68. Титановые сплавы: классификация, состав, свойства, назначение.

Титановые сплавы получили широкое применение в авиации, ракетной технике, судостроении, химической промышленности благодаря высокой удельной прочности (при равной прочности титановые детали в 1,7 раза легче стальных) и высокой химической стойкости (в сухом воздухе титан жаростоек до 550⁰С и устойчив против электрохимической коррозии во многих средах: в кислотах, щелочах, морской воде). Плотность титана 4,5 г/см³, температура плавления 1670⁰С, температура рекристаллизации около 500⁰С, поэтому сплавы титана жаропрочны при 450-550⁰С (кратковременно до 600-650⁰С). Титан имеет две полиморфные модификации: Ti_α c гексагональной решеткой, существующая ниже 882⁰С, и Ti_β, существующая выше 882⁰С.

Легирующие титан элементы делят на три группы в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения: α-стабилизаторы, β-стабилизаторы и нейтральные элементы.

α-стабилизаторы (Al, O, N) повышают температуру полиморфного превращения, расширяя область твердых растворов на основе Ti_α (рис. 56,а). Практическое значение для легирования титана имеет только алюминий, так как остальные вызывают снижение пластичности и вязкости титановых сплавов. Алюминий уменьшает плотность и склонность к водородной хрупкости, повышает прочность, жаропрочность,

модуль упругости титановых сплавов.

β-стабилизаторы снижают температуру полиморфного превращения титана, расширяя область твердых растворов на основе Ti_β. Они образуют с титаном диаграммы состояния двух типов.

Изоморфные β-стабилизаторы Mo, V, Ta, Nb, имеющие, как и Ti_β, кристаллическую решетку объемно-центрированного куба, неограниченно растворяются в нем (рис.56,б). Cr, Mo, Fe, Ni, W, Cu и другие образуют с титаном диаграммы состояния с эвтектоидным распадом (рис.56,в). В некоторых сплавах, (Ti-Mn, Ti-Cr, Ti-Fe) при охлаждении в условиях, отличающихся от равновесных, эвтектоидного распада не

происходит, а превращение идет по штриховой линии (рис.56,в).

Большинство β-стабилизаторов повышают прочность при обычных и отрицательных температурах, жаропрочность и термическую стабильность, несколько снижая пластичность.

Рис.56

Нейтральные элементы (Sn, Zr, Hf) мало влияют на температуру полиморфного превращения (рис.56,г). Наибольшее практическое значение имеют олово и цирконий. Олово упрочняет титановые сплавы без заметного снижения пластичности, повышает жаропрочность; цирконий

увеличивает предел ползучести и длительную прочность.

Титановые сплавы по технологии изготовления делят на деформируемые и литейные, по механическим свойствам – на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности, по способности упрочняться с помощью термической обработки – на упрочняемые и неупрочняемые, по структуре – на α-, (α+β) и β-сплавы.

69.

70. Пластические массы. Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Обязательным компонентом пластмассы является связующее вещество. В качестве связующих для большинства пластмасс используются синтетические смолы. Многие пластмассы, главным образом термопластичные, состоят из одного связующего вещества, например, полиэтилен, органические стекла и др. Для пластмасс характерны малая плотность (1-2 г/см³, а для некоторых – до 0,015 г/см³), низкая теплопроводность, хорошие электроизоляционные свойства, хорошие технологические свойства (формуемость, обрабатываемость), широкий диапазон прочности, высокая коррозионная стойкость, оптическая прозрачность (оргстекло). Недостатки пластмасс: невысокая теплостойкость большинства пластмасс, малая упругость, низкая ударная вязкость, склонность к старению. В зависимости от поведения при нагреве и формовании пластмассы делят на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Термопласты могут многократно размягчаться при нагреве и твердеть при охлаждении, не меняя своих свойств. Это позволяет формовать детали прессованием, выдавливанием, литьем под давлением, сваркой. Однако именно это свойство ограничивает их рабочую температуру, которая у большинства термопластов не более 80^оС, и лишь у некоторых – до 100-150^оС. Прочность термопластов – 10-100МПа.

Примеры:

Полиэтилен (трубки, пленка, детали арматуры).

Винипласт (емкости в химическом машиностроении, аккумуляторы, крыльчатки вентиляторов.

