книги из ГПНТБ / Ромадин К.П. Материаловедение [учебное пособие]
.pdfНосовой |
конус |
|
|
|
из OkUCU |
бериллия |
|
||
|
|
|
высота It-BP нм |
|
∙'y'v'∙ г> 1∙∙∙-. |
|
|
V = 8κM cen |
|
Ur λ'Λ, - |
|
⅜∙----------~. |
|
|
|
>"■ |
\ |
|
|
tvv'' |
Высота 160нм |
|
||
|
|
|
|
|
Газообразная окись |
|
V≈6,ltκM ceκ |
|
|
бериллия |
|
|
|
|
|
Z |
|
|
|
|
|
|
V=1,0κM ceκ ξ |
|
I
I
I
/
/
/
Z
Фиг. 124. Окись бериллия, покрывающая носовой конус, является „жертвенником“ — обогащающим материалом
Фиг. 125. Так изменяется форма крыла после возвраще ния корабля из космоса
190
II. ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
При высоких температурах, возникающих в ударных волнах
и в пограничных слоях обтекания, молекулы воздуха (азота и кислорода) диссоциируют (распадаются на атомы). При еще
6o∙∏eez высоких температурах происходит ионизация газа: ато мы, теряя или приобретая электроны, получают электрический
заряд. Такие заряженные частицы, как известно, могут быть при ведены в движение под действием электромагнитных полей. Это
открывает возможность управлять пограничным слоем воздуха,
обтекающим космические корабли при входе их в атмосферу
Земли.
Воздух в ударных волнах, отходящих от носовой части раке ты, настолько ионизирован, что он хорошо проводит электриче
ский ток, а следовательно, на ударную волну можно воздейство вать магнитными полями — отодвигать их от носовой части ко
рабля и тем самым снижать температуру его поверхности.
При отсутствии магнитного |
пом |
При наличии магнитного поля |
Фиг. 126. Магнитное поле изменяет характер обтекания |
||
|
носового конуса |
|
Если на поверхности носовой части корабля удается создать |
||
сильное магнитное поле, |
то под его влиянием скорость потока |
|
воздуха замедляется. От этого носовая часть нагреется меньше.
Еще лучший результат можно получить, если носовой конус по
крыть легко ионизирующимся материалом. Ионы такого мате
риала, смешиваясь с частицами воздуха, сделают его хорошим
проводником. Эта смесь, проходя через магнитное поле, будет тормозиться еще сильнее.
На фиг. 126 показано влияние магнитного поля на характер
обтекания носового конуса космического корабля. Если вокруг
носового конуса по кольцу пропустить электрический ток большой силы, то образующееся магнитное поле будет замедлять движе
ние ионов и отталкивать ионизированные газы, находящиеся за фронтом ударной волны. Действие ударной волны сгладится и нагрев тела уменьшится.
Однако исследования, проводимые в последнее время в ряде
стран, показывают, что минимальный вес имеют системы защи
ты, основанные на методах испарительного охлаждения и воз
гонки.
191
III. МАТЕРИАЛЫ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Механизмы летательных космических аппаратов в момент старта работают с невероятно высокими тепловыми, вибрацион
ными и механическими нагрузками. В ракетных двигателях
преобразуется огромное количество энергии. Исторгаясь из ра кетных сопел, потоки тепловой энергии воздействуют прежде
всего на детали космического корабля. И чем больше тяга дви
гателя, тем в более жесткие тепловые условия, попадают мате риалы летательных аппаратов.
Во время взлета и особенно при возвращении из космоса при пробивании плотных слоев атмосферы обшивки корабля разогре
вается до высоких температур. Корабль на некоторое время ока зывается в своеобразном огненном мешке и даже короткое пре бывание в этих условиях оставляет глубокие следы. Стойкость стенок корабля в этих условиях будет во многом зависеть от ка
чества материала обшивки. Ясно, что обшивка должна быть из готовлена из жаропрочного материала. Новые материалы косми ческих кораблей должны быть или очень теплоемкими или туго
плавкими. к ним в первую очередь относятся пять металлов:
бериллий, ниобий, молибден, тантал и вольфрам.
