книги из ГПНТБ / Ромадин К.П. Материаловедение [учебное пособие]

ВВЕДЕНИЕ

Развитие ави-ационной техники, создание различных типов

летательных аппаратов и авиадвигателей теснейшим образом связаны с разработкой и применением новых и весьма разнооб­ разных материалов. В курсе материаловедения главное место занимают металлы и металлические сплавы. Если бы человече­ ство не располагало таким количеством разнообразных метал­ лов, каким располагает в настоящее время, то современная тех­

ника не достигла бы такого высокого развития. Известно, что за последнее десятилетие ракетная и космическая техника наряду

сатомно-энергетической техникой сделали огромный шаг вперед.

Вэтой отрасли техники одной из важнейших проблем также яв­ ляется разработка и применение необходимых, а в ряде случаев

совершенно новых материалов.

Инженеру, работающему по эксплуатации авиационной или

ракетной техники, или инженеру-конструктору постоянно прихо­

дится решать ответственный вопрос о выборе материала. А свой­ ства металлов и их сплавов весьма разнообразны: одни очень

твердые и прочные, другие пластичные и вязкие; одни кислото­

упорные и жаростойкие, другие быстро растворяются в кислотах

илегко ОКИСЛЯЮТСЯ; одни являются жаропрочными, другие быст­

ро теряют свою прочность с повышением температуры И Т. д.

Правильный выбор материала, сделанный специалистом, спо­

собствует улучшению качества продукции, уменьшает производ­ ственный брак, сокращает время введения в строй новой техники

иувеличивает срок ее эксплуатации. Неправильный выбор ма­

териала часто приводит к авариям на производстве и в эксплуа­

тации. Поэтому совершенно понятно, какое значение имеет для

инженера знание различных свойств металлов и сплавов. Эти

знания и дает металловедение.

Металловедение — наука, изучающая состав, строение, свой­ ства металлов и сплавов и их применение в конкретных условиях

эксплуатации. Курс материаловедения вооружает инженера

ВВС Советской Армии такими знаниями, которые помогут ему

оценить облаетъ применения различных не только металличе­

ских, но и неметаллических материалов, а также возможность замены одних материалов другими. Кроме того, эта дисциплина должна способствовать повышению технической вооруженности

военных специалистов в овладении новыми высотами нашей пе­

редовой авиационной науки и техники.

3

По указанию Коммунистической партии и Советского прави­

тельства ученые нашей страны приняли творческое участие в ре­ шении исключительно важной проблемы по использованию атом­

ной энергии в мирных целях, созданию искусственных спутников Земли, космических ракет и автоматической межпланетной стан­

ции, с борта которой были получены фотографические изображе­

ния обратной стороны Луны, невидимой с нашей планеты, и за­

пуску впервые в мире человека в космос. В этих эпохальных

достижениях советской науки и техники материалы играют не последнюю роль.

Можно с уверенностью сказать, что многие достижения в об­ ласти авиа- и ракетостроения связаны с успехами материалове­ дения. Известно, например, что условия работы отдельных ча­

стей и всей ракеты в целом характеризуются высокими механи­ ческими нагрузками, крайне высокими и низкими температура­ ми, сменяющими друг друга в течение довольно короткого про­

межутка времени, и коррозионным воздействием агрессивных

топлив и газообразных продуктов их сгорания.

Несмотря на то, что напряжения, испытываемые конструк­

цией корпуса ракеты чаще всего бывают кратковременными,

быстроизменяющаяся величина напряжений может привести

к усталостному разрушению материала. Основная причина зна­

чительных механических нагрузок связана с большими перегруз­ ками.

Так. например, при старте большой ракеты ускорение в тече­

ние 1—2 сек. составляет примерно 10 м/ сек.2, т. е. равно по ве­

личине ускорению силы тяжести у поверхности земли, а затем

медленно к концу работы первой ступени увеличивается до

5—6 g. При торможении (при входе ракеты в плотные слои ат­ мосферы) наблюдается почти двойная перегрузка.

