книги / Материаловедение.-1

и теплопроводность, коррозионная стойкость, пластичность) при более высокой прочности и лучших технологических свойствах. Кроме того, латуни дешевле меди. Однофазные латуни, содержащие до 39 % Zn и имеющие структуру α-твердого раствора цинка в меди, пластичны, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Латуни, содержащие 40–45 % Zn, имеют двухфазную структуру (α + β), обладают повышенной твердостью, хорошо обрабатываются давлением только в горячем состоянии. Двойные латуни маркируют буквой Л и цифрами, показывающими содержание меди в процентах. Легирующие элементы олово и свинец обозначают буквами О и С соответственно, а их содержание указывают в конце марки.

Пример. Л96 – латунь, содержащая 96 % меди и 4 % цинка (томпак). ЛО62-1 – «морская» латунь, содержит 62 % меди, 1 % оло-

ва, остальное – цинк.

ЛС59-1 – латунь с добавкой 1 % свинца.

Бронзы – сплавы меди с любыми элементами, кроме цинка и никеля. Бронзы являются лучшими антифрикционными материалами. Особое место среди них занимают оловянистые и оло-

вянисто-цинково-свинцовистые бронзы Бр010Ф1, Бр010Ц2,

Бр05Ц5С5, Бр03Ц12С5 и др. По сравнению с латунями бронзы обладают также более высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Чисто оловянистые бронзы из-за дефицитности олова не применяются.

Безоловянистые (специальные) бронзы не только служат заменителями оловянистых бронз, но часто по своим механическим, антифрикционным и технологическим свойствам превосходят последние. В зависимости от основного легирующего элемента специальные бронзы называют алюминиевыми, бериллиевыми, марганцевыми и т.д. Наибольшее распространение в технике получили алюминиевые бронзы (БрА5, БрАМц10-2, БрАЖН10-4-4 и др.) благодаря высокой прочности, жаропроч-

111

ности, коррозионной стойкости во многих средах, морозоустойчивости. Большинство алюминиевых бронз термической обработкой не упрочняются. Деформируемые полуфабрикаты подвергают дорекристаллизационному или рекристаллизационному отжигу. Бериллиевые бронзы (БрБ2 и др.) обладают комплексом уникальных свойств, отличающих их от других медных сплавов. После упрочняющей термической обработки (закалка и старение) они имеют высокие характеристики прочности, упругости, усталостной, коррозионной и коррозионно-усталостной прочности. Бериллиевые бронзы имеют также высокую твердость

иизносостойкость, хорошие антифрикционные свойства, электро-

итеплопроводность, легко обрабатываются резанием, не дают искры при ударах.

Бронзы широко применяют в электротехнике, машиностроении, точной механике для изготовления различных пружин, втулок, подшипников скольжения идр.

14.3. ТИТАН И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

Титан был открыт в 1789 г., но долго не находил практического применения из-за хрупкости. Только в ХХ в. был разработан метод получения титана, позволяющий реализовывать его пластичность и технологичность. Отличительными особенностями титана и сплавов на его основе являются высокая коррозионная стойкость и наибольшая по сравнению с другими конструкционными материалами удельная прочность. Недостатки – низкий модуль упругости, плохая обрабатываемость резанием, высокий коэффициент трения, недостаточная жаростойкость и жаропрочность.

При комнатной температуре титан (α-Ti) имеет гексагональную плотноупакованную решетку ГПУ. Высокотемпературная модификация титана (β-Ti) с решеткой ОЦК образуется

112

при температуре 882 °С и существует вплоть до плавления при 1665 °С. Легирующие элементы по-разному влияют на температуру α→β-превращения (рис. 39), соответственно, различают α-стабилизаторы (Al), β-стабилизаторы (V, Mo, Cr, Nb, Mn) и нейтральные элементы (Sn, Zr, Hf, Th).