Бериллий в отличие от остальных четырех металлов не явля
ется тугоплавким. Плавится он при температуре 1315°. Но это
очень легкий (удельный вес его γ = 1,85 кг/слі3) и в то же вре мя прочный металл. Прочность его мало изменяется при нагре
вании до 650°. Бериллий обладает большой теплопоглощающей
способностью; каждый килограмм его способен поглотить тепла в 15 раз больше, чем такой тугоплавкий металл, как платина
(температура плавления платины 1773°).
Это свойство, по мнению некоторых специалистов, и позволя
ет испсльзсвать бериллий для постройки корпусов и теплопогло
тительных экранов будущих космических кораблей.
Тантал — один из тугоплавких, но редких металлов. Темпера
тура его плавления равна 3030°. Это серебристо-белый тяжелый
металл (удельный вес его γ =16,6 г/си3). Сплавы тантала
с медью по цвету и по химическим свойствам напоминают золо
то. Наиболее характерной особенностью этого металла является
его необычайно высокая устойчивость против воздействия раз
личных кислот и щелочей. Даже «царская водка» (смесь соля
ной и азотной кислот), в которой растворяются золото и плати
на, не оказывает заметного действия на тантал. Но подобно дру гим тупоплавким металлам, рассмотренным ранее (ниобий, мо либден, вольфрам), тантал нуждается в защите от окисления
при высоких температурах.
Большой интерес представляет сплав тантала с 7% вольфра ма. Этот сплав способен противостоять температурам до 1900°.
Другой танталовый сплав, содержащий 10% вольфрама, при
годен для изготовления сопел реактивных двигателей.
192
Остальные из указанных тугоплавких металлов (ниобий,
молибден и вольфрам) были рассмотрены ранее в четвертом
разделе. Уже отмечалось, что все тугоплавкие металлы имеют
существенный недостаток; при высоких температурах они начи нают быстро разрушаться в результате окисления. Но окислы
ряда металлов являются жаростойкими и плавятся при весьма высоких температурах. Так, например, алюминий плавится при
температуре 660°, а окись алюминия Al2O3 — при 2050°, цирко ний плавится при температуре 1850°, а его окись Zr2O — при 2950°; бериллий плавится при температуре 1315°, а его окись
BeO — при 2500°.
Еще более тугоплавкими соединениями являются карбиды.
Карбид ниобия плавится при температуре 3500°, карбид цирко
ния — при 3530°, а карбид тантала — при 4150°. Однако пла
стичность окислов и карбидов металлов очень низкая.
Материалы, содержащие в основном окислы металлов и дру гие химические соединения, называются керамическими мате риалами. Все керамические материалы — плохие проводники тепла. Используя эту особенность в ряде стран керамические
материалы уже применяются для защиты важных узлов ракет
от перегрева. Сопла ракетных двигателей покрываются слоем ке
рамических материалов, как защитной рубашкой, не пропускаю
щей тепло. Керамические материалы наносятся на металличе
ские сплавы методом горячего напыления. Слой из окиси алюми
ния и окиси циркония толщиной до нескольких миллиметров
создает хорошую защиту. Каждый миллиметр покрытия окиси алюминия снижает температуру защищаемого металла на 130°,
а из окиси циркония — на 175°.
Металлические детали, покрытые окисью алюминия, работают при температуре до 1650°. Окись циркония защищает металл до
2300°. Оба эти покрытия выдерживают тепловой удар и не боят
ся изгибов. Но чем толще напыленный слой керамики, тем он
менее прочен. Чтобы увеличить толщину покрытия и в то же
время сохранить его прочность, керамикой вначале покрывают
металлическую сетку, которой придана форма изделия, а затем эту сетку, покрытую керамикой, приваривают к защищаемой по
верхности.
Армированные керамические покрытия способны выдержи
вать температуру до 2200° и создавать температурный перепад до 220° на каждый миллиметр толщины покрытия.
