Виды чугунов. Свойства цветных металлов
Содержание
Введение
.
Теоретический вопрос №1(5)
Какую
роль в процессе кристаллизации металлов играет число центров и скорость роста
кристаллов?
Теоретический
вопрос № 2(45)
Опишите
виды чугунов, приведите классификацию чугунов по строению металлической основы
Теоретический
вопрос №3(86)
Опишите
основные применения цветных металлов и их сплавов
Список
литературы
Введение
Материаловедение - наука, изучающая связь между
составом, строением и свойствами металлических сплавов и неметаллических
материалов, а также рассматривающая закономерности их изменения под влиянием
механических, физико-химических и других видов воздействий.
Свойства материалов определяются не только
химическим составом, но и их структурой. Изменять структуру можно различными
путями: легированием, гранулированием, деформированием, термической, химико-
термической и термомеханической обработками и др. На структуру и свойства
материалов помимо этого оказывают влияние высокое давление, вакуум, ультразвук,
скорость охлаждения, ядерное облучение, обработка лазером и т.д.
Материаловедение базируется на научных основах
физики, химии и новейших достижениях в области технологии получения
полуфабрикатов и изделий.
Основы современного материаловедения были
заложены выдающимися русскими учеными в области металлургии П.П Ломоносовым
(1799-1855), впервые установившим связь между строением стали и ее свойствами,
и Д.К.Черновым (1839-1921), который в 1868 г. открыл структурные превращения в
сталях при их нагреве и охлаждении. Д.К. Чернов по праву считается
основоположником металлографии - науки о строении металлов и сплавов. Его
научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки и термической
обработки стали. Дальнейшее развитие металловедение получило в работах видных
отечественных ученых: Н.И. Беляева, Н.С. Курнакова, А.А. Байкова, С.С.
Штейнберга, А.А. Бочвара, Г.В. Курдюма ва и др.
Наука о металлах развивается динамично,
используя электронные микроскопы, микрорентгеноспектральный анализ и другую
современную аппаратуру. Все это позволяет более глубоко и полно изучить
строение металлов и сплавов, находить новые пути повышения их механических и
физико-технических свойств. Создаются сверхтвердые сплавы, многослойные
композиции с широким спектром свойств, металлические, алмазные и
керамико-металлические материалы. В то же время в строительстве и прокладке
газопроводов все большее применение получают полимерные материалы, обладающие
совокупностью необходимых свойств и высокой долговечностью.
Знание основ материаловедения необходимо каждому
специалисту, работающему в области создания, эксплуатации оборудования и систем
газоснабжения. Только изучив свойства материалов, можно обоснованно выбрать их
для использования, правильно разработать технологический процесс обработки.
Долгое время в технической практике люди
использовали готовые природные материалы, совершенствовали их, создавали новые
технологии производства и обработки. Вся история существования человечества
связана с освоением материалов: каменный век сменился медно-каменным, а затем
бронзовым и железным веками.
В 21 веке разрабатываются и бурно развиваются
новые технологические процессы: кислородно-конвертерный, электрометаллургия
стали и ферросплавов; электросварка; термомеханическая обработка металлов и
многие другие.
Благодаря фундаментальным исследованиям в
области металловедения быстро растет число сплавов, обладающих специфическими
свойствами: противокоррозионными, жаростойкими и жаропрочными, особыми
магнитными, «памятью» механической формы и т.д.; создаются новые типы
материалов: сверхпроводники, полупроводники и др.
Развиваются исследования в области синтеза и
переработки полимеров, направленные на улучшение их механических свойств,
повышение стойкости к воздействию сред и высоких температур. Одним из
направлений материаловедения стало получение композиционных материалов путем
сочетания разнородных компонентов. Развитие технологий обработки и модификации
материалов позволило применить традиционные материалы в жестких условиях
эксплуатации современной техники.
1. Теоретический
вопрос №1(5)
Какую роль в процессе кристаллизации металлов
играет число центров и скорость роста кристаллов?
Любое вещество может находиться в трех
агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход из
одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более
устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.
С изменением внешних условий свободная энергия
изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического
состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с
изменением температуры показан на рис. 1.1.
