Технология конструкционных материалов

держка в расплавленном состоянии и модифицирование измельча­ ют структуру отливок. В качестве модификаторов применяют цинк, мрамор и мел.

Наиболее часто употребляются сплавы системы Mg—Ai—Zn. Широ­ кий интервал кристаллизации сплавов вызывает появление пористо­ сти и трещин в отливках. По мере увеличения содержания алюминия литейные свойства ухудшаются; появление эвтектики способствует их улучшению, хотя при этом резко снижается пластичность. В связи с малой скоростьюдиффузии алюминия отливки закаливают на возду­ хе и подвергают старению при 170...190 °С.

Сплавы с цинком и цирконием, в особенности дополнительно леги­ рованные кадмием, отличаются высокими механическими свойства­ ми, а отливки из них имеют плотную мелкозернистую структуру.

Литейные сплавы магния применяют в самолете-, авто- и прибо­ ростроении.

6.4. Медь и еесплавы

Медь — металл красного цвета, плотность которого составляет8,9 г/см3, а температураплавления — 1083 9С. Медьимеет гранецентрированную кубическую решетку и не претерпевает превращений при нагреве. Чистая медь обладает высокой электропроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Свойства меди зависят от степени чисто­ ты металла. Уровеньсодержания примесей Определяетее Марку: М00 — 99,96 % Си; МО99,93; Ml - 99,00; М2-99,7 и М3 - 99,5 % Си.

В литом состоянии Прочностные свойства меди невысокие (ств = 160 МПа), но пластичность хорошая (5 = 25 %). Холодная пла­ стическая деформация позволяет повысить ств до 450 МПа, но пла­ стичность при этом снижается (5 < 3 %).

Медь хорошо куется, но плохо обрабатывается резанием и из-за большой усадки и низкой жидкотекучести имеет плохие литейные свойства.

Вредными примесями, снижающими механические и технологи­ ческие свойства меди и ее сплавов, являются висмут, свинец, сера и кислород. Висмут и свинец почти нерастворимы в меди и образуют легкоплавкие эвтектики по границам зерен, что снижает способ­ ность к пластической деформации. Сера и кислород образуют с ме­ дью хрупкие эвтектики Си—Си,S и Си—Си20, которые располага­

ются по границам зерен. При нагреве меди, содержащей кислород, во влажной атмосфере проявляется «водородная болезнь» меди:

Си20 + Н2 = 2Си + Н20.

Образующиеся между зернами пары воды создают высокое давле­ ние и способствуют образованию трещин.

Все сплавы меди в зависимости от основного легирующего эле­ мента делятся на две группы: латуни и бронзы.

Латунями называются двойные или многокомпонентные сплавы меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. В системе Си—Zn образуется шесть твердых растворов с различной природой, но в используемых на практике сплавах (до45 %Zn) струк­ тура представлена либо одной a -фазой, либо двумя фазами— а+р.

Из рис. 6.6 следует, что при достижении равновесных структур сплав, содержащий до 39 % цинка, является однофазным а-твердым раствором цинка в меди. В реальных отливках P-фаза появляется уже при содержании свыше 30 % цинка. Кроме того, латуни содержат ле­ гирующие элементы (Al, Pb, Fe, Ni, Sn, Mn). Все они, кроме никеля, снижаютрастворимость цинка и способствуют образованию двухфаз­ ной (а + 0')-латуни. Твердый а-раствор имеет ГЦК решетку и харак­ теризуется высокой пластичностью.

Рис. 6.6. Диаграмма состояния Си—Zn

Электронное соединение CuZn, или (3-фаза, существует при тем­ пературе свыше 454 °С, имеет неупорядоченное расположение ато­ мов цинка и весьма пластично. При более низкой температуре оно превращается в (J'-фазу, имеющую ОЦК решетку и упорядоченное

расположение атомов. Это хрупкая и твердая структурная составляю­ щая. Латуни со структурой (а + Р') более прочные и износостойкие, чем а-латуни, но пластичность у них низкая. Латуни, содержащие 20 % цинка, склонны к коррозионному растрескиванию во влажной атмосфере, вероятность которого заметно уменьшается после отжига изделий при 250...270 °С.

Различают деформируемые (ГОСТ 15527-70) и литейные (ГОСТ 17711-93) латуни. Маркируют латуни буквами и цифрами. Буквы ис­ пользуются для обозначения латуни (Л) и элементов сплава: А—алю­ миния; Ж — железа; Мц — марганца; Н —никеля; О — олова; С — свинца; К — кремния; Мш — мышьяка. В деформируемых латунях первые две цифры указывают среднюю массовую долю меди (%), в литейных после буквы Ц — цинка, все последующие — среднюю массовую долю других легирующих элементов (%). Прочность двой­ ных деформируемых латуней (Л96...Л60) возрастает по мере увеличе­ ния содержания цинка. Улучшается и их обрабатываемость резанием, но коррозионная стойкость падает. Пластичность растет при содержа­ нии цинка до 30 %, а затем резко падает.

