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
61
жаропрочность сплавов. Указанная закономерность обнаруживает-
ся во многих системах на основе самых различных металлов.
Рис. 23.16. Изменение микротвердости интерметаллидных фаз в зависимости от
температуры нагрева: 1 − время нагружения 30 с; 2 − время нагружения 1 ч
Магниевые сплавы с повышенной жаропрочностью относятся к
системам, в которых твердые растворы имеют низкие концентра-
ции легирующих элементов, причем более высокая прочность до-
стигается, в первую очередь, за счет вторичных (упрочняющих)
фаз (см. рис. 23.15). Эти же сплавы обладают и относительно высо-
кой температурой плавления эвтектик (в системе Mg−Се 590 °С; в
системе Mg−Th 582 °C) (см. табл. 23.12). Благоприятное влияние
интерметаллидов Mg
9
Ce, Mg
4
Th на жаропрочность, по-видимому,
также связано с тем, что при повышении температуры их микро-
твердость снижается менее интенсивно (см. рис. 23.16). Так, при
повышении температуры до 200 °С различие между кратковремен-
ной и длительной микротвердостью для этих соединений составля-
ет 300−400 МПа по сравнению с 500−700 МПа для интерметаллида
Mg
17
Al
12
.
62
В некоторые магниевые сплавы вводят в качестве легирующего
элемента цирконий. Основная цель легирования цирконием − зна-
чительное измельчание зерна магниевых сплавов, способствующее
повышению их механических свойств, особенно предела текучести
и пластичности. Вступая в соединение с водородом, Zr уменьшает
пористость, тем самым оказывая рафинирующее и модифицирую-
щее действие.
Недостатками сплавов, содержащих Zr, являются сложность
приготовления, обусловленная низкой растворимостью циркония в
жидком магнии, склонность к образованию трещин, затрудняющих
горячую прокатку и сварку сплавов. Кроме того, введение Zr свя-
зано с большими технологическими трудностями, так как во время
плавки происходят значительные потери его.
Марганец положительно влияет на жаропрочность магниевых
сплавов и улучшает их коррозионную стойкость.
Бериллий в количестве 0,005−0,02 % уменьшает способность
магниевых сплавов к самовозгоранию и повышает сопротивление
окислению.
Применяемые в машиностроении и приборостроении магниевые
сплавы представляют собой главным образом композиции систем
Mg−Al−Zn, Mg−Zn−Zr. Эти сплавы можно использовать при рабо-
чей температуре до 150 °С. При более высокой температуре они
интенсивно разупрочняются.
Более высокими жаропрочными свойствами (с рабочей темпера-
турой до 200−250 °С) обладают сплавы систем Mg−Мn; Mg−Mn−
Ce; Mg−Ce−Zr; Mg−Nd−Zr.
При рабочей температуре 300 °С и выше с успехом исполь-
зуются магниевые сплавы систем Mg−Th−Zr; Mg−Th−Mn;
Mg−Th−Zn−Zr.
Необходимо, однако, еще раз подчеркнуть, что всем магниевым
сплавам присущи недостатки, которые ограничивают возмож-
ность их применения. Наиболее существенные из них: низкая тем-
пература плавления, склонность к самовоспламенению и низкая
коррозионная стойкость. Кроме того, сплавы системы Mg−Al−Zn
обладают большой склонностью к коррозионному растрескиванию
под напряжением. Сплавы Mg−Zn−Zr склонны к образованию тре-
щин, а сплавы с Се имеют низкую пластичность (δ ≈ 1,5÷5 %) из-за
63
того, что жаропрочное соединение Mg
9
Ce располагается в виде
разветвленной сетки по границам зерен. Значительное количество
упрочняющей фазы Mg
4
Th в сплавах с Th также понижает их пла-
стические свойства (δ ≈ 4÷10 %).
Сплавы магния можно разделить на деформируемые (марка
МА) и литейные (МЛ). Химический состав и механические свой-
ства некоторых магниевых сплавов приведены в табл. 23.13.
