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
11
Предисловие к тому 6
В томе 6 представлен учебный материал с учетом уровня физико-
математической подготовки студентов в соответствии с Государственны-
ми образовательными стандартами второго и третьего поколений.
В главе 23 (авт.: профессоры Б.А. Калин, И.И. Чернов и Ю.В.Тузов)
рассмотрены металлы с высокой удельной прочностью, т.е. наиболее лег-
кие металлы: алюминий и его сплавы, магний и его сплавы, бериллий и
его сплавы, титан и его сплавы. Приведены основные свойства металлов и
сплавов, принципы легирования и влияние легирования на структуру, ме-
ханические свойства, коррозионную стойкость металлов, а также кон-
кретные составы и классификация сплавов, их радиационная стойкость и
применение. Рассмотрены технологические методы повышения пластич-
ности бериллия и интерметаллидные сплавы системы Ti-Al.
В главе 24 (авт.: профессоры П.А. Платонов и И.И. Чернов) дано опи-
сание циркония и его сплавов. Рассмотрены принципы легирования цир-
кония для создания коррозионно- и радиционно-стойких сплавов, задан-
ного структурно-фазового состояния и текстуры изделий из циркония и
его сплавов, влияние легирования на структуру, механические свойства и
жаропрочность циркония. Приведены основные закономерности коррозии
сплавов циркония в кислороде и на воздухе, в воде и паре, фреттинг-
коррозия и нодулярная коррозия, взаимодействие циркония и его сплавов
с водородом, замедленное гидридное растрескивание, проблемы локаль-
ного гидрирования, коррозионное растрескивание под напряжением, ра-
диационная стойкость.
В главе 25 (авт.: профессоры И.И. Чернов, Б.А. Калин, П.А. Платонов
и Я.И. Штромбах) рассмотрены сплавы на основе железа, т.е. широкий
круг сталей. Описаны взаимодействие железа с другими элементами, ос-
новные принципы легирования железа, влияние легирования на структуру
и механические свойства сталей, классификация и маркировка сталей.
Рассмотрены теплоустойчивые и жаропрочные стали, углеродистые и
низколегированные стали перлитного класса, коррозионно-стойкие хро-
мистые стали и жаропрочные коррозионно-стойкие стали аустенитного
класса. Описаны закономерности взаимодействия сталей с различными
средами, включая жидкометаллические теплоносители и химически ак-
тивные продукты деления ядерного топлива, рассмотрены радиационная
стойкость и применение различных классов сталей.
В главе 26 (авт.: профессоры И.И. Чернов и Б.А. Калин) рассмотрены
жаропрочные никелевые сплавы, включая основные свойства никеля, ле-
гирующие элементы и примеси в никелевых сплавах, влияние легирую-
щих элементов на структурно-фазовое состояние и свойства никелевых
12
сплавов, коррозионную, радиационную стойкость и применение никеле-
вых сплавов
В главе 27 (авт.: профессоры Б.А. Калин и И.И. Чернов) рассмотрены
тугоплавкие металлы и их сплавы с ОЦК решеткой: ванадий, ниобий, тан-
тал, хром, молибден и вольфрам, включая особенности легирования туго-
плавких металлов, пластичность тугоплавких металлов и их обработка,
окисление тугоплавких ОЦК металлов и жаростойкость, взаимодействие
тугоплавких металлов с жидкометаллическими теплоносителями, радиа-
ционная стойкость и применение тугоплавких металлов.
В главе 28 (авт.: профессоры П.А. Платонов, И.И. Чернов и
Я.И. Штромбах) рассмотрен реакторный графит и его свойства, включая
технологию получения искусственного графита, структуру и пористость
конструкционного графита, физические и механические свойства, корро-
зионную, радиационную стойкость и применение графитов, а также пер-
спективы применения углеграфитовых С/С-композитов в будущих термо-
ядерных реакторах.
