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
51
ские переходники. Однако клепаный узел, как показывает практика
эксплуатации судов, недостаточно надежен и долговечен. Под дей-
ствием влаги заклепки активно корродируют, нарушается герме-
тичность узла, существенно снижается его прочность, поэтому ча-
сто необходим ремонт таких соединений.
Более перспективным способом изготовления конструкций из
разнородных материалов (в частности, стали и алюминия) является
сварка с применением биметаллических переходных элементов.
При этом стальная часть конструкции приваривается к стальному
слою биметалла, алюминиевая − к слою биметалла из алюминиево-
го сплава. При таком типе соединения по сравнению с клепаным
существенно снижается трудоемкость изготовления разнородных
конструкций, улучшаются условия труда при выполнении сбороч-
ных работ, повышаются эксплуатационные качества соединений.
За рубежом наибольшее применение находят переходники из
разнородных металлов и сплавов, полученные сваркой взрывом,
которые представляют собой трехслойную композицию толщиной
35−40 мм следующего состава:
− малоуглеродистая сталь − технически чистый алюминий −
алюминиевый сплав (Франция, Польша);
− сталь − титановый сплав − алюминиевый сплав (Япония);
− сталь − алюминиевый сплав − алюминиевый сплав (другой
марки) (США) и др.
Зарубежные биметаллические переходники имеют гарантиро-
ванную прочность сцепления слоев на срез и на отрыв (55 и
70 МПа соответственно).
Например, при постройке эсминца с применением биметалличе-
ских переходных элементов масса корпуса благодаря использова-
нию надстроек из алюминиевых сплавов была снижена на 100 т.
Биметаллические узлы для соединения алюминиевых и сталь-
ных конструкций широко применяются в военном кораблестроении
США, Японии.
С начала 80-х годов прошлого века в российском судостроении
ведутся работы по внедрению (взамен клепки) сварных соединений
надстройки из алюминиевого сплава со стальным корпусом через
биметаллические переходники. Выполненный в последние годы
комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских
работ позволил создать судостроительный биметалл на основе низ-
52
колегированной стали марки 10ХСНД (D40) и алюминиево-маг-
ниевого сплава марки 1561. Созданный биметалл позволил обеспе-
чить надежность и коррозионную стойкость соединений стали с
алюминием в корпусных конструкциях, повысить эксплуатацион-
ный ресурс судов. Прочность сцепления слоев такого биметалла на
отрыв и на срез составляют не ниже 100 и 55 МПа соответственно.
Разработанный биметалл предназначен для использования в каче-
стве переходных элементов при соединении сваркой плавлением
алюминиевых надстроек со стальным корпусом судов всех классов
и назначений, он одобрен Российским Морским Регистром судо-
ходства.
Дуралюмины широко применяют в авиации. Из сплава Д1,
например, изготовляют лопасти воздушных винтов, из Д16 − шпан-
гоуты, нервюры, тяги управления и др. Кроме того, их используют
для строительных конструкций, кузовов грузовых автомобилей,
обсадных труб и др. Сплав Д18 – один из основных заклепочных
алюминиевых сплавов. Заклепки из сплава Д18 ставят в конструк-
цию после закалки и естественного старения. Высокопрочный
сплав В95 был использован в бомбардировщике Ту-16, а затем в
первом реактивном пассажирском самолете Ту-104 и других само-
летах.
Из сплава В93 системы Al−Zn−Mg−Cu, дополнительно легиро-
ванного небольшим количеством Fe, изготовлен силовой каркас
транспортного самолета «Антей». Разработанный на базе этого
сплава путем введения Zr при оптимизации содержания Fe сплав
1933 был использован в самолете «Мрия» для изготовления круп-
ногабаритных поковок и штамповок.
Ковочные алюминиевые сплавы используют для средненагру-
женных деталей сложной формы: большие и малые крыльчатки,
фитинги, качалки, крепежные детали. Сплавы с повышенным со-
держанием меди (АК8) хуже обрабатываются давлением, но более
прочны и применяются для высоконагруженных деталей неслож-
ной формы: подмоторные рамы, пояса лонжеронов, лопасти винтов
вертолетов и др.
Высокопрочные алюминиевые сплавы применяют для высоко-
нагруженных деталей конструкции, работающих в основном в
условиях напряжения сжатия (обшивка, стрингеры, шпангоуты,
лонжероны самолетов).