Для улучшения технологических свойствлатуни легируют различ­ ными элементами. Добавки алюминия, кремния, марганца и никеля повышаютсопротивление коррозии, а свинец улучшаетобрабатывае­ мость резанием.

Состав, свойства и область применения наиболее часто встречаю­ щихся марок латуней приведены в табл. 6.4.

Бронзами называются двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, бериллием, кремнием и другими эле­ ментами.

Бронзы бывают деформируемыми (ГОСТ 5017—74 и ГОСТ 18175-78) и литейными (ГОСТ 493-79 и ГОСТ 613—79). Их обозначают буква­ ми Бр, элементы сплава — по аналогии с латунями, 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 эле­ менты сплава, в деформируемых бронзах указываются подряд (далее следуют соответствующие цифры через дефис), в литейных — указы­ ваются по порядкубуквы и цифры. Например, Бр0ф7-0,2 и Бр010Ф1.

Наиболее распространенные марки бронз приведены в табл. 6.5.

Примечание. Для деформируемых латуней в числителе даны значения а„

и 5 в отожженном а в знаменателе — в наклепанном состоянии.

Примечание. Для деформируемых5ронз в числителе даны значения ав и 8

в отожженном, а в знаменателе — в наклепанном состоянии.

Деформируемые бронзы с целью увеличений пластичности перед деформацией гомогенизируют при 700...750 9С с последующим быст­ рым охлаждением в воде или (для небольших заготовок) на воздухе.

Наибольшее распространение получили оловянистые и алюми­ ниевые бронзы.

В соответствии с диаграммой Си—Sn (рис. 6.7) оловянистые бронзы характеризуются широким интервалом кристаллизации, вследствие чего они склонны к ликвации и пористости в отливках, а также име­ ют низкую жвдкотекучесть. Несмотря на то что растворимость олова в меди при равновесных условиях составляет 15,8 %, в обычных усло­ виях охлаждения в связи с низкой скоростью диффузии олова уже При его содержании 5...6 % в структуре появляется 5-фаза — хрупкое со­ единение Cu31Sn8. В литом состоянии 8-фаза располагается сеткой по границам зерен, резко снижая пластичность и вязкость, а после дефор­ мации и отжига она в виде игл располагается непосредственно в а-фа- зе. Две другие фазы (Р и г) являются соединениями Cu5Sn и Cu3Sn.

а+£

/,°С

900

700

500

300

100 — ■-------------------------- ---------------- -----

0 10 20 30

Рис. 6.7. Диаграмма состояния сплавов Си—Sn

По мере увеличения содержания олова в двойных оловянистых бронзах пластичность снижается (начиная с 6 %Sn), а прочность вна­ чале возрастает (до концентрации 25 % Sn) и затем резко снижается. Двойные оловянистые бронзы применяются редко. Для улучшения технологических и эксплуатационных характеристик их дополни­ тельно легируют цинком, свинцом, никелем, фосфором. Цинк в ос­ новном улучшает технологические свойства. Фосфор повышает твер­ дость и прочность, а также антифрикционные свойства. Никель повышает механические свойства, плотность и коррозионную стой­

кость. Свинец снижает механические свойства, но улучшает обраба­ тываемость резанием и антифрикционные 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. Легирование никелем, марганцем и железом осуществляют с целью измельчения зерна, иовышения механических и антифрикционных свойств, а также изно­ состойкости.

По мере роста содержания алюминия наблюдается рост пластич­ ности (до 2...3 %А1) и прочности (до 9...10 % А1). Алюминиевые брон­ зы хорошо сопротивляются коррозии и легко обрабатываются давлет нием, но они дают большую усадку в процессе кристаллизации и склонны к газонасышению, что приводит к образованию газовых ра­ ковин в отливках.

, Кремнистые бронзы характеризуются упругостью и их можно при­ менять для изготовления пружин. Легирование этих бронз никелем и марганцем благоприятно сказывается на механических, технологиче­ ских и эксплуатационных характеристиках.

Бериллиевые бронзы можно упрочнять термической обработкой, так как растворимость бериллия в меди уменьшается от 2,7 до 0,2 % по мере снижения температуры. После закалки с 760. .780 °С брон­ зы пластичны (8 = 25 %). Отпуск (старение) при 300...350 °С упроч­ няет берилливую бронзу (ств > 1200 МПа), но резко снижает ее пла­ стичность (8 < 1 %);,

Свинец нерастворим в меди в твердом и жидком состоянии. Вслед­ ствие этого после кристаллизации сплав состоитиз меди с включения­ ми свинца по границам зерен. Это обеспечивает высокие антифрикци­ онные свойства и хорошую прирабатываеМость свинцовистых бронз. Следует отметить, что при кристаллизации свинец ликвирует вследст­ вие высокой плотности, что Приводитк возникновению зональной ликвации в слитках.