Рис.1.1. Изменение свободной энергии в
зависимости от температуры
кристаллизация чугун металл цветной
В соответствии с этой схемой выше температуры ТS
вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS - в твердом.
При температуре равной ТS жидкая и твердая фаза
обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии,
поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура
ТS - равновесная или теоретическая температура кристаллизации.
Для начала процесса кристаллизации необходимо,
чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением
свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже
температуры ТS. Температура, при которой практически начинается кристаллизация
называется фактической температурой кристаллизации.
Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры
кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью
переохлаждения (
):
Степень переохлаждения зависит от природы
металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень
переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем
больше степень переохлаждени).
Рассмотрим переход металла из жидкого состояния
в твердое.
При нагреве всех кристаллических тел наблюдается
четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же граница
существует при переходе из жидкого состояния в твердое.
Кристаллизация - это процесс образования
участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из
образовавшихся центров.
Кристаллизация протекает в условиях, когда
система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом
свободной энергии.
Процесс перехода металла из жидкого состояния в
кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время - температура.
Кривая охлаждения чистого металла представлена на рис. 1.2.
Рис.1.2. Кривая охлаждения чистого металла
- теоретическая температура кристаллизации;
фактическая температура кристаллизации.
Процесс кристаллизации чистого металла:
До точки 1 охлаждается металл в жидком
состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1
- 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое
называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание
теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После
окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл
охлаждается в твердом состоянии.
Механизм и закономерности кристаллизации
металлов.
При соответствующем понижении температуры в
жидком металле начинают образовываться кристаллики - центры кристаллизации или
зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла,
в противном случае зародыш растворяется.
Минимальный размер способного к росту зародыша
называется критическим размером, а зародыш - устойчивым.
Переход из жидкого состояния в кристаллическое
требует затраты энергии на образование поверхности раздела жидкость - кристалл.
Процесс кристаллизации будет осуществляться, когда выигрыш от перехода в
твердое состояние больше потери энергии на образование поверхности раздела.
Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы представлена на
рис. 1.3.
Зародыши с размерами равными и большими
критического растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию.
Рис.1.3. Зависимость энергии системы от размера
зародыша твердой фазы
Центры кристаллизации образуются в исходной фазе
независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную
форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма
нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ
питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.
Качественная схема процесса кристаллизации может
быть представлена количественно кинетической кривой (рис.1.4).
Рис. 1.4. Кинетическая кривая процесса
кристаллизации
Процесс вначале ускоряется, пока столкновение
кристаллов не начинает препятствовать их росту. Объем жидкой фазы, в которой
образуются кристаллы уменьшается. После кристаллизации 50 % объема металла,
скорость кристаллизации будет замедляться.
Таким образом, процесс кристаллизации состоит из
образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.
В свою очередь, число центров кристаллизации
(ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.) зависят от степени переохлаждения
(рис. 1.5).
Рис. 1.5. Зависимость числа центров
кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения
Размеры образовавшихся кристаллов зависят от
соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста
кристаллов при температуре кристаллизации.
При равновесной температуре кристаллизации ТS
число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю,
поэтому процесса кристаллизации не происходит.
Если жидкость переохладить до температуры,
соответствующей т.а, то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров
небольшое, а скорость роста - большая).
При переохлаждении до температуры
соответствующей т.в - мелкое зерно (образуется большое число центров
кристаллизации, а скорость их роста небольшая).
Если металл очень сильно переохладить, то число
центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется,
образуется аморфное тело. Для металлов, обладающих малой склонностью к
переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящие ветви кривых.
2. Теоретический
вопрос № 2(45)
Опишите виды чугунов, приведите классификацию
чугунов по строению металлической основы
Чугун отличается от стали: по составу - более
высокое содержание углерода и примесей; по технологическим свойствам - более
высокие литейные свойства, малая способность к пластической деформации, почти
не используется в сварных конструкциях.
В зависимости от состояния углерода в чугуне
различают:
белый чугун - углерод в связанном состоянии в виде
цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск;
половинчатый - часть углерода находится в
свободном состоянии в форме графита, но не менее 2 % углерода находится в форме
цементита. Мало используется в технике.