53
Литейные сплавы (АЛ32 и др.) применяют для литья под давле-
нием нагруженных деталей, например блоков цилиндров, головок
блоков и других деталей автомобильных двигателей.
Сплавы на базе системы систем Al−Li широко применяются как
в гражданской, так и военной авиации и ракетной технике. Сплав
ВАД23 был использован для стабилизаторов ракет малой дально-
сти, в конструкциях самолета Ту-144. Сплав 1420 применили в
клепаной конструкции фюзеляжа самолета вертикального взлета
Як-36, получив выигрыш в массе 16 %. Использование его для
сварных герметичных баков и кабин пилота истребителя МиГ-29 и
его модификаций позволило получить снижение массы на 24 %.
Сплав 1421 широко используется для корпусов ракет, изготовления
стрингеров фюзеляжа (клепаные и сварные конструкции) самолета
Ан-123. Сплав 1460 используют для сварных криогенных топлив-
ных баков космического и авиационного назначения. Например,
использование этого сплава для изготовления сварных баков диа-
метром до 4,5 м и высотой до 4 м для жидкого кислорода ракеты
«Дельта» для вывода на космическую орбиту спутников мировой
системы связи дало снижение массы на 35 %.
При изготовлении металлических композиционных материалов
в качестве матрицы применяют алюминий, титан, магний, медь,
никель, кобальт и другие материалы.
Алюминий, а также деформируемые и литейные сплавы на его
основе часто применяются при изготовлении композиционных ма-
териалов как жидко-, так и твердофазными методами.
При изготовлении композитов твердофазными способами ши-
роко применяют деформируемые алюминиевые сплавы (например,
АМг2, АМг3, АМг5, Д1, Д16, АК4, В94 и др.) Достоинства дефор-
мируемых алюминиевых сплавов: малая плотность, высокий уро-
вень механических свойств, высокая технологическая пластич-
ность.
Для получения композитов жидкофазными методами (литье,
пропитка) применяют литейные алюминиевые сплавы (например,
АЛ1, АЛ2, АЛ3, АЛ9 АЛ13 и др.). Эти сплавы отличаются повы-
шенной жидкотекучестью, малой линейной усадкой, пониженной
склонностью к образованию трещин при повышенных темпера-
турах.
54
Композиционные материалы на основе алюминия могут быть
получены методами порошковой металлургии и газотермического
напыления. Для реализации этих методов используют алюминие-
вые порошки и порошки из алюминиевых сплавов, например АПП
(порошок из первичного алюминия), АПВ (из вторичного алюми-
ния), АСД-1 (дисперсный порошок), АСД-Т (дисперсный порошок
с добавкой титана).
К твердофазным методам получения композитов относят диф-
фузионную сварку. Этот метод основан на использовании в каче-
стве матричного материала технической фольги алюминия или его
сплавов (АД1, А99, А97, А95 и др.).
Для реализации технологии сварки взрывом применяют листы
из алюминия (А0, АД0, АД1) и его сплавов (АМц, АМг2, АМгЗ,
АМг5, Д12 и др.) толщиной до 2,5 мм. Возможно применение не-
плакированных и плакирован-
ных листов в отожженном (обо-
значение М), полунагартован-
ном (1/2Н), нагартованном (Н),
закаленном и естественно со-
старенном (Т), естественно со-
старенном после закалки и до-
полнительно нагартованном
(ТН) состоянии.
Облучение нейтронами Al и
его сплавов вызывает относи-
тельно слабые радиационные
повреждения в связи с относи-
тельно низкой температурой их
рекристаллизации (около
150 °С). Нейтронное облучение
скорее улучшает, чем ухудшает
механические свойства Al и его
сплавов (рис. 23.14). Под дей-
ствием облучения при темпера-
турах ниже температуры рекри-
сталлизации повышается проч-
ность σ
в
и сопротивление пла-
стической деформации (σ
0,2
), в
Рис. 23.14. Изменение прочностны
х
характеристик технического Al (а) и
силумина с 7 % Si (б) в зависимости
от флюенса нейтронов
55
то время как пластичность δ практически не изменяется. Радиаци-
онное упрочнение алюминиевых сплавов обычно достигается при
флюенсах Ф
н
≈ (1 ÷ 2) ⋅ 10
25
м
−2
.