Рис. 39. Диаграммы состояние титановых сплавов, легированных α-стабилизаторами (а), β-стабилизаторовами (б) и нейтральными элементами (в)

Титановые сплавы классифицируют по структуре в равновесном состоянии: α-, (α + β)- и β-сплавы. Большинство титановых сплавов, кроме высоколегированных β-сплавов, претерпевают полиморфное превращение при нагреве и охлаждении, поэтому могут быть упрочнены закалкой с последующим старением, однако такая термическая обработка применяется ограниченно из-за малого эффекта упрочнения. Основным способом упрочнения титановых сплавов является легирование, а основным видом термической обработки – отжиг, а также химико-термическая обработка. Отжиг при температуре 700–800 °С проводят главным образом для снятия наклепа после холодной деформации. Хими- ко-термическая обработка (азотирование) обеспечивает повышение износостойкости титановых сплавов.

113

14.4. НИКЕЛЬ И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

Никель был открыт в 1751 г. Характерные свойства никеля – относительно высокая температура плавления (1453 °С), достаточно высокая прочность и пластичность, большая химическая стойкость, ферромагнитность. Никель относится к числу тяжелых цветных металлов, его плотность составляет 8,9 г/см3. Кристаллическая решетка никеля – ГЦК, полиморфные превращения отсутствуют. По распространенности в природе никель превосходит медь, однако его использование осложняется отсутствием достаточного количества богатых месторождений никелевых руд.

Промышленныесплавына основеникеля делятнанесколько групп: жаростойкие, жаропрочные, коррозионно-стойкие, специальные (с особыми физическими свойствами). Наиболее важной группой сплавов на основе никеля являются жаропрочные сплавы. Жаропрочные никелевые сплавы применяют для изготовления камер сгорания, рабочих и направляющих лопаток и дисков турбины авиационных двигателей. Широкое использование сплавов на основе никеля позволило поднять температуру газов на входе в турбину с 800 до 1100 °С, что повысило мощность двигателей, уменьшило удельный расход топлива и увеличило ресурс. Кроме того, жаропрочные сплавы применяют для изготовления деталей турбин промышленных наземных установок и двигателей наземного транспорта.

По технологии получения жаропрочные сплавы делят на три группы: деформируемые, литейные и дисперсно-упрочнен- ные. Дисперсно-упрочненные сплавы получают методами порошковой металлургии, деформируемые и литейные – по традиционной технологии, включающей выплавку, разливку и последующую деформацию слитков или повторный переплав с получением отливок.

Основной путь повышения жаропрочности сплавов – создание крупнозернистой структуры с однородным распределе-

114

нием мелких частиц упрочняющей фазы по телу и границам зерен. Жаропрочные никелевые сплавы являют сложнолегированными и содержат такие легирующие элементы, как хром (6–22 %), титан и алюминий (в сумме до 8 %), молибден, вольфрам, тантал, кобальт, ниобий, цирконий, гафний, бор, углерод и др. Часть легирующих элементов остается в твердом растворе и упрочняет его, а часть выделяется при термической обработке с образованием интерметаллидной упрочняющей фазы типа Ni3Ti, Ni3Al (γ ′-фазы) с широким изменением состава в зависимости от легирования.

Термическая обработка жаропрочных никелевых сплавов состоитиззакалки и старения. Температуразакалки– 1000–1300 °С, охлаждение на воздухе. Цель закалки – растворить избыточные фазы и получить пересыщенный твердый раствор (γ-фазу). Старение проводят при температуре 650–900 °С в зависимости от химического состава сплава и его рабочей температуры. В процессе старения образуются частицы упрочняющей γ ′-фазы, когерентно связанные с матрицей. В зависимости от легирования объем упрочняющей фазы может составлять 20–60 %. Периоды кристаллических решеток γ- и γ ′-фаз отличаются очень незначительно (≈1 %), поэтому такая структура очень стабильна и сохраняется при высоких температурах длительное время (20–30 тысяч часов, а в отдельных сплавах до 100 тысяч часов), что обеспечивает высокую жаропрочность сплавов в течение рабочего ресурса. Разрыв когерентности и образование равновесной избыточной фазы приводит к ее быстрой коагуляции и значительной потере жаропрочности.

В ряде случаев для дополнительного повышения стабильности структурыприменяютдвойнуюзакалку илидвойное старение.