Из рассмотрения структур чугунов можно
заключить, что их металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной или
доэвтектоидной стали или технического железа. Отличаются от стали только
наличием графитовых включений, определяющих специальные свойства чугунов.
В зависимости от формы графита и условий его
образования различают следующие группы чугунов: серый - с пластинчатым
графитом; высокопрочный - с шаровидным графитом; ковкий - с хлопьевидным
графитом.
Схемы микроструктур чугуна в зависимости от
металлической основы и формы графитовых включений представлены на рис. 2.1
Рис. 2.1 Схемы микроструктур чугуна в
зависимости от металлической основы и формы графитовых включений
Наиболее широкое распространение получили чугуны
с содержанием углерода 2,4…3,8%. Чем выше содержание углерода, тем больше
образуется графита и тем ниже его механические свойства, следовательно,
количество углерода не должно превышать 3,8 %. В то же время для обеспечения
высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не менее
2,4 %.
Чугуны при кристаллизации и дальнейшем
охлаждении могут вести себя по-разному (рис. 2.2): либо в соответствии с
метастабильной диаграммой состояний Fe-Fe3C (белые чугуны, в которых углерод
присутствует в виде Fe3C), либо в соответствии со стабильной диаграммой Fe-C
(серые чугуны, в которых углерод присутствует в виде графита).
На представленных диаграммах (рис.2.2) кроме
общих линий АС, АЕ, GS остальные линии не совпадают. В системе Fe-C графитная
эвтектика (аустенит-графит) содержит 4,26 % С и образуется при 1 153 ° С. По
линии E' S' в интервале температур 1 153-738 ° С выделяется вторичный графит.
Эвтектоидное превращение протекает при 738 ° С с образованием эвтектоида
(феррит + графит). Пользование диаграммами Fe-C и Fe-Fe3C принципиально не
отличается друг от друга.
Рис.2 .2 Диаграмма состояния железо - графит
Вероятность образования цементита из жидкой фазы
значительно выше, чем графита. Любой процесс определяется термодинамическими и
кинетическими условиями протекания. Движущей силой процесса графитизации
является стремление системы уменьшить запас свободной энергии. Цементит
термодинамически менее устойчивая фаза, чем графит. Однако разница между
температурами образования цементита и графита невелика, и при сравнительно
небольшом переохлаждении будет происходить кристаллизация цементита, а не
графита.
Графит образуется только при малых скоростях
охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения
жидкой фазы. При ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже
1 147 ° С происходит образование цементита.
Классификация серых чугунов
Серый чугун можно рассматривать как структуру,
которая состоит из металлической основы с графитными включениями. Свойства
чугуна зависят от свойств металлической основы и характера графитных включений.
Металлическая основа может быть: перлитной,
когда 0,8 % С находится в виде цементита, а остальной углерод в виде графита;
феррито-перлитной, когда количество углерода в виде цементита менее 0,8 % С;
ферритной, когда углерод находится практически в виде графита.
В зависимости от формы графитных включений серые
чугуны классифицируются на:
чугун с пластинчатым графитом;
чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун);
чугун с шаровидным графитом (высокопрочный
чугун);
чугун с вермикулярным графитом.
3. Теоретический
вопрос №3(86)
Опишите основные применения цветных металлов и
их сплавов
В технике к цветным относят все нежелезные
металлы. На их основе создано большое число сплавов, обладающих широким
диапазоном свойств, соответствующих требованиям к авиационным материалам. К ним
относятся: значительная механическая прочность, высокий предел выносливости в
сочетании с малой плотностью. Для авиастроения очень важна также стоимость
материала. На современном этапе развития авиации экономичность часто имеет
решающее значение. Уже сегодня многие новые модели агрегатов, двигателей и
самолетов не внедряются по экономическим соображениям. С учетом неотвратимо
надвигающегося истощения природных запасов энергоносителей земли (уголь, нефть,
газ) затраты на производство материалов оказывают значительное влияние на
стоимость каждой единицы авиатехники.
Как правило, такие металлы, как Al, Ti и др. в
чистом виде в авиатехнике применяют крайне редко. На основе каждого металла
создают, большое число сплавов, обладающих самым широким спектром свойств.