В основу тома 6 положены учебник и учебные пособия, изданные ав-
торами: «Конструкционные материалы ядерных реакторов» (Бескоровай-
ный Н.М., Калин Б.А., Платонов П.А., Чернов И.И.); «Проблемы выбора
материалов для термоядерных реакторов: Радиационная эрозия» (Калин
Б.А., Скоров Д.М., Якушин В.Л.); «Радиационная эрозия поверхности
конструкционных материалов» (Калин Б.А., Чернов И.И.); «Диаграммы
состояния и структура конструкционных материалов ядерных реакторов»
(Калин Б.А., Чернов И.И., Шишкин Г.Н.); «Материалы с особыми физиче-
скими свойствами» (Чернов И.И., Калашников А.Н., Калин Б.А., Бинюко-
ва С.Ю.); «Влияние легирования и термической обработки на структуру и
свойства циркония» (Чернов И.И., Калин Б.А., Бинюкова С.Ю., Сталь-
цов М.С.); «Материаловедческие проблемы экологии в области ядерной
энергетики» (Калин Б.А., Польский В.И., Якушин В.Л., Чернов И.И.);
«Материаловедение термоядерных реакторов» (Калин Б.А., Поль-
ский В.И., Якушин В.Л., Волков Н.В., Чернов И.И., Джумаев П.С., Сталь-
цов М.С., Емельянова О.В.).
Каждая глава содержит контрольные вопросы. К книге приложен спи-
сок литературы, использованной авторами и рекомендуемой студентам
для более детального изучения материала. По тексту даны ссылки на бо-
лее подробное описание проблемы в других главах этого и других томов.
Авторы будут признательны за критические замечания и предложения
по содержанию учебника, которые учтут в дальнейшей работе.
13
Глава 23. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ ЛЕГКИХ МЕТАЛЛОВ
Создание структурно-стабильных материалов для наиболее
напряженных конструктивных элементов сводится к разработке
жаропрочных, выносливых, коррозионно-стойких сплавов различ-
ных химических элементов, обеспечивающих заданные работоспо-
собность, надежность и безопасность создаваемых узлов и изделий
техники.
Базовой основой при синтезе материалов являются металличе-
ские многокомпонентные системы с граничными растворами пере-
менной концентрации компонентов и промежуточными фазами
разной природы. Такие системы давно служили (и сейчас в боль-
шинстве случаев являются) базой для модификации существующих
и разработки новых разнообразных конструкционных материалов −
от обычных деформируемых или фасонно-литейных сплавов, под-
вергаемых упрочняющей термической обработке, до направленно
закристаллизованных эвтектик. Важным методом в разработке но-
вых сплавов с улучшенными технологическими и эксплуатацион-
ными свойствами является изучение фазовых равновесий в много-
компонентных металлических системах и построение их диаграмм
состояния.
К легким металлам относят металлы с малой плотностью
(ρ < 3 ⋅ 10
3
кг/м
3
). Если не рассматривать щелочноземельные метал-
лы, обладающие низким уровнем механических свойств (удельных
прочности σ
в
/ρ и жесткости Е/ρ), то группу легких металлов со-
ставляют элементы Al, Mg и Be. Титан имеет более высокую плот-
ность (ρ = 4,5 ⋅ 10
3
кг/м
3
), но его часто относят к группе легких ме-
таллов.
Прочность некоторых сплавов легких металлов и для сравнения
относительно высокопрочной аустенитной стали приведена в
табл. 23.1. Видно, что по характеристикам удельной прочности и
жесткости легкие материалы неравноценны − лучшие характери-
стики имеет бериллий.
14
Таблица 23.1
Прочность, удельная прочность и удельная жесткость
высокопрочной стали и легких материалов
Материал Основа
σ
в
, МПа
σ
в
/ρ
Е/
ρ
10
3
, км
03Х18Н18К9М5Т Fe 2000 27 2,6
В96 Al 700 23 2,4
МA10 Mg 430 21 2,3
Ве технический Be 680 37 16,1
ВТ15 Ti 1500 30 2,6
Конструкционные материалы современной техники представ-
ляют собой сложные, многокомпонентные сплавы различных эле-
ментов. Некоторые характеристики элементов, которые могут яв-
ляться потенциальной основой для будущего конструкционного
материала, приведены в табл. 23.2. Из таблицы видно, что многие
свойства элементов изменяются по мере увеличения атомной мас-
сы слева направо не монотонно, а периодами в зависимости от
электронного строения атомов. В пределах каждой из трех групп
элементов IV-A, V-A, VI-A атомный объем уменьшается, а плот-
ность, температура плавления и другие физические свойства воз-
растают слева направо. Такие характеристики, как пределы проч-
ности и текучести, твердость, относительное удлинение, в
табл. 23.2 представлены как статистически средние значения, по-
лученные при испытании образцов в различном структурном со-
стоянии, поэтому их нельзя считать характеристиками природных
свойств материала (металла). Тем не менее отметим относительно
высокую прочность Ni, Fe, Mo и W, низкую пластичность Mo и W.
Следует напомнить, что в данном томе концентрация химиче-
ских элементов указывается двумя способами: если измерена в
мас. %, то приводится – %, а при атомных процентах − ат. %.