На фиг. 127 показано влияние теплозащитных покрытий, на несенных на лист жаропрочного никель-хромового сплава тол
щиной 1,27 мм. Листы без защиты и покрытия слоем керамики
нагревались пламенем кислородно-ацетиленовой горелки. Ока залось, что покрытия из окиси алюминия (Рокид А) и окиси
циркония (Рокид Z), толщиной 0,89 мм снижают температуру
13. К. П. Ромадин |
193 |
Tem tp tv e t st,Λu.
время, сєк.
e
Унсс meen S nepeùei кр ім и т ітиме,m
Фиг.
Так керамические покрытия изолируют от тепла силовые элементы корабля
О |
5 |
Ій 15 20 25 |
30 |
35 W |
45 |
|
|
|
Время,сен |
|
|
|
|
===== Алюминий |
—----- |
|
Нейлон |
|
||
......... |
Медь |
|
----- |
- |
Текстолит |
|
_ _ _ _ _ Нержавеющая сталь --------- |
|
|
Графит |
|
||
128. |
Самым стойким материалом при |
воздействии |
плаз |
|||
|
|
мы является графит |
|
|
|
|
194
металлического листа после 15-секундного нагрева примерно на 300°, а армированное покрытие толщиной 3,45 мм — почти
на 900°.
На фиг. 128 показана стойкость различных материалов при
воздействии на них плазмы, температура которой при опыте до стигла 14000o C, а скорость истечения — 900 м/сек. Тепловой
поток плазмотрона достигал 5400 килокалорий на квадратный метр в секунду.
Как видно из графика, наименее стойким оказался алюми
ний. За 5 секунд он обгорел на 30,5 мм. Наиболее стойким ока
зался графит и текстолит. Конус из графита за 45 секунд обго
рел всего на 7 мм. |
Текстолитовая модель в |
течение |
10—15 |
се |
|||||||
кунд обуглилась, а затем приобрела почти такие |
свойства, как |
||||||||||
и графит. |
|
|
|
|
|
|
|
5 секундам, |
кгто, |
||
Если принять время действия плазмы равнымкг, |
|||||||||||
получаются следующие данные: за 5 секунд обгорание с каждо |
|||||||||||
го квадратного метра |
графита |
равно 1,4 |
нейлона |
— |
4,2 |
кг, |
|||||
|
кг. |
|
|
кг, |
|
|
|
|
|||
текстолита — 5,6 |
кг, |
меди — 70 |
нержавеющей стали — 77 |
||||||||
|
|
|
|
||||||||
алюминия — 84 Приведенные данные показывают, что выгоднее всего носо
вую часть корабля покрывать не металлами, а графитом, нейло ном и им подобным материалам.
Тяжелые тепловые условия входа межпланетного корабля
в земную атмосферу требует новых материалов, в первую оче
редь, новых керамических покрытий и новой технологии нанесе
ния их на металлические поверхности летательных космических
аппаратов.
13*
ЛИТЕРАТУРА
1. |
А. А. Б о ч в а р. Металловедение. Металлургиздат, |
1956. |
||
2. |
Я. С. Уманский, Б. Н. |
Финкельштейн, |
Μ. |
Е. Бланте р, |
С. Т. |
К и ш к и н, Н. С. Ф а с т о в, |
С. С. Г о р е л и к. |
Физическое метал |
|
ловедение. Металлургиздат, 1955.
3.Р. Шерер, Р. Оппенгейм. Материалы, применяемые в ракето строении. Журнал «Вопросы ракетной техники». Изд. И. Л., 1961.
4.В. А. Парфенов. Возвращение из космоса. Воениздат, 1961.
5.Б. Г. Лившиц. Физические свойства сплавов. Металлургиздат, 1960.
6.М. В. Мальцев, Т. А. Барсуков, Ф. А. Борин. Металло
графия цветных металлов и сплавов. Металлургиздат, 1960.
7.Г. В. Самсонов, Я- С. Уманский. Твердые соединения туго плавких металлов, Металлургиздат, 1957.