Маркировка никелевых сплавов может быть условной (например, ЭИ437Б, ЭП109) или сходной с принятой для сталей (например, ХН77ТЮ, ХН55ВМТФКЮ). При этом надо пом-

115

нить, что содержание хрома во всех сплавах большое (оно колеблется в разных сплавах от 6 до 22 %).

Поскольку жаропрочные сплавы работают при высоких температурах, для них важны механические свойства, характеризующие поведение материала именно в этих условиях: предел ползучести и предел длительной прочности. Предел ползучести – это условное наибольшее растягивающее напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца (суммарное или остаточное) или заданную скорость ползучести на участке уста-

новившейся ползучести. Предел длительной прочности – это условное наибольшее растягивающее напряжение, под действием которого образец или изделие при данной температуре разрушается по истечении заданного времени. Наиболее жаропрочные никелевые сплавы имеют проблемы с жаростойкостью. Для повышения жаростойкости и увеличения ресурса работы для них применяют жаростойкие покрытия (алитирование, хромоалитирование и покрытия из жаростойкой керамики).

116

ТЕМА 15. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

К неметаллическим материалам относятся различные виды пластмасс, стекла, каучук, керамику, резину, древесину, клей и т.д. Неметаллические материалы являются электрическими изоляторами, полупроводниковыми, радиопрозрачными материалами, так как в них нет свободных электронов. Эти материалы коррозионно-стойки, обладают достаточной прочностью, эластичностью при низкой плотности, тепло- и звукоизоляцией.

Неметаллические материалы

15.1. ОРГАНИЧЕСКИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Органическиенеметаллическиематериалыподразделяются:

–на природные: натуральный каучук, древесина (лесоматериалы), янтарь, канифоль, хлопок, лен и т.д.;

–искусственные (получаемые из природных материалов): вискоза, целлофан, сложные эфиры.

В основе строения синтетических органических материалов лежит углеродистый скелет группы –СН–. В состав синтетических материалов входят полимеры и различные добавки (пластификаторы, наполнители, красители, специальные добавки), улучшающие свойства материала.

117

15.1.1. Полимеры

Основу полимеров составляют макромолекулы, которые состоят из многократно повторяющихся элементарных звеньев одного и того же химического состава, соединенных между собой ковалентными связями.

Строение макромолекулы определяет свойства полимеров.

Линейные и разветвленные полимеры (длинные зигзаго-

образные или закрученные в спираль цепочки) (рис. 40) обеспечивают свойства эластичности, способность размягчаться при нагреве и затвердевать при охлаждении.

Рис. 40. Схема линейного и разветвленного полимера

Лестничные полимеры (рис. 41) состоят из двух цепей, соединенных химическими связями и отличаются повышенной теплостойкостью, большой жесткостью.

Рис. 41. Схема лестничного полимера

Пространственные полимеры (рис. 42) образуются при соединении макромолекул в поперечном направлении прочными химическими связями, имеют повышенную твердость, теплостойкость, нерастворимость в органических растворителях.

118

Важным технологическим свойством для полимеров является отношение к нагреву. По отношению к нагреву полимеры делятся на термопласты и термореактопласты.

Термопластичные полимеры (термопласты) – полимеры с линейными или развлетвленными макромолекулами. При нагреве термопласты размягчаются, даже плавятся. Свойства термопластов обратимы при повторном нагревании. Они работают при температуре до 70 °С, термостойкие полимеры– до 400–600 °С. Предел прочности термопластов – 10–100 МПа, модуль упругости – (1,8–3,5) · 103 МПа. Длительное статическое нагружение снижает прочность термопласта из-за появления вынужденно-эластической деформации. Прочность их низкая (1–10 МПа). Структура аморфная, кристаллическаяиличастичнокристаллическая.

Основные виды термопластов

Термореактивные полимеры (термореактопласты)

имеют пространственную сетчатую структуру. При нагреве термореактопласты практически не размягчаются и разрушаются, не подвергаются вторичной переработке.

Эти материалы изготавливаются на основе термореактивных смол: формальдегидных, эпоксидных, аминоальдегидных, полиамидных, кремнеорганических, полиэфиров, которые являются связующим веществом. Смолы склеивают отдельные слои наполнителя, элементарные волокна, воспринимая нагрузку одновременно с ними.

120