Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_6 том
.pdf
91
зависимость δ от степени
обжатия сохраняется неза-
висимо от направления
растяжения прокатанного
листа: вдоль или поперек
прокатки.
При больших обжатиях,
как видно на рис. 23.23,
анизотропия относитель-
ного удлинения в плоско-
сти листа возрастает. Ле-
гирование бериллия Сu, Ni,
Cr и Fe заметно упрочняет
прокат, но пластичность не
увеличивает.
О существенной зави-
симости механических
свойств Be от способа по-
лучения заготовки на при-
мере кольцевых образцов
можно судить по данным
табл. 23.19, которые пока-
зывают, что раскатка
улучшает свойства дефор-
мированных заготовок бе-
риллия. Аналогично дей-
ствует ковка, повышая
предел прочности горяче-
прессованного Be от 280−
420 МПа до 490−700 МПа и относительного удлинения от 0,5−2 %
до 8−10 %. Следует, однако, помнить, что деформируемость Be за-
висит от содержания примесей, частиц второй фазы, однородности
заготовок по примесям и размера зерна, содержания ВеО.
Для ковки недопустим бериллий, содержащий количество при-
месей более следующих предельных концентраций: ВеО − 3%; С −
0,15%; Al − 0,085%; Ti − 0,04 %; Si − 0,05 %; Cr − 0,02 %; Fe −0,2%;
Ni − 0,03 %; Mn − 0,035 %; Mg − 0,05 %.
Рис. 23.22. Зависимость удлинения при
растяжении от температуры для листов Be
с различным размером зерна d
Рис. 23.23. Зависимость относительного
удлинения при растяжении Be от обжатия
при прокатке: 1 − образцы вырезались вдоль
направления прокатки, 2 − образцы выреза-
лись в поперечном направлении
92
Таблица 23.19
Зависимость механических свойств кольцевых образцов бериллия
(в тангенциальном направлении) от способа обработки
Способ обработки
σ
в
, МПа σ
0,2
, МПа
δ, % ψ, %
Горячее прессование
и раскатка
560 330 8,5 8,3
Обратное выдавливание 440 320 5 6
Обратное выдавливание
и раскатка
560 350 15 15
Осадка заготовки в блин 520 330 10 10
Осадка заготовки в блин
и раскатка
610 390
− −
Таблица 23.20
Механические свойства бериллия в зависимости
от способа обработки изделий
Метод обработки
σ
в
, МПа σ
0,2
, МПа
δ, %
Направление
испытания
Обратное выдавливание
и формовка
650
780
590
620
2
10
По окружности
Вдоль оси
Осадка, обратное выдав-
ливание и формовка
720
700
600
570
16
10
По окружности
Вдоль оси
Выдавливание, осадка,
обратное выдавливание
и формовка
720
730
610
600
16
19
По окружности
Вдоль оси
При обработке Be замечено, что увеличение количества опера-
ций при обработке сопровождается, во-первых, улучшением пла-
стических характеристик и, во-вторых, уменьшением степени ани-
зотропии механических свойств. Это хорошо видно из данных
табл. 23.20.
23.3.5. Сплавы бериллия и их применение
Уникальные физические, теплофизические и ядерные свойства,
удельная прочность предопределили применение Be в ракетно-
93
космической, авиационной, военной, атомной, приборостроитель-
ной технике и других отраслях промышленности.
Высокие значения
модуля упругости, независимость их от тем-
пературы до 450
°С позволяют широко использовать прокат и про-
фили бериллия для изготовления деталей крыльев, рулевых систем,
панелей, обшивки соединительных элементов, переходных частей,
каркасов и оболочек ракет, сверхзвуковых самолетов и спускаемых
космических аппаратов.
Высокие значения
удельной прочности и жесткости позволяют
использовать бериллиевую проволоку микронной толщины в каче-
стве армирующих волокон при создании композиционных матери-
алов на основе Al и Ti в качестве элементов антенн космических
аппаратов, рулевых тяг и других силовых элементов ракетно-
космической техники.
