Материаловедение и технология конструкционных материалов

дополнительно используя следующие буквы: Ф—фосфор; Б — бериллий; Т — титан; Мг — магний; Кд — кадмий; X — хром. Цифры указывают среднюю массовую долю элементов сплава (%) в том же порядке, что и буквы; остальное — средняя массовая доля меди. Буквы, обозначающие элементы сплава, в деформи­ руемых бронзах указываются подряд (далее следуют соответст­ вующие цифры через дефис), в литейных — указываются по порядку буквы и цифры. Например, Бр0ф7-0,2 и БрОЮФ1.

Таблица 7.4

Марки и свойства латуней

Свойства

Примечание. Для деформируемых латуней в числителе даны значения о, и 8

в отожженном, а в знаменателе — в наклепанном состоянии.

Наиболее распространенны е м арки бронз приведены в табл. 7.5.

Деформируемые бронзы с целью увеличения пластичности перед деформацией гомогенизируют при 700...750 °С с после­ дующим быстрым охлаждением в воде или (для небольших за­ готовок) на воздухе.

Наибольшее распространение получили оловянистые и алю­ миниевые бронзы.

Примечание. Для деформируемых бронз в числителе даны значения ст, и 5 в отож

женном, а в знаменателе — в наклепанном состоянии.

В соответствии с диаграммой Си—Sn (рис. 7.8) оловянистые бронзы характеризуются широким интервалом кристаллизации, вследствие чего они склонны к ликвации и пористости в отлив­ ках, а также имеют низкую жидкотекучесть. Несмотря на то что

a+L

%

0 10 20 30

Рис. 7.8. Диаграмма состояния сплавов Си—Sn

растворимость олова в меди при равновесных условиях состав­ ляет 15,8 %, в обычных условиях охлаждения в связи с низкой скоростью диффузии олова уже при его содержании 5...6 % в структуре появляется 5-фаза — хрупкое соединение Cu31Sng. В литом состоянии 8-фаза располагается сеткой по границам зе­ рен, резко снижая пластичность и вязкость, а после деформации и отжига она в виде игл располагается непосредственно в а-фазе. Две другие фазы (Р и е) являются соединениями Cu5Sn и Cu3Sn.

Микроструктура литой оловянистой бронзы с 10 % Sn приве­ дена на рис. 7.9. Она состоит из твердого раствора a -фазы (тем­ ный) и эвтектоида (а + 8) (светлый), в котором вкраплены мелкие включения, представляющие собой соединения CuaSna.

Рис. 7.9. Структура бронзы с 10 % Sn

По мере увеличения содержания олова в двойных оловянистых бронзах пластичность снижается (начиная с 6 % Sn), а прочность вначале возрастает (до концентрации 25 % Sn) и затем резко снижается. Двойные оловянистые бронзы применяются редко. Для улучшения технологических и эксплуатационных характе­ ристик их дополнительно легируют цинком, свинцом, никелем, фосфором. Цинк в основном улучшает технологические свойст­ ва. Фосфор повышает твердость и прочность, а также антифрик­ ционные свойства. Никель повышает механические свойства, плотность и коррозионную стойкость. Свинец снижает механи­ ческие свойства, но улучшает обрабатываемость резанием и ан­ тифрикционные свойства.

Двойные алюминиевые бронзы (БрА5 и БрА7) применяются редко. Обычно их легируют никелем, марганцем и железом. Так как в меди при нормальной температуре растворяется до 9,4 % алюминия, эти бронзы являются однофазным а-сплавом. Леги­ рование никелем, марганцем и железом осуществляют с целью измельчения зерна, повышения механических и антифрикци­ онных свойств, а также износостойкости.

По мере роста содержания алюминия наблюдается рост пла­ стичности (до 2...3 % А1) и прочности (до 9...10 % А1). Алюми­ ниевые бронзы хорошо сопротивляются коррозии и легко обра­ батываются давлением, но они дают большую усадку в процессе кристаллизации и склонны к газонасыщению, что приводит к образованию газовых раковин в отливках.

Кремнистые бронзы характеризуются упругостью и их можно применять для изготовления пружин. Легирование этих бронз никелем и марганцем благоприятно сказывается на механиче­ ских, технологических и эксплуатационных характеристиках.

Бериллиевые бронзы можно упрочнять термической обра­ боткой, так как растворимость бериллия в меди уменьшается от 2,7 до 0,2 % по мере снижения температуры. После закалки с 760...780 °С бронзы пластичны (8 = 25 %). Отпуск (старение) при 300...350 °С упрочняет берилливую бронзу (а„ > 1200 МПа), но резко снижает ее пластичность (5 < 1 %).