8.К. П. Ромадин, Б. К. Вульф, И. И. Махов. Авиационное
металловедение. Изд. ВВИА им. проф. H.. Е. Жуковского, 1956.
9. К. П. Ромадин. Авиационные стали. Изд. ВВИА им. проф.
H.Е. Жуковсого, 1954.
10.К- П. Ромадин. Жаропрочные сплавы на основе тугоплавких
металлов. Изд. ВВИА им. проф. H. Е. Жуковского, 1961.
11.Б. К. Вульф, К- П. Ромадин. Авиационное материаловедение. Изд. KBBA, 1955,
12.Б. К. Вульф. Авиационные неметаллические материалы. Изд.
ВВИА им. проф. H. Е. Жуковского, 1961.
13.Б. К- Вульф, К. П, Ромадин. Авиационное металловедение. Оборонгиз, 1962.
14.Ф. Ф. Химушин. Жаропрочные газотурбинные стали и сплавы.
Сборник трудов, Современные сплавы и их термическая обработка, Машгиз, 1958.
15.Новые авиационные сплавы. Информационные листки № 140, 151, 182
и202. Из. ВИAM, 1959—1961.
16. Справочник по машиностроительным |
материалам под редакцией |
проф. Г. И. Погодина-Алексеева, т.т. 1, 2, 3. |
Машгиз, 1959. |
Т7. Справочник по авиационным материалам ВИАМ, тт. 1, 2, 3, 4. Обо ронгиз, 1958—1959.
ОГЛАВЛЕНИЕ
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стр. |
Введение ......................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
ɜ |
|
|
Раздел первый. Теория металлических сплавов |
|
|
||||||
I. Строение и свойства чистых металлов.......................................................... |
|
1® |
|||||||
II. Кристаллизация и строение слитка................................................................. |
|
|
12 |
||||||
III. Методы исследования металлов сплавов.................................................... |
|
15 |
|||||||
|
1. |
Химический анализ.............................................................................. |
|
|
|
16 |
|||
|
2. |
Спектральный |
анализ........................................................................ |
|
|
16 |
|||
|
3. |
Термический |
анализ........................................................................ |
|
|
17 |
|||
|
4. |
Исследование |
лучами |
рентгена . . ...... 18 |
|||||
|
5. |
Металлографический анализ........................................................... |
|
|
20 |
||||
|
6. |
Магнитная дефектоскопия.............................................. |
|
|
21 |
||||
|
7. |
Люминесцентная дефектоскопия..................................................... |
|
22 |
|||||
|
8. |
Ультразвуковая |
дефектоскопия..................................................... |
|
23 |
||||
|
9. |
Гамма-дефектоскопия .......................................................................... |
изотопов |
|
23 |
||||
|
10. Метод радиоактивных |
|
25 |
||||||
IV. Основные |
диаграммы |
состояния................................................................. |
|
|
26 |
||||
|
1. Общие сведения о сплавах................................................................ |
|
|
26 |
|||||
|
2. Диаграмма состояния эвтектического типа................................ |
. |
27 |
||||||
|
3. |
Диаграмма состояния |
неограниченных твердых растворов |
28 |
|||||
|
4. Диаграмма состояния ограниченных твердых растворов . |
. |
29 |
||||||
|
5. |
Диаграмма «состав—свойство» металлических систем . . |
|
30 |
|||||
V. Диаграмма состояния системы железо—углерод................................ |
32 |
||||||||
|
1. |
Характеристика |
компонентов..................................................... |
железо—углерод . . . |
.. |
32 |
|||
|
2. |
Анализ диаграммы состояния |
33 |
||||||
|
3. |
Примеры охлаждения |
сталей.................................................... |
... . |
.. |
35 |
|||
|
4. |
Строение чугунов........................................ |
|
37 |
|||||
|
Раздел второй. Основные |
механические свойства |
|
|
|||||
I. |
Общие сведения о механических свойствах ............................................... |
|
38 |
||||||
II. |
Испытания на растяжение.......................................................................... |
|
|
|
39 |
||||
III. Динамические испытания.............................................................................. |
|
|
|
43 |
|||||
IV. Испытания на выносливость............................................................................ |
|
|
|
45' |
|||||
V. Испытания на твердость.................................................................................... |
|
|
|
47 |
|||||
VI. Испытания при высоких температурах |
.......................................................... |
|
49 |
||||||
Раздел |
третий. Термическая |