Цветные металлы и их сплавы широко применяют для армирования.
В авиастроении широко применяют алюминиевые
сплавы, а также сплавы магния, титана, меди. Находят применение бериллиевые
сплавы, сплавы никеля и некоторые тугоплавкие сплавы. Практически весь каркас
самолета или вертолета, во многих случаях корпус авиадвигателя, корпуса
большинства агрегатов различных систем, многие трубопроводы изготовлены из
цветных сплавов. На самолетах новых поколений многие силовые элементы
авиационных конструкций будут изготавливать только из высокопрочных алюминиевых
сплавов.
В электронных схемах, электротехнических
устройствах для изготовления электропроводов широко применяют благородные
металлы, сплавы алюминия, никеля, меди, кобальта и др.
Цветные сплавы систематизируют как по
технологическим свойствам, так и по механическим характеристикам.
Цветные металлы, на основе которых создают
сплавы, чаще всего разделяют на легкие, обладающие малой плотностью (например,
Al, Mg), тяжелые (например, Си, Рв), тугоплавкие (W, Мо и др.), благородные
(например, Au, Pt).Сплавы, полученные на основе перечисленных металлов, могут
быть разделены на группы по функциональному назначению, например
антифрикционные, жаропрочные и жаростойкие сплавы, конструкционные и
коррозионно-стойкие сплавы.
Антифрикционными называют сплавы, обеспечивающие
в подвижных соединениях низкий коэффициент трения. Это повышает срок службы
машины. Кроме того, антифрикционные сплавы обладают высокой износостойкостью.
Жаропрочные сплавы относятся к материалам,
обладающим способностью сопротивляться деформированию и разрушению под
воздействием механических нагрузок при высокой температуре. Кроме того,
жаропрочные сплавы обладают высоким сопротивлением ползучести.
Жаростойкими называют сплавы, способные
сопротивляться воздействию газовой среды при высоких температурах.
Конструкционные сплавы служат для изготовления
самых разнообразных деталей самолетов, вертолетов и авиадвигателей. В
авиатехнике могут использоваться только те материалы, которые сочетают в себе
качества, обеспечивающие выносливость, прочность, надежность и долговечность
при низкой плотности и малых затратах на изготовление.
Коррозионностойкие сплавы способны
сопротивляться коррозионному воздействию окружающей среды и не подвергаться
внезапному разрушению из-за высокой скорости коррозионных повреждений. Цветные
сплавы по технологическому исполнению могут быть разделены на следующие группы:
деформируемые, литейные, спеченные и др. Такое деление позволяет представить
себе, как получить детали из этих сплавов, например штамповкой, ковкой или
литьем.
Большую группу цветных металлов и сплавов на их
основе составляют проводниковые материалы, обеспечивающие наименьшее
электрическое сопротивление. В этой группе металлов используют чистую медь с
суммарным содержанием примесей 0,01 %, чистый и технический алюминий с
содержанием примесей 0,02 - 0,5%. Цветные сплавы на основе Sn,Рв, Zn, Ag
используют для изготовления припоев.
АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Алюминий - серебристо-белый металл. Он не имеет
полимерных превращений и кристаллизуется в решетке гранецентрированного куба.
Широкое применение алюминия обусловлено его
малой плотностью (2,7 г/см3), высокой пластичностью, т.е. способностью
обрабатываться давлением, высокой коррозионной стойкостью. Она получается за
счет того, что алюминий быстро покрывается окисной пленкой (Al2O3),
предотвращая проникновение агрессивных веществ к основному металлу. Кроме того,
алюминий обладает хорошей тепло- и электропроводностью.
Но распространенности в земной коре алюминий
занимает первое место среди конструкционных металлов. В земной коре содержится
около 7,5 % Аl, в то время как железа - всего 5,1 %. Алюминий входит в состав
всех глин, полевого шпата, боксита и других горных пород.
Сплавы на основе алюминия
Вследствие большого разнообразия свойств
алюминиевые сплавы получили весьма широкое распространение, особенно в
авиастроении. Все алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые, литейные,
спеченные порошковые.