Для материалов ракет характерно сочетание нагрузок и вы­

соких температур. Однако действиешагрузок при высоких темпе­

ратурах в большинстве случаев бывает кратковременным; кроме того, в ракетах, где в качестве топлива или источника сжатого

газа применяется сжиженный газ, имеются узлы, которые рабо­ тают в условиях очень низких температур. Например, при при­

менении жидкого гелия как источника сжатого газа рабочая тем­ пература достигает минус 250oC. У баллистических ракет при

входе их в атмосферу наблюдается повышение температуры до

водят только к градиенту температур.

4

Известно, что горизонтальный полет на высоте 60—80 км вы­

зывает разогрев оболочки до температуры свыше 550oC. Темпе­ ратура порядка 5000oC относится лишь к носовым конусам бал­ листических ракет дальнего действия для условий входа в плот­ ные слои атмосферы. Обычные металлы такие температуры без специальной защиты не выдерживают. В качестве защиты при­

меняются твердые обмазки.

Температура нагрева оболочки сверхзвуковых летательных

аппаратов при определенных условиях полета неодинакова для всех областей обшивки. На фиг. 1 показано, что в особо тяже­

лых условиях находятся передние кромки профилей и нос фюзе-

Фиг. 1 Температура оболочки при сверхзву­ ковом полете для двух типичных условий полета:

а—высота 15 км, число Λi≡3; 5—высота 15 км, число Λf->7

ляжа, в то время как стенки, плоско обтекаемые потоком возду­

ха, имеют более низкие температуры.

Системы топливных'баков, коммуникаций и подачи топлива, если не учитывать низкие температуры сжиженных газов, нахо­ дятся при нормальных температурах.

Однако эти ракетные материалы (для баков, насосов, комму­

никаций топлива) должны обладать высокой химической и кор­

розионной стойкостью. Сильной коррозионной агрессивностью

обладают дымящаяся азотная кислота и четырехокись азота, применяемые в качестве окислителей, а также жидкий фтор.

При температурах свыше IOOOoC дополнительные трудности

вызывают эрозия и коррозия, возникающие в результате дейст­ вия истекающих газообразных продуктов сгорания особенно при применении топлива с металлическими или металлоидными до­

бавками, как, например, бор. В конечном итоге от химической стойкости конструкционных материалов сильно зависит надеж­ ность ракет.

При выборе материалов, применяемых в ракетах, необходимо

учитывать следующие основные требования, которые к ним

предъявляются: высокая температура плавления; высокая проч­

ность особенно при. высоких температурах, т. е. высокая жаро­

прочность; хорошая пластичность при низких температурах, так

как надо учитывать наличие у некоторых материалов так назы­

ваемого порога хрупкости, т. е. температуры перехода от вяз­

5

кого разрушения к хрупкому; высокая химическая и коррозион­

ная стойкость; хорошая обрабатываемость и по возможности ми­ нимальный удельный вес.

Для удовлетворения этих требований в настоящее время

улучшаются свойства существующих материалов, а также созда­

ются новые материалы и новые защитные покрытия.

Общее представление о правильном выборе материалов, ис­ пользуемых в настоящее время для отдельных элементов кон­

струкции корпуса ракеты и ее двигателя, а также о перспекти­

вах развития ракетных материалов дает табл. 1.

Таблица 1

Код для выбора материалов в ракетостроении

О — используются в настоящее время.

Заканчивая краткий обзор о выборе и применении материа­

лов в ракетостроении необходимо отметить, что для большинства конструктивных элементов ракет требуется прочность и жест­

кость при рабочих температурах, т. е. в диапазоне немного ниже

OoC до приблизительно 800oC. Лишь для небольшого числа эле­

6

ментов, но имеющего большое значение материал должен выби­

Фиг. 2. Схема ракеты на жидком топливе:

/—расширяющаяся часть сопла; 2—камера сгорания; 3—зона смешения; 4—форсунки; 5—главный вентиль; 6—газогенера­ тор; 7—турбина; 5—турбонасос; 9—окислитель; 10—сжатый газ; // — горючее; /2—твердая обмазка; 13—наружная метал­ лическая оболочка; 14—внутренняя металлическая оболочка; 15—охлаждающий агент (окислитель или горючее); 16—газ (скорость cz>25OO M ceκ)t а—неохлаждаемое сопло; б—охлажда­

емое сопло.