и химико-термическая обработка стали |
|||||||
I. |
Термическая |
обработка |
стали...................................................... |
. |
. |
53 |
|||
|
1. |
Назначение и сущность термической обработки . ... 53 |
|||||||
|
2. Основные виды термической обработки стали.......................... |
|
54 |
||||||
|
3. Строение и свойства закалочных структур................................ |
|
57 |
||||||
|
4. Теория закалки и отпуска стали.................................................... |
|
60 |
||||||
|
5. |
Обработка стали холодом................................................................. |
|
|
62 |
||||
II. |
6. Пороки термической обработки стали...................................... |
.. |
63 |
||||||
Изотермическая обработка стали.................................................... |
|
63 |
|||||||
|
1. Диаграмма изотермического превращения аустенита ... |
63 |
|||||||
|
2. |
Ступенчатая закалка и изотермическая обработка стали . |
. |
64 |
|||||
197
III. Поверхностная термическая обработка стали............................................. |
65 |
||||
IV. Химико-термическая обработка стали........................................................... |
66 |
||||
|
1. |
Цементация . . |
. . ,..........................................................67 |
||
|
2. |
Азотирование . |
................................................... ...... |
68 |
|
|
3. |
Цианирование...................................................................................... |
. |
|
70 |
|
4. |
Алитирование . |
......................................................71 |
||
|
|
Раздел четвертый. Авиационные стали |
|
||
I. |
Углеродистые стали....................................................................................... |
|
. |
73 |
|
|
1. |
Влияние углерода |
на строение и свойства стали .... 73 |
||
|
2. |
Влияние примесей |
насвойствастали........................................... |
74 |
|
II. |
3. |
Применение углеродистыхсталей .. .................................................... |
75 |
||
Общие сведения о легированных |
сталях..................................................... |
79 |
|||
1.Взаимодействие легирующих элементов с железом ... 79
2.Взаимодействие легирующих элементов с углеродом ... 80
3.Влияние легирующих элементов на свойства стали ... 81
III. |
Классификация и маркировка |
легированных сталей |
... |
82 |
||||||
IV. |
Никелевые стали.......................................................................................... |
|
|
|
|
: |
83 |
|||
V. |
|
Хромистые стали................................................................................... |
|
|
|
|
|
85 |
||
VI. |
Хромоникелевые стали...................................................................................... |
|
|
|
|
стали . |
86 |
|||
VII. |
Хромоникельвольфрамовые и хромоникельмолибденовые |
88 |
||||||||
VIIL Хромомарганцевокремнистаясталь (хромансиль).................................... |
|
90 |
||||||||
IX. Нержавеющие стали......................................... |
|
|
|
|
|
92 |
||||
X. Жаропрочные стали и |
сплавы . |
|
|
|
|
95 |
||||
XI. Жаропрочные сплавы на основе |
тугоплавких металлов .... 101 |
|||||||||
|
|
1. Хром и его сплавы............................................................................. |
|
|
|
|
|
103 |
||
|
|
2. Ниобий и его сплавы....................................................................... |
|
|
|
|
106 |
|||
|
|
3. Молибден и его сплавы......................................... |
|
|
|
108 |
||||
|
|
4. Вольфрам и его сплавы..................................................................... |
|
|
|
|
112 |
|||
XII. Инструментальные стали............................................................. |
|
|
стали |
|
115 |
|||||
|
|
1. |
Легированные |
инструментальные |
|
115 |
||||
|
|
2. |
Быстрорежущая сталь....................................................................... |
|
|
|
|
117 |
||
|
|
3. |
Твердые режущие сплавы................................................................ |
|
|
|
118 |
|||
|
|
|
Раздел пятый. |
Авиационные цветные сплавы |
|
|
||||
I. |
Алюминиевые сплавы.......................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
121 |
||
|
|
1. Дуралюмин и его термическая обработка..................................... |
|
123 |
||||||
|
|
2. Сплавы для глубокой штамповки и сварки............................... |
|
128 |
||||||
|
|