Деформируемые алюминиевые сплавы обладают
хорошей пластичностью. Из них изготавливают прутки, трубы, листы, профили
различных сечений, проволоку, поковки, штамповки. Для изготовления деталей и
полуфабрикатов применяют различные методы обработки давлением: прессование,
ковку, горячую штамповку, гибку, прокатку, волочение. Пластическую деформацию
используют также для упрочнения алюминиевых сплавов, поскольку при этом
возникает анизотропия свойств.
Все алюминиевые сплавы можно сваривать
различными способами. При этом в местах сварки устраняется анизотропия свойств,
чтo необходимо учитывать. Все деформируемые алюминиевые сплавы разделяют на
упрочняемые и неупрочняемые термической обраоткой (старением).
По химическому составу деформируемые алюминиевые
сплавы разделяют на группы, которые строят по наличию основных элементов,
входящих в химический состав сплавов. Наиболее употребительна группа сплавов AI
- Си - Mg(дуралюмины). Высокопрочные сплавы имеют в основе Аl - Zn - Mg - Си.
Сплавы для ковки, штамповки содержат Аl - Mg -Si - Си. Широко применяют сплавы
Al - Мп и Al - Mg. Деформируемые алюминиевые сплавы маркируют буквой Д,
высокопрочные - буквой В, ковочные - АК.
Литейные алюминиевые сплавы выделены в отдельный
класс сплавов, поскольку их объединяет наличие основных свойств: жидко-
текучесть, объемная и литейная усадка, склонность к образованию усадочных
трещин и ликвации.
Среди литейных алюминиевых сплавов наиболее
широко распространены силумины системы Аl - Si. Для литья деталей сложной
формы, кроме силуминов, применяют сплавы на основе Аl - Си - Mg, Al - Си и др.
Эти сплавы отличаются от соответствующих по составу деформируемых сплавов более
высоким содержанием меди и магния, а также тугоплавких добавок: титана, никеля,
железа, хрома и др.
Такие сплавы могут быть использованы как
жаропрочные. Как правило, отливки из этих сплавов подвергают термической
обработке. Маркируют литейные алюминиевые сплавы буквами AЛ.
Имеются два класса алюминиевых сплавов,
разделяемых по признаку влияния термообработки на неупрочняемые и упрочняемые
термообработкой. Эти сплавы широко применяются в авиастроении.
Неупрочняемые термообработкой алюминиевые сплавы
создают на основе систем Аl - Mg и Аl - Мn. В структуре этих сплавов
растворимость компонентов в алюминии не изменяется и фазовые превращения при
нагревании и выдержке не происходят.
Упрочняемые термообработкой алюминиевые сплавы -
наиболее широко распространенный класс сплавов
Сплавы алюминия, применяемые в авиастроении.
В авиастроении наиболее широко применяют
деформируемые алюминиевые сплавы - дуралюмины Д1, Д16, Д18. Цифры после буквы Д
обозначают номер I марки и никакой другой информации не содержат. Эти сплавы
относятся к системе Аl - Си - Mg. Из этих сплавов изготавливают прессованные
прутки, листы, профили, плиты и поставляют в промышленные предприятия.
Дуралюмин Д1 - наиболее старый сплав,
предложенный еще в 1906 г. немецким исследователем А. Вильмом - относится к
сплавам повышенной прочности. Дуралюмин Д16 относится к сплавам повышенной
прочности. Он отличается от Д1 более высоким содержанием магния. Дуралюмины
повышенной жаропрочности - Д19, ВАД-1, ВД-17. В них больший процент содержания
Mg, Мп. Кроме того, в сплав ВАД-1 введены Ti и Zг.
Дуралюмины повышенной пластичности (Д18 и В65)
отличаются пониженным содержанием Си и Mg, Это и придает им большую пластичность.
Вот почему заклепки для авиационных конструкций изготавливают часто из
дуралюмина В65 или Д18.
Изделия из дуралюмина обычно подвергают закалке
и последующему естественному старению. При этом необходимо жестко соблюдать
рекомендованную температуру нагрева дуралюминов под закалку. Например, нагрев
под закалку должен соответствовать температуре 505 'С (Д1, Д19, ВАД-1) или 500
°С (Д16, ВД17, Д18) с допуском всего 5 °С. Если осуществить нагрев до более
высоких температур, то произойдет оплавление легкоплавких структурных
составляющих, которые при охлаждении дадут усадку, что приведет к растрескиванию.
