются α+β- и β-сплавы.

Для жаропрочных титановых сплавов важна такая характеристика, как термическая стабильность – способность сплавов сохранять неизменными структуру и свойства после длительного воздействия повышенных температур.

Особенно сильно снижают термическую стабильность кислород, азот, углерод. Главную роль в повышении термической стабильности играют алюминий, молибден. Они предотвращают образование хрупких фаз, в результате которых происходит снижение пластичности.

Наиболее показательна для механических свойств титановых сплавов такая характеристика, как удельная прочность. Это отношение предела прочности к плотности материала (измеряется в км).

σр = σв/р,

где σв – предел прочности; р – плотность материала.

При одинаковых σв удельная прочность титановых сплавов в 2 раза выше, чем у стали, а конструкция в 2 раза легче, чем стальные.

43

Контрольные вопросы

1.Дайте определение легированным сталям.

2.Как влияют легирующие элементы на свойства сталей?

3.Как маркируют легирующие стали?

4.Что такое жаростойкость?

5.Что такое жаропрочность? Какие механические свойства характеризуют жаропрочные стали?

6.Основные свойства алюминия и его сплавов.

7.Что такое латуни и как их маркируют?

8.Что такое бронзы и как их маркируют?

9.Приведите схему полиморфного превращения титана.

10.Что такое удельная прочность и какое значение эта характеристика имеет для титановых сплавов?

44

Глава 7 КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПЛАСТМАССЫ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

7.1. Общие понятия о пластмассах

Пластическими массами (пластмассами) называются искусственные материалы на основе высокомолекулярных органических соединений – полимеров.

Пластмассы, состоящие из одного вещества – полимера, называются простыми (полиэтилен, полистирол, полихлорвинил и т.д.).

Пластмассы, состоящие из нескольких веществ, называются сложными или композиционными (текстолит, стеклотекстолит и т.д.).

Синтетические полимеры (основа пластмассы) получают полимеризацией и поликонденсацией.

Полимеризация – соединение мономерных молекул (простых) в полимерные за счет перераспределения связей в молекуле мономера:

этилен полиэтилен

n (CH2=CH2)→ – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 –…→(– CH2 – CH2 –)n,

где n – степень полимеризации.

Название полимера в этом случае слагается из названия мономера и приставки «поли».

Поликонденсация – образование высокомолекулярных соединений из простых веществ с выделением побочных продуктов (вода, аммиак, хлор, …). Формула поликонденсации:

Фенол + Формальдегид → Фенолформальдегидная смола + nH2O.

Название складывается из названий простых продуктов + «смола» и выделяются простые вещества.

45

7.2. Деление пластмасс по отношению к нагреву

По отношению к нагреву пластмассы (полимеры) подразделяют на термопластичные (термопласты), термореактивные (реактопласты).

Термопласты – такие пластмассы, полимер в которых после многократного нагрева и охлаждения не изменяет своих свойств

исостава. При этом температура нагрева не должна превышать температуры деструкции. Они при нагреве переходят в высокоэластичное состояние и далее в вязкотекучее. Пример: полиэтилен, полистирол, полихлорвинил.

Термореактивными называются пластмассы, полимер в которых необратимо изменяет свои свойства после первого нагрева. Эти пластмассы из твердого сразу переходят в вязкотекучее состояние

идалее необратимо твердеют. Пример: пластмассы на основе различных смол; фенолформальдегидных, кремнийорганических и т.д. Такие пластмассы характеризуются сетчатым или пространственным строением, т.е. они характеризуются связями между основными цепочками.

7.3. Некоторые примеры переработки пластмасс в изделия

Горячее прямое прессование реактопластов (рис. 7.1).

В матрицу помещают пластмассу в виде гранул, порошка, таблеток и т.д. и прессуют в обогреваемой пресс-форме.

Рис. 7.1. Получение изделий методом прямого прессования

46

Выдавливание или экструзия. Экструзия применяется для получения труб, профилей различного сечения и т.д. Выдавливание осуществляется на специальных червячных (шнковвых) машинах –

экструдерах (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Получение изделий из термопластов методом экструзии

Гранулированный или порошковый термопласт из бункера попадает в цилиндр и перемещается в зону нагревателя. Здесь он переходит в вязко-текучее состояние и непрерывно выдавливается через калиброванное отверстие. Изделие охлаждается водой, сматывается и разрезается.