3. Сплавы для ковки и горячей штамповки..................................... |
|
129 |
||||||
II. |
|
4. |
Литейные алюминиевые |
сплавы |
. |
........................................ 131 |
||||
Магниевые сплавы......................................................................... |
|
|
|
|
|
|
134 |
|||
|
|
1. Магниевые сплавы для обработки давлением.............................. |
|
137 |
||||||
|
|
2. |
Литейные магниевые |
сплавы......................................................... |
|
|
|
138 |
||
III. Медные |
и антифрикционные |
сплавы......................................................... |
|
|
|
139 |
||||
|
|
1. |
Латуни.......................................................................... |
бронзы |
|
|
|
|
141 |
|
|
|
2. |
Оловянистые |
|
|
|
|
143 |
||
|
|
3. |
Алюминиевые |
бронзы........................................................................ |
|
|
|
|
144 |
|
|
|
4. |
Свинцовистые |
бронзы....................................................................... |
|
|
|
|
146 |
|
|
|
5. |
Кремнистые бронзы........................................................................ |
|
|
|
|
147 |
||
|
|
6. |
Бериллиевые |
бронзы........................................................................ |
|
|
|
|
148 |
|
|
|
7. |
Баббиты............................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
149 |
|
|
Раздел шестой. |
Коррозия авиационных сплавов |
|
||||||
I. |
Теория коррозии .................................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
151 |
||
|
|
1. |
Общие сведения.................................................................................. |
|
. . |
. |
|
|
151 |
|
|
|
2. |
Химическая коррозия . |
.................................153 |
||||||
II. |
|
3. |
Электрохимическаякоррозия............................................................. |
|
|
|
155 |
|||
Защита |
от коррозии стальныхдеталей................................ |
|
|
|
161 |
|||||
198
III. Защита от коррозии алюминиевых сплавов |
............................................ |
|
166 |
||||
IV. Защита |
от коррозии магниевых |
сплавов . . |
...... 169 |
||||
|
|
Раздел седьмой. |
Пластические |
материалы |
|
|
|
I. Общие сведения о пластмассах...................................................................... |
|
|
|
171 |
|||
II. |
Слоистые констукционные пластмассы......................................................... |
|
|
173 |
|||
|
1. |
Стеклотекстолит............................................................................... |
|
|
|
175 |
|
|
2. |
Текстолит и гетинакс....................................................................... |
|
|
|
177 |
|
|
3. |
Асботекстолит..................................................................................... |
|
|
. |
177 |
|
III. Волокнистые пластики ипресспорошки для несиловых деталей . |
178 |
||||||
IV. Прозрачные пластмассы.......................................... |
|
|
|
179 |
|||
|
1. |
Органическое стекло........................................ |
|
|
|
179 |
|
|
2. |
Целлулоид................................................ |
|
|
|
180 |
|
|
3. |
Триплекс......................................................... |
|
|
|
180 |
|
V. Пластмассы без |
наполнителей........................................................................ |
|
|
|
181 |
||
|
1. |
Полиэтилен.................................................................................... |
|
|
. . |
181 |
|
|
2. |
Полистирол........................................ |
|
|
182 |
||
|
3. |
Фторопласты........................................................................................ |
|
|
|
182 |
|
|
4. |
Хлорвиниловые пластмассы................................ |
... 183 |
||||
VI. Пенопласты........................................................................................................ |
|
|
|
|
183 |
||
|
Раздел |
восьмой. Материал специального назначения |
187 |
||||
I. |
Общие |
сведения............................................................................................ |
|
|
' . |
||
II. |
Влияние магнитного поля............................................................... |
|
|
191 |
|||
III. |
Материалы космической техники........................................................ |
|
|
192 |
|||
Литература............................................................................................................... |
|
|
|
|
19S |
||