Хорошие
удельная теплоемкость и теплопроводность позво-
ляют использовать Be и его сплавы в виде проката в качестве теп-
лозащитных экранов головных частей и крыльев спускаемых кос-
мических аппаратов, кабин космонавтов, деталей радиаторов и
теплообменной аппаратуры, дисков тормозов самолетов, сопел и
камер сгорания ракетных двигателей и других деталей.
Бериллий является одним из лучших материалов для деталей
конструкций, где особо важны собственная масса конструкции,
жесткость ее силовых элементов. Расчеты показали, что самолет,
изготовленный на 80 % из бериллия, будет в 2 раза легче, чем из
алюминия. При этом на 40 % увеличивается дальность полета и
значительно повышается грузоподъемность самолета.
Малая плотность и высокие прочностные характеристики
обеспечивают хорошую устойчивость бериллия к резонансным ко-
лебаниям, что позволяет использовать его в акустической технике,
при изготовлении точных приборов наведения, гироскопов. Сово-
купность многих свойств делает Be незаменимым металлом для
изготовления зеркал и других элементов лазерной космической оп-
тики, точных инструментов.
Бериллий используют в качестве
источника нейтронов по реак-
циям
Be
9
4
(α, n)
12
С,
Be
9
4
(d, n)
5
10
В,
Be
9
4
(p, n)
Be
9
5
, планируют исполь-
зовать в бланкете термоядерного реактора для размножения
нейтронов по реакции
Be
9
4
(n, 2n)2
He
4
2
.
94
Бериллий слабо поглощает γ-излучение и поэтому используется
в качестве окон рентгеновских трубок, хорошо пропускающих из-
лучение.
Бериллий используют как наполнитель при создании компози-
ционных материалов, в которых он выступает как упрочнитель, а
Al или Ti
− как пластичная матрица. Например, известны сплав ла-
келлой
(Be + 38 % Al) эвтектического типа со слабой взаимной рас-
творимостью и достаточно пластичной алюминиевой матрицей,
сплав
мэйтекс этого же типа (Be + 25 % Al). Высокая вязкость раз-
рушения этих сплавов определяется пластичной матрицей, обеспе-
чивающей снижение концентрации напряжений вблизи частиц бе-
риллия и увеличение деформируемости этих частиц вследствие об-
волакивания пластичной оболочкой. В целом сплавы типа лакеллоя
по эффективности применения в конструкциях превосходят алю-
миниевые и магниевые сплавы, а по обрабатываемости сравнимы
со сплавами магния. Недостатками лакеллоя являются низкие жа-
ропрочность и жесткость.
Весьма
низкое сечение захвата тепловых нейтронов σ
а
=
= 0,009
⋅ 10
−28
м
2
против 0,185 ⋅ 10
−28
, 0,235 ⋅ 10
−28
и 0,06 6 ⋅ 10
−28
м
2
соответственно у Zr, Al и Mg
− основных конструкционных мате-
риалов реакторов на тепловых нейтронах, и
малая плотность
предопределили использование Ве и его оксида ВеО в качестве ма-
териалов замедлителей и отражателей нейтронов в ядерно-
энергетических установках подводных лодок и космических аппа-
ратов, в исследовательских реакторах. Вследствие
хороших ядер-
ных свойств
, высокой температуры плавления (около 2550 °С),
низкого давления паров и высокой термостойкости − основных
достоинств ВеО, оксид нашел применение в технике в качестве
функционального материала, замедлителя и отражателя нейтронов
в высокотемпературных ЯЭУ. Вместе с тем, недостаточная техно-
логичность не позволяет использовать Ве для изготовления тонко-
стенных оболочечных трубок твэлов.
Хорошие ядерные свойства в сочетании с высокими температу-
рой плавления и термопрочностью предопределили использование
бериллия в качестве защитного материала первой стенки экспери-
ментального термоядерного реактора ИТЭР (типа «ТОКАМАК»).