Полиамиды (капрон, найлон) (подшипники, зубчатые колеса, арматура).

Полиметилметакрилат (оргстекло) (листы, бытовые предметы).

Фторопласт-4 (трубы, вентили, краны, подшипники). Теплостойкость до 250^оС.

Реактопласты при нагреве с введением в них отверждающих добавок превращаются в неплавящееся и нерастворимое вещество.

Фасонные детали получают из порошков, гранул, волокон с добавкой отвердителей путем прессования при определенной температуре. Прочность 20-70 МПа.

Слоистые реактопласты представляют собой композицию из связующего (термореактивной фенолоальдегидной или эпоксидной смолы) и наполнителя в виде листов бумаги, древесины, ткани, асбеста, стеклоткани и др. Прочность до 300 МПа.

Примеры:

Текстолит (шестерни, подшипники, изолирующие детали в электротехнике). Теплостойкость до 125^оС.

Гетинакс (на основе бумаги) (листы, стержни, трубы, в основном как изолирующ. материал).

Стеклотекстолит (листы, кузова автомобилей).

Асботекстолит (фрикционные диски, тормозные колодки, термоизоляционные материалы с теплостойкостью до 300^оС).

Газонаполненные пластмассы.

Пенопласты имеют замкнутые, не сообщающиеся поры. Плотность 0,02-0,2 г/см².

Поропласты имеют поры, сообщающиеся между собой и с внешней средой. Плотность 0,02-0,07 г/см³.

Используются как тепло- и звукоизолирующие материалы в холодильной технике, строительстве, авиа- и судостроении.

71.Стекло: неорганическое, органическое, ситаллы, металлические стекла.

Неорганическое стекло представляет собой аморфное вещество, образующееся при сплавлении оксидов или безоксидных соединений. Стеклообразующие оксиды – SiO₂, B₂O₃, P₂O₅, GeO₂ и др. Основу стекла образует объемная сетка из однородных структурных элементов.

В наиболее простом по составу кварцевом стекле такими элементами являются тетраэдры SiO₄, которые соединяются своими вер-

шинами (рис.58).

Стекло не плавится при наг-

ревании подобно кристалличес -

ким телам, а размягчается, по-

следовательно переходя из

твердого состояния в пластич- Рис.58

ное, а потом в жидкое. По агрегатному состоянию стекло занимает промежуточное положение между жидкими и кристаллическими веществами. Упругие свойства делают стекло сходным с твердыми кристаллическими телами, а отсутствие кристаллографической симметрии и изотропность приближает его к жидким.

Свойства стекла, и прежде всего механические свойства, зависят от химического состава, способа получения и тепловой обработки.

Силикатное техническое стекло – наиболее дешевое и потому широко применяющееся. Обладает достаточно высокими прочностными свойствами: σ_СЖ=600-700 МПа, предел прочности при изгибе для тя-нутого стекла 70-100 МПа, для литого – 40-55 МПа, для прокатного – 30-45 МПа, для закаленного – 100-170 МПа.

Кварцевое стекло содержит не менее 99,5% кремнезема, получают его плавлением горного хрусталя или кварцевого песка. Имеет наивышую термостойкость (800⁰С) и низкий коэффициент теплового расши-рения, благодаря которому может без разрушений резко охлаждаться (от температуры 1000⁰С в воде) и нагреваться без разрушений. Кварцевое стекло прозрачно для всех радиаций, имеет малую электропроводность (хороший изолятор), хорошо противостоит действию агрессивных сред. Применяется для изоляторов, разрядников, колб радиоламп и других электровакуумных изделий в электрорадиопромышленности. Применяется также как огнеупорный материал в металлургии и для изготовления химически стойкой аппаратуры.

Закаленное стекло получают закалкой обычного листового стекла с температуры 650-670⁰С путем равномерного (с обеих сторон) быстрого охлаждения. При этом в поверхностных слоях возникают равномерно распределенные остаточные напряжения, что придает стеклу высокую механическую и термическую прочность (σ_ИЗГ=125-170 МПа, выдерживает разность температур до 275⁰С – втрое больше, чем обычное стек-ло, – и в 5-7 раз прочнее его при ударе).