Формование листовых заготовок (рис. 7.3). При пневматиче-

ском формовании нагретые листовые заготовки с помощью резиновых уплотнений укрепляют на матрице, устанавливают коллектор, через который подают сжатый воздух, и формуют изделие, прижимая заготовку к полости матрицы. Изготавливают банки, бутылки и т.д.

Рис. 7.3. Формование листовых заготовок

47

При вакуумном формовании нагретая заготовка прижимается к полости матрицы за счет разрежения, в процессе откачки воздуха из полости матрицы.

Штамповочное формование (рис. 7.4). При штамповочном формовании изделия из листовых термопластов получают в формах штампов в результате контакта материала с пуансоном и матрицей. Пуансон может быть жестким (металлическим) или пластичным (из полиуретана).

Рис. 7.4. Формование

спомощью штампов

7.4.Композиционные материалы

Композиционные материалы (КМ) – это материалы сложного состава, которые получают путем объемного сочетания разнородных компонентов с границей раздела между ними.

Компонент, непрерывный в объеме КМ, называется матрицей. Компонент, распределенный в матрице, называется наполнителем или арматурой.

Наполнители – в основном дисперсные или коротковолокнистые вещества, введение которых в матрицу позволяет повысить прочность материала в 1,5–2 раза по сравнению с прочностью матрицы.

Арматура (армирующие элементы (АЭ) – длинномерные во-

локна и ткани, из различных материалов, которые при соответствующем содержании в композиции повышают прочность материала в 2–10 раз по сравнению с прочностью матрицы.

48

В КМ могут находиться как наполнители, так и армирующие элементы.

КМ, имеющие одинаковые свойства во всех направлениях, называются изотропными. К ним относятся наполненные порошками, короткими волокнами или чешуйками композиты.

КМ, свойства которых не одинаковы во всех направлениях, называются анизотропными. Это композиты с армирующими элементами в виде непрерывных волокон, пластин, тканей, сеток и т.д.

Широкое применение в технике нашли комбинированные КМ или гибридные. Полиармированные, т.е. содержащие 2 или более армирующих элемента, и полиматричные, имеющие 2 или более матриц.

Примеры композиционных материалов. КМ на металличе-

ской матрице. САП – спеченный алюминиевый порошок. Формируется из алюминиевых частиц, которые покрыты оксидной пленкой. В процессе ТО смеси такого порошка и сажи происходит образование карбида Al4C3 – упрочняющей фазы. В результате получается хороший алюминиевый сплав с высокими механическими свойствами.

Добавками дисперсно-упрочненных сталей служат оксиды циркония, титана, кремния, алюминия.

Волокнистые КМ включают материалы на матрице из алюминия, магния, титана, меди, никеля, кобальта. Их армируют волокнами бора, карбида кремния, оксида алюминия углеродными волокнами, проволоками из стали, титана и т.д. Они отличаются высокой прочностью, жаропрочностью, стойкостью к радиации, тепло- и электропроводностью, низкой плотностью, что позволяет использовать их в авиационной и других видах техники.

Керамические композиционные материалы (ККМ). К таким композитам относятся материалы, у которых матрица выполнена из керамического материала на основе оксидов металлов (Al2O3, ZrO2, CaO, MgO, BeO, UO2) и безоксидных соединений типа карбидов, нитридов, силицидов и т.д.

49

Эти материалы представляют собой композиции одной или нескольких керамических фаз с металлами. Типичным представителем ККМ на основе дисперсных материалов являются керамикометаллические материалы, которые называют керметами.

Углерод-углеродными композиционными материалами (УУКМ)

называются материалы, состоящие из углеродного армирующего каркаса и матрицы из монолитного углерода.

Армирующий каркас ткут из углеродных нитей, стремясь к наиболее плотной укладке. Бывает одноосное, двухосное, многоосное расположение нитей. Их обозначают буквой «д».

Рис. 7.5. Различные виды укладки каркасных нитей

Применяют также параллельную укладку тканей, которые прошиты нитями. Каркасы делают также из углеродных лент.

Матрицу вводят в каркас жидким и газофазным способами. Жидкофазный способ заключается в пропитке каркаса термо-

реактивными смолами или пеками каменноугольной смолы в вакууме или под давлением.

Газофазный способ заключается в разложении природного газа при низких давлениях в порах армирующего каркаса с образованием пироуглерода по реакции

CH4 Т, Р СПУ 2H2 .

Пироуглерод оседает на волокнах каркаса при температуре

800–900 °С.

УУКМ обладают коррозионной стойкостью, используются в ракето- и самолетостроении, в качестве электродов в металлургической промышленности.

50