6.5. Титан и его сплавы

Титан по распространенности занимаетчетвертое место среди 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 основном в сшолсто- и ракето­

держат другой P-стабилизирующий элемент — ванадий. При этом сплав ВТ5 дополнительно легирован еще одним 3-стабилизатором — молибденом (0,8 %), а ВТ5-1 — нейтральным оловом (2-3 %).

Двухфазные (а+р)-сплавы обладаютлучшим сочетанием техноло­ гических и механических свойств. Необходимость легирования алю­ минием связана с упрочнением a -фазы и повышением термической стабильности сплава. Для сплавов этой группы широко применяется упрочнение термической обработкой (закалкой и последующим ста­ рением). Как следует из схемы на рис. 6.8, для каждого из легирую­ щих элементов существуетпредел содержания, превышение которого делает невозможным упрочнение закалкой, так как при охлаждении не происходит (а->Р)-превращения.

Промышленные (а+Р)-сплавы используются как жаропрочные, способныедлительное время работать при температуре свыше 500 °С.

Литейные сплавы ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ14Л по составу совпадают

сдеформируемыми. Процесс изготовления из них отливок сопряжен

струдностями, обусловленными взаимодействием расплава с газами

иформовочными материалами. Литейные сплавы обладают более высокой прочностью, наименьшей ударной вязкостью и более низ­ ким пределом усталости по сравнению с деформируемыми.

6.6. Бериллий и его сплавы

Бериллий — металл серого цвета, плотность которого составляет 1,845 г/см3, что незначительно больше плотности самого легкого кон­ струкционного металла — магния (1,73 г/см). Температура плавления бериллия 1284 °С. Он обладает полиморфизмом. Низкотемператур­ ная модификация Веа, существующая до 1250 °С, имеет ГПУ решетку с периодами а = 0,2286 нм, с=0,3584 нм, а высокотемпературная моди­ фикация Вер, существующая в интервале температур 1250... 1284 °С, — ОЦК решетку.

Бериллий относится к числу редких металлов. Малая распростра­ ненность в природе (содержание в земной коре 0,0005 %), сложная и дорогая технология получения полуфабрикатов и изделий опре­ деляют его высокую стоимость.

Литой бериллий крупнозернистый и хрупкий. Слитки после ва­ куумной переплавки обрабатывают давлением или перерабаты­ вают в порошок для получения полуфабрикатов.

Механические свойства бериллия зависят от степени чистоты, тех­ нологии производства, размера зерна и наличия текстуры: ств = 280...

700 МПа, ад 2=230...680 МПа, 6= 2...40 %. Самые низкие значения от­ носятся к литому бериллию (ав =280 МПа, 5 = 2...3 %). Вдеформиро­ ванных полуфабрикатах бериллия наблюдается выраженная текстура деформации, которая приводит к большой анизотропии свойств. Так, у полученного из слитка горячекатаного полуфабриката относитель­ ное удлинение вдоль прокатки такое же, как улитого, а в поперечном направлении — близко к нулю. Наилучшие механические свойства, в том числе и пластичность, имеет бериллий, полученный методом порошковой металлургии. Увеличение прочностных свойств связано с измельчением зерна и дисперсионным упрочнением включениями оксида бериллия ВеО, неизбежно присутствующими в порошковом материале. Рост пластичности обусловлен измельчением зерна.

По удельной прочности бериллий превосходит высокопрочные стали и все сплавы на основе легких металлов (Mg, Al, Ti), а по удель­ ной жесткости — и металлы, обладающие более высоким модулем уп­ ругости (W, Мо). Кроме того, высокий модуль упругости бериллия (Е= 310 ГПа) мало изменяется при увеличении температуры до 450 °С. Поэтому бериллий является одним из лучших материалов для изго­ товления конструкций, в которых важны масса и жесткость силовых элементов. Сочетание высокой удельной прочности и жесткости по­ зволяет снизить массу конструкции, что особенно важно в самолето- и ракетостроении.

Благодаря высокой прочности (ств > 1300 МПа) тонкая бериллиевая проволока (диаметром десятки микрометров) применяется для армирования композиционных материалов на основе А1и Ti, которые находят широкое применение в ракетной и космической технике.

Бериллий обладает большой удельной теплоемкостью (в 2,5 раза больше, чем у алюминия; в 4 раза — титана и в 8 раз — стали) и хоро­ шей теплопроводностью (несколько уступая алюминию). Эти свойст­ ва способствуют применению бериллия в качестве теплозащитного материала в ракетной, и особенно в космической технике.

Хорошее сопротивление усталостным разрушениям, высокая скорость распространения звука (в 2,5 раза выше, чем в стали) позво­ ляют применять бериллий в акустической технике и двигателестроении. Высокие удельные прочность, жесткость и теплопроводность в сочетании с размерной, геометрической и термической стабильно­