Под
термопрочностью в данном случае понимается способность
95
противостоять без разрушения высоким температурам (вплоть до
местного оплавления) при срыве плазменного шнура в процессе
термоядерной реакции. Для этой цели были разработаны специаль-
ные термопрочные сорта бериллия.
При облучении нейтронами бериллий достаточно устойчив, со-
храняя размеры и сопротивление коррозии до флюенсов
Ф
н
≈ (2÷3) ⋅ 10
25
м
−2
. При этом несколько снижается теплопровод-
ность металла, уменьшается плотность, причем наибольшее паде-
ние плотности наблюдается у горячепрессованного и тепловыдав-
ленного Ве и очень незначительное
− у литого и монокристалличе-
ского металла (табл. 23.21).
Облучение бериллия до более высоких флюенсов приводит к
существенной деградации его механических свойств
− при флюен-
сах нейтронов
∼10
26
м
−2
относительное удлинение падает практиче-
ски до нуля (рис. 23.24).
Рис. 23.24. Изменение механических свойств горячепрессованного (а) и тепловы-
давленного (б) бериллия в зависимости от флюенса нейтронов при температуре
испытания 20 °С: 1 − вдоль оси ( ); 2 − поперек оси ( )
Весьма нежелательным является образование в Be гелия и три-
тия по (
n, α)-реакциям:
9
Be + n →
8
Be + 2n;
(23.6)
2
4
He
9
Be + n →
6
Вe +
4
He;
6
Li + n →
4
He + 3H.
(23.7)
6
Li +
β
−
96
Гелий и тритий, диффундируя в бериллии, накапливаются в пу-
стотах и на границах зерен. Это вызывает газовое распухание, до-
стигающее при флюенсах ~
10
24
м
−2
до 1−2 % при температуре
облучения
Т
обл
= 700−750 °С и 3−5 % при Т
обл
= 750−900 °С
(табл. 23.22), и снижает и без того низкую пластичность (усиливает
охрупчивание) бериллия.
Таблица 23.21
Изменение плотности бериллия в зависимости от флюенса нейтронов
и температуры облучения
Ф
н
, м
-2
Т
обл
, °С
ρ
, 10
3
кг/м
3
Горячепрес-
сованный
Тепловы-
давленный
Литой Монокристал-
лический
Исходное состояние 1,835 1,830 1,838 1,834
1⋅10
24
70 1,835 1,830
1,838 1,834
3,7⋅10
25
70 1,835 1,830 1,838 1,834
5⋅10
25
70 1,834 1,829
−
1⋅10
26
70 1,812 1,811 1,828 1,811
3⋅10
26
70 1,792 1,793
− −
7,5⋅10
26
70 1,717 1,725
− −
3⋅10
24
600 1,820 1,812
1,834 1,834
3⋅10
24
800 1,824 1,820 1,835 1,834
3⋅10
24
1000 1,796 1,793 1,837 1,840
1⋅10
25
350 1,830 1,829
− −
1⋅10
25
600 1,824 1,823
− −
1⋅10
25
800 1,817 1,764
− −
5,7⋅10
25
500 1,778 1,826
− −
5,7⋅10
25
600 1,754 1,813
− −
5,7⋅10
25
700 1,679 1,778
− −
5,7⋅10
25
800
−
1,742
− −
1⋅10
26
500 1,761
−
− −
1⋅10
26
600 1,669
−
− −
1⋅10
26
700 1,578
−
− −
97
Таблица 23.22
Распухание бериллия при высокотемпературном облучении
Ф
н
, 10
24
м
-2
Т
обл
, °С
ΔV/V, %
27,5
280−480
Нет
6 350 Нет
7 450 Нет
3,5÷5,5 450−650
Нет
1,3 500 Нет
1,3 500 0,15
9 550 0,25
2 600 Нет
3,6 600 Нет
0,9 625 0,2
9 650 1,5
1,5 680 0,4
3,6 700
2,4−5,5
1,8 780 1,5
Анализ применяемых сплавов Be в различных областях техники
показывает, что их круг выглядит достаточно малым в сравнении с
другими металлами. Это обусловлено тем, что легированием не
удается устранить
хладноломкость бериллия. Тем не менее легиро-
вание малыми количествами элементов позволяет повысить проч-
ность, жаропрочность и коррозионную стойкость бериллия. Повы-
шение коррозионной стойкости Be в СО
2
и водяном паре, по дан-
ным И.И. Папирова, достигается легированием кальцием (0,25
−
0,95 %). Хорошее сопротивление коррозии в СО
2
имеют сплавы Be
с (0,05
−3) % Mg или с (0,1−3) % Сu. Повышения прочности корро-
зионно-стойких Be
−Са-сплавов добиваются путем легирования Zr,
Nb, V или Ti в количествах от 0,1 до 2 %.