температуры наблюдаются в камере сгорания и сопле. В кри­

тическом сечении сопла температура достигает почти 35'00σC. Газ, выходящий из сопла со скоростью порядка 2500 м[сек, вблизи

стенок имеет температуру около 1350oC. Такие температуры металлические сплавы без специальной зашиты могут выдержать лишь кратковременно. На нижней части фиг. 2 показано, как решается эта проблема. Камеры одноразового действия с темпе­

ратурой выше 850oC и с временем горения до 30 сек. защищаются

твердыми обмазками. При длительном или многократном дейст­

вии используются камеры сгорания с регенераторным охлажде­

нием и двойными стенками, между которыми прокачивается один из компонентов топлива в качестве охлаждающего агента.

Таким образом, требования, предъявляемые к материалу эле­

ментов конструкций различных летательных аппаратов, могут быть весьма разнообразными в зависимости от условий работы,

характера механического нагружения, температуры и воздейст­ вия среды.

Для изготовления, например, лонжеронов самолета тре­

буется материал, обладающий высокой жесткостью и статиче­ ской прочностью.

7

Для вала авиадвигателя надо применять материал, хорошо

сопротивляющийся повторно-переменному нагружению.

Для лопаток газовой турбины реактивного двигателя надо иметь жаропрочный материал, сохраняющий достаточно высокие

механические свойства при высоких температурах.

В связи с развитием жидкостных реактивных двигателей по­

явилась необходимость в кислотоупорных материалах, стойких по отношению к действию сильных кислот, например, азотной.

Для обшивки самолета надо применять легкий прочный ма­

териал, хорошо сопротивляющийся действию атмосферных ус­

ловий, а для корпуса ракеты надо применять материал, который

не сгорал бы во время полета, так как при трении о воздух он

сильно нагревается.

Кроме того, целый ряд деталей самолета и авиадвигателя из­

готавливается из материалов, которые должны обладать специ­ альными свойствами: прочностью, малой теплопроводностью,

высокими электроизоляционными качествами, высокими фрик­

ционными свойствами, эластичностью и непроницаемостью для жидкостей и газов, а также хорошими механическими свойства­

ми. К этой группе относятся пластические массы, резина, дельтЗ-

древесина и др. Эти примеры показывают, что в зависимости от конкретных условий эксплуатации в настоящее время характерно резко дифференцированное применение материалов.

Требуемые от металлического сплава свойства определяются его химическим составом, зависящим от природы основного ма­

териала и легирующих элементов, а также строением, сообщае­

мым ему горячей обработкой давлением (ковкой, штамповкой,

прокаткой), холодной обработкой давлением (волочением, про­ тяжкой), термической обработкой и другими видами обработки.

Всякий сплав надо изучать по схеме: состав—строение—свой­ ства в конкретных условиях эксплуатации.

Разберем эту схему по элементам. Роль состава сплава со­

вершенно очевидна. Можно в самом простом случае показать,

какое исключительное значение имеет химический состав спла­

ва, в частности, малые добавки легирующих элементов. Напри­ мер, чистая электролитическая медь имеет твердость по Брине-

лю 35 кгімм2, но достаточно сплавить ее с 2,3% бериллия, как

твердость образовавшегося сплава возрастает до 400 кг/мм? по

Бринелю, т. е. более чем в 10 раз.

Однако при одном и том же составе сплав в зависимости от

приданного ему строения может обладать различными свойст­ вами. Например, если сталь марки 40 нагреть до температуры

850° и охладить на воздухе, то. она приобретает следующие ме­

ханические свойства: твердость по Бринелю 200 кг/лш2, относи­

тельное удлинение 12!%. Если изменить ее строение путем за­

калки с этой же температуры в воде, то свойства резко меняют­

ся; твердость по Бринелю увеличивается до 600 кг/мм2, а отно­ сительное удлинение снижается до Г%.

8