Как видно из табл. 23.11, радиационное упрочнение Аl проявля-
ется при достаточно низких флюенсах увеличением σ
0,2
, σ
в
и сни-
жением δ. При больших флюенсах облучения сплавов системы
Аl−Mg−Si обнаружено относительно слабое изменение значений
прочностных характеристик, зафиксированных при низких флюен-
сах. Например, у сплава 6061 после облучения быстрыми нейтро-
нами (Ф
н
= 9,2 ⋅ 10
26
м
−2
, Е > 0,1 МэВ) и тепловыми нейтронами
(Ф
н
= 1,38 ⋅ 10
27
м
−2
) при температуре 60 °С временное сопротивле-
ние разрушению (σ
в
) увеличилось в 1,5 раза, а относительное
удлинение (δ) снизилось почти в 2 раза по сравнению с необлучен-
ными сплавами.
Таблица 23.11
Влияние облучения на механические свойства алюминиевых сплавов
Марка
сплава
Состояние
Исходные свойства
Ф
н
, 10
25
м
−2
(E > 0,1 МэВ)
Свойства после
облучения
σ
0,2
,
МПа
σ
в
,
МПа
δ,
%
σ
0,2
,
МПа
σ
в
,
МПа
δ,
%
1100 Отожженное
Нагартованное
47
116
95
121
38
6
1,25*
1,25*
120
168
182
182
21
6
6061 Отожженное
Закаленное и
состаренное
66
270
126
316
29
18
1,25*
1,25*
179
310
261
354
22
16
САВ-1 Закаленное
и состаренное
Стабилизиро-
ванное
245
90
290
150
11
18
1,8**
(E > 0,1 МэВ)
1,6**
(E > 0,1 МэВ)
280
110
330
150
10
17
* Флюенс по быстрым нейтронам около 10
24
м
−2
, температура облучения 66 °С.
** Температура облучения (75 ± 25) °С.
Положительная роль легирующих элементов проявляется и в
подавлении радиационного распухания алюминия. Это связано с
различием атомных радиусов легирующих элементов и Аl, приво-
дящих к местному искажению (дилатации) кристаллической ре-
шетки, к образованию дисперсных интерметаллидов, рост которых
во времени (и под облучением) проходит несколько стадий, вклю-
56
чая стадию когерентной связи решеток интерметаллида и сплава.
Например, размеры атомов Mg, Sc, Zr превышают размер атома
алюминия и, следовательно, являются ловушками для вакансий,
что приводит на начальных стадиях облучения к повышению кон-
центрации петель межузельного типа. Уход межузельных атомов
из решетки в петли способствует зарождению и росту вакансион-
ных кластеров и пор.
Стабилизация трехмерных скоплений дефектов обеспечивается
присутствием гелия, образующегося, например, по (n, α)-реакции.
Одновременно идет процесс образования сегрегации атомов леги-
рующих элементов и интерметаллических фаз, например, типа
Mg
n
Al
m
. При достижении определенной концентрации и размера
выделений граница их раздела с матрицей сплава становится ме-
стом рекомбинации точечных (полярных) дефектов, что затрудняет
процесс роста вакансионных пор (и распухания). В результате до-
бавки Mg существенно снижают распухание Аl, но усиливают ра-
диационное упрочнение вследствие радиационно-ускоренного вы-
деления интерметаллидов и усиления образования петель междо-
узельных атомов. При легировании Аl элементами (Si, Zn, Mn) с
атомными радиусами, меньшими r
Al
, дилатационное искажение
будет способствовать притяжению и замедлению подвижности
междоузельных атомов, образованию гантельных конфигураций с
Аl типа Аl−Me. Поглощение смешанных гантелей петлями междо-
узельных атомов будет способствовать сегрегации Me с последу-
ющим образованием зон Гинье−Престона вблизи дислокационных
петель.
В результате такого легирования также будет наблюдаться за-
медление распухания и усиление радиационного упрочнения Аl
вследствие образования второй фазы.
Выбирая легирующие элементы, снижающие распухание и ра-
диационное упрочнение, необходимо стремиться к тому, чтобы об-
разующаяся вторая мелкодисперсная фаза могла быть эффектив-
ным нейтральным стоком точечных радиационных дефектов.
Коррозионная стойкость алюминиевых сплавов в воде снижает-
ся под воздействием нейтронного облучения. Так, в воде высокой
чистоты при температуре 190 °С облучение в потоке нейтронов
10
16
нейтр./(м
2
⋅ с) увеличивает скорость коррозии сплава Х8001 в
1,5 раза, а сплава 6061 − в 2−3 раза. В целом, облучение интенси-
57
фицирует коррозию Аl и его сплавов в условиях, когда может быть
нарушено пассивное состояние и целостность защитных оксидных
пленок.