Брак при этом получается неисправимым. При закалке дуралюминов необходимо
обеспечить высокую скорость охлаждения, так как могут произойти фазовые изменения
за период переноса детали из печи в охлаждающую ванну, наполненную холодной
водой.
Все дуралюмины интенсивно упрочняются при
естественном старении. Для сплавов Д1 и Д16 максимальная прочность достигается
через 4 суток, а для сплава ВАД1 через 10 суток. Алюминиевые сплавы подвергают
различным видам термической обработки.
Приведем некоторые буквенные обозначения,
которые ставятся после обозначения марки сплава. Буква А, поставленная сразу
после марки, обозначает, что полуфабрикат плакирован. Плакирование представляет
собой покрытие с помощью прокатки фольгой из технического алюминия. За очень
короткое время он покрывается пленкой окисла Аl2O3 и предотвращает
проникновение веществ окружающей среды к основному металлу.
Далее, как правило, ставят вид термообработки: Т
- твердый, закаленный и естественно состаренный; Т1 - закаленный иискусственно
состаренный; М - мягкий; МО - мягкий, отожженный; Н - нагартованный, т.е.
пластически деформированный для упрочнения после закалки и естественного
старения. Режимы закалки и старения обозначаются после буквы Т: Т1, Т2,..., Т7,
например лист Д16АТ. Этот лист плакирован, закален и естественно состарен.
Все дуралюмины отличаются пониженной
коррозионной стойкостью. Вот почему их всегда защищают либо плакировкой, либо
анодированием.
Промышленностью выпускаются высокопрочные
алюминиевые сплавы.
Наиболее широко применяют сплавы В95 и В96.
Прочность у сплава В95 δb = 550 МПа,
В-96 имеет δb = 630 МПа, Д16 - δb
= 440 МПа.
Сплавы В95 и В96 относятся к системе Аl - Си - Mg. Кроме указанных компонентов,
в сплав В95 добавленZn, а в сплав В96 - еще Сг.
Алюминиевые сплавы, применяющиеся для ковки и
штамповки и отличающиеся высокой пластичностью при температурах обработки 450 -
475°С, подвергают закалке и старению. Наиболее характерными представителями
этой группы являются сплавы АК6 и АК8 (алюминий ковкий № 6 или 8). Они
относятся к системе Аl - Mg - Si - Си. В сплаве АК8содержится значительно
больше меди, чем в АК6. Вот почему для АК8 δb
= 440 МПа, в то время как для АК6 δb = 380 МПа.
Сплав АК4-1, получающий в настоящее время
широкое распространение, относится к деформируемым алюминиевым сплавам. Однако
он обладает еще и свойством жаропрочности, т.е. способностью работать при
температурах до 300 °С без существенных изменений механических свойств.
Жаропрочность этого сплава достигается за счет добавки в сплав Fe,Ni, Ti.
Широко применяют деформируемые алюминиевые
сплавы, не упрочняемые термической обработкой. К ним относятся сплавы систем Аl
- Mg (АМг) и Аl - Мn (АМц). В сплавах АМц содержится 1 - 1,6% марганца. В
сплавах АМгсодержится 2 - 6 % магния. Содержание Mg обозначено в марке сплава,
например АМгб (6 % Mg). Эта группа сплавов обладает прекрасными
технологическими свойствами. Они хорошо деформируются и свариваются.
Деформируемые алюминиевые сплавы - основа
самолето- и вертолетостроения. Из них изготавливают каркас самолета, вертолета,
многие элементы управления, большое число агрегатов, отдельные узлы
авиадвигателей. Эти сплавы применяют также в космической технике.
Литейные алюминиевые сплавы обладают тем
преимуществом, что Вез дорогостоящей, с большими отходами механической
обработки можно получить детали самой сложной пространственной формы.
В авиастроении широко применяют сплавы А л-9
системы Al-Si-Mg N Л л-19 системы Al-Cu-Mn-Ti. Временное сопротивление сплава
Ал-19 достигает 360 МПа. Он обладает устойчивостью против коррозии, Юрошими
показателями выносливости.