Безосколочное стекло (триплекс) получают склеиванием обычного стекла с промежуточным слоем эластичного органического полимера (поливинилбутираль и др.). Безосколочное стекло обладает повышен-ной прочностью при изгибе и ударе, а при разрушении не образует ос-

колков. Применяется в приборах и аппаратах, работающих при повышенном давлении, а также для остекления транспортных средств.

Органическое стекло – техническое название оптически прозрачных твердых материалов на основе органических полимеров (полиакрилатов, полистирола, поликарбонатов, сополимеров винилхлорида с метилметакрилатом и др.). В промышленности под органическим стек-лом обычно понимают листовой материал, получаемый полимеризацией метилметакрилата.

Полиметилметакрилат исключительно прозрачен, обладает высокой проницаемостью для лучей видимого и ультрафиолетового света, хорошими физико-механическими и электроизоляционными свойства-ми, атмосферостоек, устойчив к действию разбавленных кислот и щелочей, воды, спиртов, жиров и минеральных масел, физиологически безвреден и стоек к биологическим средам. Размягчается при темпера-туре несколько выше 120⁰С. Хорошо штампуется, обрабатывается резанием, склеивается и сваривается. Используется в транспортном машиностроении, авиации, приборостроении, оптике, строительстве и архитектуре, для изготовления бытовых изделий.

Ситаллы – стеклокристаллические материалы. Они тверже высокоуглеродистой стали, легче алюминия, в пять раз (σ_ИЗГ=400 МПа) прочнее обычного стекла. По химической стойкости ситаллы уступают только золоту и платине, разрушаясь лишь под воздействием плавиковой

кислоты. Термостойкость (до 1000⁰С) и износоустойчивость ситаллов очень высокая.

От стекла ситаллы отличаются, главным образом, микрокристаллическим строением, которое получается вследствие почти полной кристаллизации исходной массы в присутствии катализаторов – золота, меди, серебра, платины. В ситаллах до 95% кристаллической фазы.

Из ситаллов изготовляют обтекатели приборных отсеков ракет, управляемых снарядов, самолетов, используют в качестве материала для изоляторов.

Металлические стекла или аморфные металлические мате-риалы являются новым перспективным материалом. По химическому составу они состоят из металлов и элементов-аморфизаторов, в качестве которых используют бор, углерод, кремний, азот и др. в количестве до 30%. Аморфное состояние сплава характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов. Такое состояние материала достигается сверхбыстрым его охлаждением из газообразного, жидкого или ионизированного состояния.

Закалка из жидкого состояния – основной метод получения металлических стекол. Осуществляется она различными способами. Для про-изводства лент струя жидкого металла направляется на вращающийся охлаждаемый барабан. Изготовляют ленту (фольгу) шириной 1-200 мм и толщиной 20-60 мкм. Аморфную тонкую проволоку получают извлече-

нием жидкого металла из ванны быстро вращающимся диском, погруженным в расплав.

Скорость охлаждения должна составлять 10⁵-10^{10 о}С/сек.

Аморфное состояние является метастабильным. Поэтому металлические стекла подвергают отжигу, в процессе которого происходит релаксация к более стабильному состоянию стеклофазы. Однако при тем-пературах отжига, превышающих (0,4-0,65) Т_ПЛ, материал кристаллизу-ется.

Металлические стекла (аморфные металлы) обладают ценным комплексом механических свойств. Прежде всего их особенностью является сочетание высокой твердости и прочности. Твердость HV может дос-тигать значений более 1000, а прочность – 4000 МПа и выше. Например, сплав Fe₄₆Cr₁₆Mo₂₀C₁₈ имеет твердость HV 1150 при прочности 4000 МПа.

Металлические стекла характеризуются высокой упругой деформацией – около 2% и низким значением пластичности δ=0,03-0,3%. Тем не менее, их можно штамповать, резать и прокатывать. Они хорошо под-даются холодной прокатке с обжатием 30-50% и волочению с обжатием до 90%.

Возможность использования металлических стекол ограничивается относительно низкой температурой их перехода при нагреве в кристаллическое состояние, а также тем, что сортамент выпускаемых материа-

лов ограничен: тонкие ленты, фольга и нити.

Высокопрочные нити из металлических стекол могут использоваться в композиционных материалах, а ленты – в виде намотки для упрочнения сосудов высокого давления. Металлические стекла – перспектив-ный материал для изготовления упругих элементов.