Известны сплавы, где бериллий используют как наполнитель
при создании композиционных материалов, в которых он выступа-
ет как упрочнитель, а Al или Ti
− как пластичная матрица. Это −
сплав
лакеллой (Be + 38 % Al) эвтектического типа со слабой вза-
имной растворимостью и достаточно пластичной алюминиевой
98
матрицей, сплав мэйтекс этого же типа (Be + 25 % Al). Высокая
вязкость разрушения этих сплавов определяется пластичной мат-
рицей, обеспечивающей снижение концентрации напряжений
вблизи частиц бериллия и увеличение деформируемости этих ча-
стиц вследствие обволакивания пластичной оболочкой. В целом
сплавы типа лакеллоя по эффективности применения в конструк-
циях превосходят алюминиевые и магниевые сплавы, а по обраба-
тываемости сравнимы со сплавами магния. Недостатками лакеллоя
являются низкие жаропрочность и жесткость.
Совершенно новой и пока еще слабо исследованной областью
является использование бериллия в аморфном, или нанокристалли-
ческом состояниях.
Способ синтеза объемного бериллия с нанокристаллической
структурой разработан в России. Масштабность разработки техно-
логий получения материалов на основе нанобериллия еще предсто-
ит оценить, так как пока варианты предполагаемого использования
(вакуумплотная фольга и бридерный бланкет) имеют узкую
направленность. Однако уже сейчас получены тонкие вакуумплот-
ные бериллиевые фольги, использующиеся в электрофизических
приборах. На сегодняшний день даже развитые страны (Япония,
Германия, Франция, Англия) не могут позволить себе создать про-
изводство бериллиевых фольг из-за его сложности. Монополистом
по их производству являются США, где используется иная техно-
логия.
Производство вакуумплотной фольги из бериллия с нанокри-
сталлической структурой включает ряд последовательных техноло-
гических операций, основными из которых являются: синтез особо
чистого гидрида бериллия, его пиролиз и получение объемных бес-
пористых заготовок нанобериллия, изготовление подката и прокат-
ка фольг наноструктурированного бериллия толщиной до 8 мкм.
Фольга представляет собой весьма наукоемкую продукцию
− ее
стоимость при чистоте 99,5 % составляет 10 млн. $/кг, а при чисто-
те 99,99 % достигает 50 млн. $/кг.
Бридерный бланкет термоядерного реактора предназначен для
получения трития, являющегося, наряду с дейтерием, «топливом»
для осуществления термоядерной реакции. В одном из вариантов
конструкции бланкета тритий получается при нейтронном облуче-
99
нии лития (литиевой керамики), а бериллий является замедлителем
и размножителем нейтронов по реакции
Be
9
4
(n, 2n)2
He
4
2
.