В настоящее время производят группу
сложнолегированных литейных алюминиевых сплавов (Ал-20, Ал-21 и др.) системы
Al-Cu-Mg с небольшими добавками Ni, Сг, Fe, Ti. Их используют как жароропрочные
сплавы для работы при температурах 300 - 350 °С.
Широкое распространение получили спеченные
алюминиевые сплавы (САС) и спеченные алюминиевые пудры (САП).
САС - сплавы, спеченные из легированного
алюминиевого порошка. Такой порошок может быть изготовлен из легированных
алюминиевых сплавов. Порошковые сплавы САС-1 и САС-2 применяют В
приборостроении и других отраслях промышленности.П - пудры, представляющие
собой спеченный алюминий с равномерно распределенными в нем частицами окиси
алюминия AI2O3. САП имеет более высокие показатели прочности, жаропрочности и
жаростойкости, чем чистый алюминий. Изделия из САП применяют в некоторых узлах
самолетов и энергетических атомных установках.
Медь - один из первых металлов, с которыми
познакомился человек. Хотя в земной коре меди немного (до 0,01%), однако
известны ее богатые месторождения, в которых встречаются даже самородки. Медь и
ее сплавы обладают многими ценными свойствами, что определило ее широкое
применение.
Медь - металл красновато-розового цвета с
кристаллической структурой в виде ГЦК. По электропроводности медь занимает
второе место после серебра. Поэтому она - важнейший материал для изготовления
электропроводников (провода, шины, кабеля и т.п.). Медь имеет также высокую
теплопроводность, в связи с чем ее широко используют в теплообменниках
(радиаторы, холодильники и т.п.). Медь и ее сплавы хорошо свариваются всеми
видами сварки и легко поддаются пайке. На основе меди получены сплавы с очень
ценными свойствами. Однако медь относится к тяжелым металлам, ее плотность 8,94
г/см3. Чистая медь обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью. Медь
отлично обрабатывается, давлением, но плохо - резанием и имеет плохие литейные
свойства, поскольку дает большую усадку. Чистую медь и ее малолегированные
сплавы широко используют в электротехнике и других видах производства.
Сплавы на основе меди
Медь имеет кристаллическую решетку ГЦК, в ней не
обнаружено полиморфных превращений. Она находит широкое применение в
промышленности и обозначается буквой М. Наиболее высокую чистоту имеет медь MB
(медь высокой очистки), в ней содержится всего до 0,01 % примесей. Еще меньше
примесей (до 0,005 %) в меди МЭ, получаемой электронно-лучевой плавкой.
Широко применяют сплавы меди с различными
элементами, наиболее распространены следующие легирующие элементы для меди:
цинк, алюминий, олово, железо, кремний, марганец, бериллий, никель. Большая
часть этих элементов образует с медью твердые растворы.
Медные сплавы разделяют на деформируемые и
литейные. Они могут быть термически упрочняемыми и неупрочняемыми. В
промышленности это деление применяют редко. Как правило, медные сплавы делят на
латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.
Латунями называют сплавы меди, в которых главным
легирующим |лементом является цинк. Их маркируют буквой ЛIи цифрами,
характеризующими среднее содержание легирующих элементов. Например, Латунь Л196
содержит около 96% Си и 4% Zn. Если латунь легирована, кроме цинка, другими
элементами, то после буквы Л ставят условное Обозначение легирующих элементов:
С - свинец, О - олово, Ж - железо, А - алюминий, К - кремний, Мц - марганец, Н
- никель, Ф - фосфор, Б - бериллий, X - хром. Цифры, поставленные после букв,
обозначают процентное содержание соответствующего элемента. Например, латунь
ЛАЖ60-1-1 содержит 60% Си, 1% Al, 1% Fe, остальное цинк (38%).
Все латуни хорошо свариваются и паяются,
обладают высокими литейными свойствами, легко обрабатываются резанием. Латунь
применяют для трубок теплообменников (например, радиаторов), различных деталей
арматуры (например, штуцеры), трубопроводов. Легированные латуни применяют
также для изготовления деталей приборов, различных патрубков. Вследствие
высокой коррозионной стойкости из латуни изготавливают детали, работающие в
морской воде.