Свинец нерастворим.в меди в твердом и жидком состоянии. Вследствие этого после кристаллизации сплав состоит из меди с включениями свинца по границам зерен. Это обеспечивает вы­ сокие антифрикционные свойства и хорошую прирабатываемость свинцовистых бронз. Следует отметить, что при кристаллиза­ ции свинец ликвирует вследствие высокой плотности, что при­ водит к возникновению зональной ликвации в слитках.

Титан и его сплавы

ш.

Титан по распространенности занимает четвертое место сре­ ди металлов, его содержание в земной коре превышает 0,6 %. Тем не менее из-за сложности извлечения из руд промышленное применение он нашел лишь во второй половине XX в. в основ­ ном в самолето- и ракетостроении. Плотность титана 4,5 г/см3,

для сплавов этой группы невозможно упрочнение с помощью термической обработки. К сплавам с а-структурой относятся АТ7М и АТЗ. Эти сплавы характеризуются термической стабиль­ ностью и хорошо свариваются, но имеют низкую пластичность при нормальных температурах и не упрочняются термической обработкой.

Основные марки и свойства сплавов титана представлены в табл. 7.6.

Дополнительное легирование небольшими количествами ва­ надия, молибдена, марганца и циркония приводит к появле­ нию (3-фазы (псевдо а-сплавы), в результате чего повышается пла­ стичность. Так, сплавы ОТ4 и ОТ4-1 можно ковать в холодном

состоянии, но ВТ20 куют в подогретом до 600...800 °С состоя­ нии. Сплавы марок ВТ5 и ВТ5-1 отличаются от сплавов серии ОТ тем, что вместо марганца содержат другой (3-стабилизирую- щий элемент — ванадий. При этом сплав ВТ5 дополнительно ле­ гирован еще одним ^-стабилизатором — молибденом (0,8 %), а ВТ5-1 — нейтральным оловом (2-3 %).

Двухфазные (а + Р)-сплавы обладают лучшим сочетанием технологических и механических свойств. Необходимость леги­ рования алюминием связана с упрочнением a -фазы и повыше­ нием термической стабильности сплава. Для сплавов этой группы широко применяется упрочнение термической обработкой (за­ калкой и последующим старением). Как следует из схемы на рис. 7.10, для каждого из легирующих элементов существует предел содержания, превышение которого делает невозможным упрочнение закалкой, так как при охлаждении не происходит (а -> Р)-превращения.

Промышленные (а + (З)-сплавы используются как жаропроч­ ные, способные длительное время работать при температуре свыше 500 °С.

Литейные сплавы ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ14Л по составу совпадают

сдеформируемыми. Процесс изготовления из них отливок сопря­ жен с трудностями, обусловленными взаимодействием расплава

сгазами и формовочными материалами. Литейные сплавы обла­

дают более высокой прочностью, наименьшей ударной вязкостью и более низким пределом усталости по сравнению с деформируе­ мыми.

7.6.Бериллий и его сплавы

Бериллий — металл серого цвета, плотность которого состав­ ляет 1,845 г/см3, что незначительно больше плотности самого легкого конструкционного металла — магния (1,73 г/см). Темпе­ ратура плавления бериллия 1284 °С. Он обладает полиморфизмом. Низкотемпературная модификация Веа, существующая до 1250 °С, имеет ГПУ решетку с периодами а = 0,2286 нм, с = 0,3584 нм, а высокотемпературная модификация Вер, существующая в ин­ тервале температур 1250...1284 °С, — ОЦК решетку.

Бериллий относится к числу редких металлов. Малая распро­ страненность в природе (содержание в земной коре 0,0005 %),

сложная и дорогая технология получения полуфабрикатов и из­ делий определяют его высокую стоимость.

Литой бериллий крупнозернистый и хрупкий. Слитки после вакуумной переплавки обрабатывают давлением или перераба­ тывают в порошок для получения полуфабрикатов.

Механические свойства бериллия зависят от степени чистоты, технологии производства, размера зерна и наличия текстуры: ов = 280...700 МПа, о0,2 = 230...680МПа, 5 = 2...40 %. Самые низ­ кие значения относятся к литому бериллию (Св =280 МПа, 5 = = 2...3 %). В деформированных полуфабрикатах бериллия наблю­ дается выраженная текстура деформации, которая приводит к большой анизотропии свойств. Так, у полученного из слитка горячекатаного полуфабриката относительное удлинение вдоль прокатки такое же, как у литого, а в поперечном направлении — близко к нулю. Наилучшие механические свойства, в том числе и пластичность, имеет бериллий, полученный методом порош­ ковой металлургии. Увеличение прочностных свойств связано с измельчением зерна и дисперсионным упрочнением включения­ ми оксида бериллия ВеО, неизбежно присутствующими в порош­ ковом материале. Рост пластичности обусловлен измельчением зерна.