Для обеспечения свободного выхода радиогенных газов берил-
лий должен обладать пористостью около 20 %, причем пористость
должна быть полностью
открытой. Последнее обстоятельство
налагает существенные ограничения на технологию получения бе-
риллия для воспроизводства трития в бланкете реактора (бридер-
ном бланкете). Один из возможных вариантов заключается в тер-
мообработке предварительно спрессованной смеси порошков ме-
таллического бериллия и гидрида бериллия ВеН
2
. В результате
термолиза ВеН
2
при температуре 250−350 °С образуется нано-Ве в
виде микроячеистой структуры, играющий роль связки между
крупными частицами порошка металлического бериллия, а выде-
ляющийся водород обеспечивает формирование открытой пористо-
сти. Этот способ позволяет получать изделия с полностью откры-
той регулируемой пористостью и с минимальной разноплот-
ностью.
Изменяя параметры процесса (температура и давление прессо-
вания) можно регулировать общую пористость материала. Струк-
тура материала сформирована из отдельных частиц бериллииевого
порошка, а межчастичное пространство заполнено нанобериллием,
имеющим микроячеистую структуру со средним размером ячеек
около 1 мкм.
В практике известны следующие порошковые многокомпонент-
ные сплавы бериллия:
(60−80) % Ве + (12,7−39,5) % Al + (0,1−3,6) % Mg +
+ (0,08
−1,5) % Si; (50−90) % Be + (0,5−30) % Al + (0,5−40) % Сu +
+ до 5 % Si + до 12 % Ni; (50
−80) % Be + (13,3−50) Cu +
+ до 5,5 % Sn; (60
−90) % Be + (1−12) % Al + (9−30) % Сu +
+ до 12 % Ni + 3 % SiO.
Благодаря изотропности структуры и свойств некоторые из этих
сплавов рекомендуются для изготовления ответственных деталей
гироскопов. Такие детали можно существенно упрочнить методом
дисперсионного твердения при соответствующей обработке.
100
23.4. Титан и его сплавы
23.4.1. Свойства титана
Малая плотность, высокие прочностные свойства (см.
табл. 23.2) в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью и тех-
нологичностью делают титан перспективным материалом для изго-
товления самых разнообразных узлов и деталей современной пере-
довой техники (в первую очередь
− для изделий специального
назначения
− космических аппаратов, подводных лодок, военной
техники и т. д.).
Титан известен с 1791 г., но в чистом виде получен в 1910 г.
Титан имеет две аллотропические модификации − α и β с темпера-
турой фазового перехода α
β при Т = 882 °С. Фаза α имеет ГПУ
решетку с параметрами
а = 0,2950 и с = 0,4683 нм при отношении
с/а = 1,5873; β-фаза титана имеет ОЦК решетку с параметром
а = 0,3280 нм и существует до температуры плавления, равной
1664
°С. Электронная структура свободного атома титана имеет
недостроенную
d-оболочку 3p
6
3d
2
4s
2
, т.е. Ti является переходным
металлом IVа группы таблицы Д.И. Менделеева. Анализ физиче-
ских и физико-химических свойств (см. табл. 23.2) показывает, что
Ti не магнитен, обладает малым удельным весом, высокой удель-
ной прочностью и хорошей коррозионной стойкостью, технологи-
чен: куется, штампуется, прокатывается (только в горячем состоя-
нии), сваривается аргонно-дуговой сваркой, хорошо обрабатывает-
ся резанием.
К
недостаткам титана следует отнести высокую стоимость
производства, низкий модуль упругости; технический Ti даже при
комнатной температуре склонен к ползучести; активное взаимо-
действие при высоких температурах со всеми атмосферными газа-
ми вследствие высокого сродства к водороду, кислороду, азоту и
углероду. Примеси образуют с титаном твердые растворы и про-
межуточные фазы: оксиды, гидриды, нитриды и карбиды, которые
повышают прочность, одновременно снижают пластичность,
ухудшают технологические свойства и коррозионную стойкость
титана.
Например, механические свойства Ti зависят от чистоты и
структуры. Обычно металлы с ГПУ структурой имеют понижен-
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)