23.2. Магний и его сплавы
23.2.1. Свойства магния
Магний − щелочноземельный металл II группы Периодической
системы элементов Д.И. Менделеева с массовым числом z ~ 12 и
электронным строением 2p
6
3s
2
. Магний относительно легко отдает
валентные электроны более электроотрицательным элементам, что
подтверждается его высокой реакционной способностью и относи-
тельно низкими потенциалами ионизации (работа отрыва первого
валентного электрона 7,63 эВ; второго 15,10 эВ). Благодаря боль-
шим (отрицательным) значениям свободной энергии образования
оксидов (см. рис. 23.8) Mg восстанавливает оксиды почти всех ме-
таллов.
Природный магний обычно состоит из следующих изотопов:
78,8 %
24
Mg + 10,14 %
25
Mg + 11,06 %
26
Mg.
Магний кристаллизуется в гексагональную плотноупакованную
кристаллическую решетку (с/а = 1,6235) и не имеет аллотропиче-
ских превращений.
Магний имеет невысокое относительное удлинение (δ < 15 %)
при низких прочностных свойствах (σ
в
< 180 МПа; σ
0,2
< 100 МПа)
и обладает меньшей способностью к деформации по сравнению с
ГЦК металлами (например, алюминием). Теплопроводность магния
в 1,5 раза, а электропроводность в 2 раза ниже, чем у алюминия.
Примерно в 1,5 раза меньше, чем у алюминия, и его модуль нор-
мальной упругости. Однако по удельной жесткости они близки (см.
табл. 23.2).
К недостаткам чистого Mg необходимо отнести большую
склонность к росту зерна. Например, при температуре 400−450 °С
размер зерна за 100−200 ч увеличивается в сотни и тысячи раз, что
существенно охрупчивает металл. Рост зерна Mg связан со значи-
тельной диффузионной подвижностью его атомов. Энергия акти-
вации процесса рекристаллизации при 150 °С (температура рекри-
сталлизации) составляет всего 73,3 кДж/г-атом, что почти в два ра-
58
за меньше энергии активации самодиффузии (134 кДж/г-атом).
В ряде случаев рост зерен Mg наблюдается уже при температуре
85 °С. Одним из существенных недостатков Mg является также его
низкая коррозионная стойкость на воздухе (особенно влажном), а
также в воде. Кроме того, Mg имеет плохие литейные свойства,
склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению.
23.2.2. Влияние легирования на структуру
и механические свойства магния
Улучшение прочностных характеристик Mg (как при нормаль-
ной, так и при повышенной температуре) достигается легировани-
ем. Легированием и необходимой термической обработкой меха-
нические характеристики магниевых сплавов могут быть значи-
тельно увеличены (σ
в
до 300−400 МПа) при сохранении малых зна-
чений плотности (ρ < 1,8 ⋅ 10
3
кг/м
3
). Однако Mg, так же как и Al,
существенно отличается по своим электрохимическим свойствам
от многих элементов, имея пониженную электроотрицательность, и
с большинством важных в техническом отношении металлов обра-
зует твердые растворы малых концентраций и интерметаллидные
фазы (табл. 23.12). Магний образует эвтектики с 40 элементами
таблицы Д.И. Менделеева, перитектики − с 14 элементами, а моно-
тектики − с 16 элементами. Растворимость в магнии Cr, Mn, Zn, Ga,
Y, Ag, Sn, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, Pb, Bi, Pu равна или несколь-
ко выше 1%, a Li, Al, Sc, In, Tl превышает 10%, и только Cd обра-
зует с Mg непрерывный ряд твердых растворов.
К числу основных легирующих элементов (с точки зрения по-
вышения длительной прочности Mg) следует отнести те
1
, которые
имеют α ≥ 1; k
r
> 0,05. Этому условию удовлетворяют 15 элемен-
тов, но после исключения очень дорогих остаются Li, Al, Zn, Cd,
Mn. К числу вспомогательных элементов (α ≥ 0,1; k
r
> 0,05 ), отве-
чающих требованию по стоимости, относятся Са, Zr, Be и некото-
рые редкоземельные элементы (РЗЭ). Отметим, что Zr и Мn повы-
шают температуры фазовых превращений в сплавах с магнием.