15
Таблица 23.2
Свойства некоторых элементов
Свойство Be
С
(графит)
Mg Al Ti V Fe Ni Zr Nb Мо Та W
Кристаллическое строение
Тип решетки ГПУ / ОЦК ГПУ ГПУ ГЦК ГПУ / ОЦК ОЦК ОЦ
К
/ ГЦК ГЦК ГПУ/ ОЦК ОЦК ОЦК ОЦК ОЦК
Параметр
решетки, нм
а 0,2286 0,2456 0,3203 0,40496 0,2951 0,30301 0,2866/
а=0,3467
0,35238 0,3223 0,33021 0,314737 0,33074 0,31652
с 0,3584/
а=0,2546
0,6696 0,5201 0,4679/
a=0,3306
0,5147/
а=0,3610
А
томные и ядерные свойства
Порядковый
номер z 4 6 12 13 22 23 26 28 40 41 42 73 74
А
томный
радиус
r
а
, нм 0,113 0,077 0,160 0,143 0,145 0,134 0,127 0,124 0,160 0,147 0,139 0,146 0,140
А
томный
объем Ω,
4,89 3,42 14,0 10,0 10,8 8,35 7,09 6,60 13,97 10,83 9,42 10,9 9,54
10
–6
м
3
/моль
А
томная
9,0122 12,0115 24,312 26,98 47,90 50,942 55,847 58,700 91,220 92,906 95,941 180,903 183,852
масса
А
, а.е.м.
Потенциал
ионизации 9,32 11,264 7,644 5,984 6,83 6,74 7,90 7,63 6,84 6,88 7,29 7,70 7,98
U, эВ
Сечение за-
0,01
0,003−
0,004
0,063
0,23
(0,24)
5,6±0,4 5,1±0,2
2,53±
0,06
4,6±0,2
0,180±
0,005
1,1±0,1 2,5±0,2 21,3±1,0 19,2±1,0
хвата тепловых
нейтронов
σ
а
, 10
–28
м
2
15
16
Продолжение табл. 23.2
Свойство Be
С
(графит)
Mg Al Ti V Fe Ni Zr Nb Мо Та W
Изотопный
состав
9
Ве + 3
радиоак-
тивных
12
С
13
С + 4
радиоак-
тивных
24
Mg
25
Mg
26
Mg +3
радиоак-
тивных
27
A
l + 5
радио-
актив-
ных
47
Ti
48
Ti
40
Ti
50
Ti + 1
радиоак-
тивный -
50
V
51
V + 7
Радио-
актив-
ных
54
Fe
56
Fe
57
Fe
58
Fe + 6
радио-
активных
58
Ni
60
Ni
61
Ni
62
Ni
64
Ni + 6
радио-
актив-
ных
90
Zr
91
Zr
92
Zr
94
Zr
96
Zr + 9
радио-
актив
ных
93
Nb + 18
радио-
активных
92
Mo
94
Mo
95
Mo
96
Mo
97
Mo
98
Mo
100
Mo+9
радиоак-
тивных
181
Та
+ 15
радио-
актив-
ных
180
W
182
W
184
W
186
W+10
радио-
актив-
ных
Теплофизические свойства при 20 °С
Плотность
ρ
, 10
3
кг/м
3
1,85
2,2−3,0
1,74 2,7 4,5 6,11 7,86 8,9 6,51 8,57 10,2 16,6 19,25
Температура Сублима-
ция при
5000 °С
1897
(1700)
1536±1
(1539)
2477
(2415)
2587
(2625)
2997
(2850)
3379±2
плавления 1284 650 660 1664±4 1454±2 1855±5
Т
пл
, °С
Температура Сублима-
ция при
5000 °С
2348
(2520)
кипения 2471 1103 3169 2897 3027 2797 4327 4727 5227 5292 5372
Т
к
, °С
Удельная теп-
−
Теплота
субли-
мации
−
399 402 345,41 266 302,7 265,65 296,59 382 170,6 184
лота плавле-
ния L
m
,
10
–3
Дж/кг
Удельная теп-
−
59700
−
10500 8820 8974,9 7395 6376,5 1798 7359,1 6191 4314 4810
лота испаре-
ния L при Т
к
,
10
–3
Дж/кг
16
17
Продолжение табл. 23.2
Свойство Be
С
(графит)
Mg Al Ti V Fe Ni Zr Nb Мо Та W
Теплопро-
1,56−
300,0
165−
173
207−
230
20,0−
21,9
45,2−
63,0
130−
134
водность λ, 97−184
33,2 77 92 21,4 53 162
Вт/(м⋅К)
Теплоемкость
С
р
, 10
3
Дж/(кг⋅К)
1,86−
8,65 1,02
0,87−
0,52 0,50
0,44−