По удельной прочности бериллий превосходит высокопроч­ ные стали и все сплавы на основе легких металлов (Mg, Al, Ti), а по удельной жесткости — и металлы, обладающие более высо­ ким модулем упругости (W, Мо). Кроме того, высокий модуль упругости бериллия (Е —310 ГПа) мало изменяется при увели­ чении температуры до 450 °С. Поэтому бериллий является одним из лучших материалов для изготовления конструкций, в которых важны масса и жесткость силовых элементов. Сочетание высокой удельной прочности и жесткости позволяет снизить массу кон­ струкции, что особенно важно в самолето- и ракетостроении.

Благодаря высокой прочности (ста > 1300 МПа) тонкая бериллиевая проволока (диаметром десятки микрометров) применя­ ется для армирования композиционных материалов на основе А1 и Ti, которые находят широкое применение в ракетной и кос­ мической технике.

Бериллий обладает большой удельной теплоемкостью (в 2,5 раза больше, чем у алюминия; в 4 раза — титана и в 8 раз — стали) и хорошей теплопроводностью (несколько уступая алюминию).

Эти свойства способствуют применению бериллия в качестве теплозащитного материала в ракетной, особенно в космической технике.

Хорошее сопротивление усталостным разрушениям, высокая скорость распространения звука (в 2,5 раза выше, чем в стали) позволяют применять бериллий в акустической технике и двигателестроении. Высокие удельные прочность, жесткость и тепло­ проводность в сочетании с размерной, геометрической и термиче­ ской стабильностью, низким коэффициентом термического рас­ ширения и хорошей отражательной способностью позволяют изготавливать из бериллия зеркала и детали оптических и вы­ сокоточных приборов.

Бериллий — наилучший замедлитель нейтронов среди всех металлов, который в то же время слабо их поглощает. Поэтому из него производят замедлители и отражатели в атомных реак­ торах. Бериллий также используется для легирования сплавов на основе меди и алюминия.

Основными недостатками бериллия являются токсичность, хрупкость, значительная анизотропия механических свойств в полуфабрикатах, полученных обработкой давлением, и высо­ кая стоимость.

Создание сплавов на основе бериллия представляет довольно сложную проблему. Это связано с тем, что бериллий имеет не­ большой атомный радиус (0,113 нм), значительно меньший, чем у какого-либо другого металла. Из-за этого затрудняется образо­ вание твердых растворов и, следовательно, невозможно диспер­ сионное упрочнение термообработкой.

Подавляющее большинство легирующих элементов обладает ничтожной растворимостью в бериллии. Растворяясь в бериллии, они искажают его кристаллическую решетку, в результате чего увеличивается хрупкость. Наибольшее распространение получили сплавы бериллия с алюминием. Бериллий образует с алюминием диаграмму состояния эвтектического типа практически без вза­ имной растворимости (рис. 7.11). Поэтому эвтектика, образующаяся при концентрации 2,5 % Be, состоит из почти чистого алюминия с незначительным количеством включений бериллия и характе­ ризуется высокой пластичностью. Чем больше содержится в спла­ вах бериллия, тем выше их прочность и жесткость. Промыш­ ленное применение получили сплавы, содержащие 5...80 % Be.

Все эти сплавы эвтектические и в неравновесных условиях кри­ сталлизации эвтектика как бы «вырождается»: структура сплавов состоит из мягкой пластичной матрицы практически чистого алю­ миния и включений частиц твердого и хрупкого бериллия. Сплавы бериллия и алюминия пластичнее чистого бериллия и обладают высокими прочностнЫми свойствами и жесткостью. Так, сплав, содержащий 24 % AI, имеет os = 620 МПа, о0 2 = 510 МПа, 5 = = 3 %, Е = 260 ГПа.

Легирование двойных сплавов элементами, растворимыми

вбериллиевой фазе, ухудшает свойства этой фазы и сплавов

вцелом, а легирование элементами, растворимыми в алюми­ ниевой фазе, — улучшает. Наиболее благоприятно на свойства сплавов влияет дополнительное легирование магнием в преде­ лах его растворимости в алюминии. Однако значительный эф­ фект упрочнения при одновременном повышении пластичности наблюдается у сплавов с малым количеством бериллия. При со­ держании в сплаве более 70 % Be резко ухудшается пластичность и практически не изменяется прочность. Добавка к сплаву с низ­ ким содержанием бериллия (30 %) 5 % Mg увеличивает ов с 200 до 400 МПа, 8 — с 18 до 25 % при повышении £ до 150. ..300 ГПа.

Легирование бериллия элементами, расширяющими темпе­ ратурную область существования пластичной высокотемпера­ турной модификации Вер (Ni, Со, Си и др.), увеличивает тем­ пературный диапазон горячей обработки давлением. Эти эле­ менты повышают прочность и снижают пластичность при 20 °С.