Цирконий является лучшим модификатором, измельчающим зерно
и улучшающим пластичность магния. К числу вредных примесей в
1
Физическое материаловедение. − М.: НИЯУ МИФИ, 2021. Т. 5. П. 16.2.3.
59
Mg (0,01 > α ≥ 0,001; k
r
< 0,05) относятся 13 элементов, среди кото-
рых особенно вредными являются К, Sr, Ba, Ni, Cu, Si, Sb, нежела-
тельны кислород и водород.
Таблица 23.12
Химические соединения магния с металлами
Эле-
мент
Кристал-
лическая
решетка
элемента
Радиус
атома
r
М
, нм
(для
к.ч.=
=12)
Различие
радиусов
атомов
(r
M
−r
Mg
)/r
M
,
%
Раствори-
мость элемен-
та в магнии
(атомная кон-
центрация), %
Химические
соединения
на диаграмме
состояния со
стороны маг-
ния
Темпера-
тура
плавле-
ния эв-
тектики,
°С
Al ГЦК 0,143
− 10,6 11,6 (437 °С),
1,3 (100 °С)
Mg
17
Al
12
437
Zn ГПУ,
с/а = 1,856
0,139
− 13
3,3 (343 °С) Mg
7
Zn
3
,
MgZn
343
Мn Сложная
кубическая
(α)
0,130
− 18,7
1,55 (652 °С),
0,34 (500 °С),
0,04 (300 °С)
Нет Перитек-
тика, 652
Zr
ГПУ (α),
с/а = 1,599
0,160 0 3,8 (653 °С),
0,3 (300 °С)
Нет Перитек-
тика, 654
Се ГЦК 0,183 + 14,3 1,6 (590 °С) Mg
9
Ce 590
Th
ГЦК (α)
0,180 + 12,5 0,5 (582 °С) Mg
4
Th,
Mg
2
Th
582
Be
ГПУ (α),
с/а = 1,568
0,113
− 29,4
< 0,05
(620−630 °С)
MgBe
13
620−630
Ni ГЦК 0,124
− 22,4
< 0,04
(500 °С)
Mg
2
Ni 507
Для получения магниевых сплавов применяют легирование та-
кими элементами, как Al (до 8%), Zn (до 6 %), Мn (до 2,5 %),
Zr (до 1 %), Тh (до 4 %), Се (до 3 %), Be (до 2 %), а также некото-
рыми РЗЭ − Nd, La. Из этих элементов значительной растворимо-
стью в Mg обладает только Al (рис. 23.15). Однако твердые раство-
ры Al в Mg, а также гетерогенная структура с наличием интерме-
таллидной фазы Mg
17
Al
12
нe обладают достаточной прочностью
при повышенной температуре даже после термической обработки.
Аналогично влияние легирования цинком. Увеличение раство-
римости легирующих элементов в Mg с повышением температуры
дает возможность упрочнять магниевые сплавы с помощью закалки
60
и искусственного старения. Однако термическая обработка магние-
вых сплавов затруднена из-за замедленных диффузионных процес-
сов в магниевом твердом растворе. Малая скорость диффузии тре-
бует больших выдержек при нагреве под закалку (до 16−30 ч) для
растворения вторичных фаз. Благодаря этому такие сплавы можно
закаливать на воздухе, они не склонны к естественному старению.
Рис. 23.15.Диаграммы состав−жаропрочность сплавов систем Mg−Al и Mg−Ce
при температуре 200 °С
Склонность к разупрочнению при нагреве, очевидно, будет
определяться изменением свойств фаз, присутствующих в структу-
ре сплава. Химические соединения Mg
17
Al
12
, а также MgZn весьма
интенсивно теряют свою исходную прочность при нагреве
(рис. 23.16), причем в большей степени разупрочняется соединение
MgZn (при 300 °С более чем на 90 %). При 150 °С различие между
значениями кратковременной и длительной микротвердости MgZn
составляет более 1000 МПа, что указывает на значительную ползу-
честь.
Необходимо также обратить внимание на низкую температуру
плавления эвтектик рассмотренных систем: в сплавах Mg−Al тем-
пература плавления эвтектики 437 °С; в сплавах Mg−Zn − 343 °C.
Известно, что чем ниже температура плавления эвтектик, тем ниже
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)