Бронзы представляют собой все сплавы меди, кроме
латуней и медно-никелевых сплавов. По основным легирующим элементам бронзы
подразделяют на оловянные, бериллиевые, свинцовые, кремнистые и т.п. Бронзы
маркируют буквами Бр. Легирующие элементы обозначают так же, как и для латуни.
Например, в бронзе БрАЖН 10-4-4 содержится 10% Аl, 4%Fe и 4% Ni, остальное Сu.
Бронзы разделяют также по технологическим признакам на литейные и
деформируемые.
По областям применения они могут подразделяться
на жаропрочные, антифрикционные. В обозначениях марок бронз эти свойства не
отражаются. Выделяют также группу конструкционных бронз.
Из бронз в авиастроении изготавливают самые
разнообразные детали, работающие на трение, пружинящие детали приборов,
различные направляющие, шестерни, гайки, втулки, детали подшипник - скольжения
и др.
Наиболее широко применяемые бронзы и латуни
Бронзы оловяно-фосфористые БрОФ б; 5-0,15;
Бр0Ф7-0,2 хорошо обрабатываются давлением и резанием, свариваются и паяются.
Эти бронзы применяют при изготовлении деталей приборов, подшипников, работающих
при небольших нагрузках.
Бронза оловянно-свинцовоцинковая БрОЦС 5-5-5
корозионностойка в атмосферных условиях и пресной воде и хорошо обрабатывается
резанием. Ее применяют для изготовления втулок, прокладок.
Бронза конструкционная алюминиево-железная
БрАЖ9-4 обладает высокой коррозионностойкостью. Такую бронзу широко применяют
для изготовления шестерен, ниппелей, гаек и шайб, других деталей.
Бронза алюминиево-железо-никелевая БрАЖН10-4-4
обладает высокой коррозионной стойкостью в морской воде. Ее используют для
изготовления деталей, работающих при высоких температурах и в агрессивных
средах.
Бронза алюминиево-железо-марганцовистая
БпАЖМц10-3-1,5 обладает высокой коррозионной стойкостью.
Кремнисто-никелевая бронза БрКН1-3 относится к
группе жаропрочных бронз. Она идет на изготовление деталей, работающих при
высоких температурах
Бериллиевая бронза, обладает высокой
износостойкостью, прочностными показателями и высоким пределом выносливости.
Она может работать при температуре от - 299 до +250 °С. Широкое применение
бериллиевых бронз ограничивается высокой стоимостью и токсичностью бериллия.
Бериллиевые бронзы БрБ2 и др. применяют для изготовления особо ответственных
плоских пружин, мембран, трубок и других деталей приборов, работающих при
знакопеременных температурах и знакопеременных нагрузках. Их используют также
для изготовления нагруженных деталей подшипников.
Кроме бронз, в авиастроении используются
некоторые марки латуней. Широко применяют латунь Л96, обладающую высокой
коррозионной стойкостью. Из нее изготавливают трубопроводы, радиаторные
трубки. Латунь Л68 имеет меньшую коррозионную стойкость, но хорошо
обрабатывается давлением.
Большое распространение получила латунь
свинцовая ЛC59-1. Она коррозионностойка даже в морской воде. Ее применяют для
изготовления труб шпилек, ниппелей, втулок. Трубопроводы для топлива и
корозионноактивных жидкостей изготавливают из оловянных латуней Л70-1 и Л62-1.
Список литературы
Материаловедение:
Учебник для вузов/БЮН. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.,; Под общ.
ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - 7-е издание., стереотип - М. :Изд-во МГТУ
им. Баумана, 2005 - 648с.; ил
Материаловедение:
учебник/В. А. Струк и др.;-Минск: ИВЦ Минфина, 2008. - 519с.
Материаловедение.
Технология конструкционных материалов: учеб. Пособие для студентов вузов,
обучающихся по направлению подгот. «Электротехника, электромеханика и
электротехнологии»/Под ред. В.С. Чередниченко. - 2-е изд., перераб. -М.; Омега
- Л, 2006. - 752С.:ИЛ., табл