0,46
0,27−
0,27
0,24−
0,14 0,13
1,91 0,90 0,51 0,51 0,25
Термическое
10,3−13,1
1,76−
4,10
26−27,5
9,1
(23,8)
13
(⎯α=8,4)
11,9−
12,4
13,0−
13,3
24,0
расширение
(12,4−⊥) 7,8−8,7 (5,0−⊥)
7,1
5,1−5,2 6,6−7,5 4,6−5,5
α
t
, 10
–6
К
–1
(9,2−) (7,4−
)
Давление пара
4,18
1,91⋅10
2
361
2,42⋅10
-6
5,2⋅10
-3
2,21⋅10
-2
1,57⋅10
-2
4,44⋅10
-2
5,33⋅10
-4
11,2⋅10
-2
2,94⋅10
-2
3,77⋅10
-1
4,67⋅10
-2
при Т
пл
, Па
(4,9⋅10
-1
)
(3,06) (7,05) (2,37)
(1,68⋅10
-3
) (7,55⋅10
-2
)
(3,47)
(7,76⋅10
-1
)
(4,27)
Электрические и магнитные свойства при 20 °С
Удельное эле
к
-
3,3−3,8
4,2−4,5 2,6−2,7 39−45 6,2−7,5 38,9−50
13,3−
16,0
5,0−5,7 5,0−5,4
тросопротив-
700− 18,5− 9,8− 13,0−
ление
ρ
э
,
1300 19,9 10,1 14,7
10
–8
Ом ⋅ м
Магнитная
−1
−1,22−
+5,0
0,54 0,61
3,19−
3,36
5,3−5,0
− −
1,34 2,20
0,82−
0,93
0,85
0,29−
0,32
восприимчи-
вость
χ
уд
,
10
–9
м
3
/кг
Работа выхо-
да электронов 3,92 4,62 3,64 4,25 4,12 4,28 4,31 4,50 3,84 3,99 4,33 4,12 4,50
W, эВ
Коэффициент
0,35
(0,65)
0,081 0,2 0,3 0,63
0,35
0,74 0,39 0,32 0,37 0,40 0,51 0,43
излучения на
гладкой по-
верхности
ρ
17
18
Окончание табл. 23.2
Свойство Be
С
(графит)
Mg Al Ti V Fe Ni Zr Nb Мо Та W
Механические свойства (в отожженном состоянии) при 20 °С
Предел прочно-
сти при
растяжении σ
в
,
МПа
280−700
3,4−
17,2
60−196 70−130 300−700
380−
520
320−780
280−
560
220−575 300−600 490−980 210−470
600−
1480
Предел текуче-
сти при растя-
жении σ
0,2
, МПа
230−680
−
24−88 30−120 180−330
290−
450
90−250 80−240 80−130
250−420
(491)
430−650 185−400
530−
800
(1460)
Относительное
удлинение δ, %
0,2−20
−
8−16 35−50 20−50
25−30
(14)
20−40 30−40 15−40 10−50 5−45 5−45 0−20
Модуль нор-
мальной упруго-
сти Е, ГПа
287−311
18−
1131
39−44 63−72 96−104
147 211
196−
220
68−102
100 329 177 407
Модуль сдвига
G, ГПа
132−147
−
17−34
27 38 54 81 74 36 59
120−122
69 149
Коэффициент
Пуассона, ν
0,032−
0,05
0,23−
0,27
0,28−0,35
0,31−
0,34
0,36 0,35 0,28 0,32
0,32−
0,35
0,39 0,31 0,35 0,30
Твердость по
Бринеллю НВ,
МПа
590−
1570
−
245−294
245 1810 630
490−900
665−
765
640−685
735
1370−
1815
440−
1230
2570
П р и м е ч а н и е : разброс значений по данным разных источников.
18
19
23.1. Алюминий и его сплавы
Алюминий можно отнести к группе достаточно легких метал-
лов, применение которых дает возможность снизить массу изделий,
что является весьма важным для транспортной, авиационно-
космической и атомной техники.
Большие природные запасы алюминия (в земной коре около
8,8 % Al), хорошо разработанная технология его производства, от-
носительно невысокая себестоимость способствуют широкому ис-
пользованию алюминия во многих отраслях промышленности, в
том числе и в различных областях новой техники.
Чистый алюминий имеет ГЦК решетку (а = 0,405 нм) без алло-
тропических модификаций, обладает высокими значениями тепло-
проводности, электропроводности и скрытой теплоты плавления.
Температура плавления Al относительно низкая (660 °С), что огра-
ничивает его применение для изготовления деталей и конструкций,
работающих при повышенной температуре. Несмотря на большое
сродство к кислороду, алюминий весьма слабо подвергается корро-
зии на воздухе, что связано с образованием плотной оксидной
пленки Al
2
O
3
. Примеси ухудшают все эти свойства. Постоянными
примесями в алюминии являются Fe, Si, Cu, Zn, Ti. Однако непре-
рывное совершенствование технологии производства (электроли-
тическое рафинирование и пр.) позволяет получать Al высокой чи-
стоты (99,9998 %).
Будучи типичным трехвалентным металлом (электронное стро-
ение изолированного атома 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3р
1
), Al в некоторых хими-
ческих соединениях проявляет себя как металлоид. Это связано,
по-видимому, с тем, что он занимает промежуточное положение
между металлами и металлоидами: его соседи слева по периоду
относятся к металлам, а соседи справа − к металлоидам.
Необычность свойств Al проявляется и в металлических спла-
вах: почти со всеми металлами он образует сплавы с весьма огра-
ниченной растворимостью и большим числом интерметаллидных
фаз. Алюминий не образует непрерывных рядов твердых растворов
ни с одним из элементов Периодической системы Д.И. Менделеева.
Растворимостью более 10% в Al обладают Li, Mg, Zn, Ag, а более
1 % − Si, Cu, Ga, Ge. Алюминий образует перитектики с 11 элемен-
тами, причем это в основном тугоплавкие металлы Ti, V, Cr, Zr, Nb,
20
Mo и др., эвтектики с 34 элементами, в том числе с Si, Сu и Mg,
монотектики − с 26 легкоплавкими элементами.
Таблица 23.3
Результаты взаимодействия алюминия с другими элементами (r
Al
= 0,143 нм)
Эле-
мент
Кристалли-
ческая ре-
шетка эле-
мента при
нормальной
температуре
Радиус
атома r
М
,
нм (для
к.ч. = 12)
Различие
радиусов
атомов
(r
М
−r
Al
)/r
М
,
%
Раствори-
мость эле-
мента в
алюминии
(ат. %)
Образующиеся
химические
соединения
Mg ГПУ 0,160 +10,6
18,9 (449 °C)
2,1 (100 °C)
Mg
2
Al
3
, Mg
17
Al
123
Ti
ГПУ (α)
0,146 +2
0,06 (550 °C)
TiAl
3
, TiAl, Ti
3
Al
Zr
ГПУ (α)
0,160 +10,6
0,08 (660 °C)
0,003 (20 °C)
ZrAl
3
, ZrAl, ZrAl
2
,
Zr
4
Al
3
, Zr
3
Al
2
,
Zr
5
Al
3
, Zr
2
Al, Zr
3
Al
Nb ОЦК 0,145 +1
0,06 (668 °C)
0,04 (20 °C)
NbAl
3
, Nb
2
Al,
Nb
3
Al
Cr ОЦК 0,127
−11 0,42 (661 °C)
0,15 (440 °C)
CrAl
7
, Cr
4
Al
3
,
Cr
2
Al
11
, CrAl
4
,
Cr
2
Al, CrAl
3
Mn Сложная
кубическая
(α)
0,130
−9 0,7 (658 °C)
MnAl
6
, MnAl
4
,
MnAl
3
Fe
ОЦК (α)
0,126
−12 0,9 (655 °C)
Fe
3
Al, FeAl, FeAl
2
,
Fe
2
Al
5
, FeAl
3
,
Fe
2
Al
7
Ni ГЦК 0,124
−13 0,02 (640 °C)
Ni
3
Al, Ni
2
Al
3
,
NiAl, NiAl
3
Cu ГЦК 0,128
−10,5 2,5 (548 °C)
0,19 (300 °C)
CuAl
2
, Cu
3
Al
2
,
Cu
2
Al, Cu
3
Al
Zn ГПУ 0,139
−3 66,5 (382 °C)
1,7 (100 °C)
Нет (образуются
твердые растворы
Si Алмазная 0,135
−6 1,59 (577 °C)
0,16 (350 °C)
Нет (образуется
эвтектика из прак-
тически чистых
алюминия
и кремния)
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)