По химическому составу многие литейные сплавы магния близ-
ки к деформируемым (см. табл. 23.13). Преимуществом литейных
сплавов перед деформируемыми является значительная экономия
металла при производстве деталей, поскольку высокая точность
размеров и хорошая чистота поверхности отливок почти исключа-
ют их обработку резанием. Однако из-за грубозернистой литой
структуры они имеют более низкие механические свойства, осо-
бенно пластичность. Улучшение механических свойств литейных
сплавов достигается различными способами: перегревом, модифи-
цированием, гомогенизацией отливок, а также применением особо
чистых шихтовых материалов при приготовлении сплавов. Для мо-
дифицирования используют Zr, магнезит, мел.
Таблица 23.13
Химический состав и механические свойства
некоторых магниевых сплавов
Сплав
Содержание элементов, мас. % Механические свойства
Al Zn Mn Другие
σ
в
,
МПа
σ
0,2
,
МПа
δ, %
Деформируемые сплавы
МА5
7,8−9,2 0,2−0,8 0,15−0,5
−
320 220 14
МAL9
−
5,5-7,0
−
(0,5−1)Zr;
(0,2−1)Cd;
(1,4−2)Nd
380 330 5
Литейные сплавы
МЛ5
7,5−9,0 0,2−0,8 0,15−0,5
−
255 120 6
МЛ15
−
4−5
−
(0,7−1,1)Zr;
(0,6−1,2)La;
(2,2−2,8)Nd
210 130 3
Примечание. Свойства приведены после закалки и старения для дефор-
мируемых и в литом состоянии для литейных сплавов.
64
Механические свойства литейных магниевых сплавов в основ-
ном находятся на уровне свойств литейных алюминиевых сплавов,
но, обладая меньшей плотностью, магниевые сплавы превосходят
их по удельной прочности.
С увеличением содержания Al литейные свойства сплава
Mg−Al−Zn сначала ухудшаются, поскольку увеличивается интер-
вал кристаллизации, а затем, при появлении неравновесной эвтек-
тики − улучшаются; повышаются прочностные характеристики.
Однако из-за большого количества интерметаллидных фаз, в том
числе и эвтектических, сплавы с большим содержанием Al облада-
ют пониженной пластичностью. Наилучшее сочетание литейных и
механических свойств имеют сплавы, содержащие 7,5−10 % Al
(МЛ5, МЛ6).
23.2.3. Влияние легирования
на коррозионную стойкость магния
При взаимодействии Mg с кислородом на поверхности образу-
ется пленка оксида MgO с кубической решеткой типа NaCl, имею-
щей параметр решетки а = 0,4213 нм (при 25 °С) и температуру
плавления 2800 °С (2852 °С − по другим данным). Окисление в ат-
мосфере кислорода (р = 0,27÷27,6 кПа) при температуре 450 °С и
ниже приводит к появлению тонких оксидных пленок (примерно за
200 ч толщина оксидной пленки достигает около 5 нм), образую-
щихся на первых этапах процесса взаимодействия по линейному
закону. По мере роста толщины пленки скорость окисления
уменьшается, и пленка становится защитной. При температуре
выше 475 °С толстые пленки (70 нм и более) приобретают пори-
стое строение. Такие пленки не являются защитными, через них
происходит даже испарение Mg, поскольку он обладает значитель-
ной упругостью паров.
Течение реакции окисления Mg на воздухе подобно окислению
в атмосфере кислорода. Исследование окисления Mg чистотой
99,9 % показало, что в сухом воздухе при 350 или 400 °С окисление
идет очень медленно и пленка обладает достаточными защитными
свойствами. При температуре выше 500 °С реакция окисления
ускоряется.
65
Во влажном воздухе окисление Mg при 350 °С имеет те же ха-
рактеристики, что и в сухом. При температуре выше 350 °С интен-
сивность окисления возрастает. Это свидетельствует о том, что
происходит значительное восстановление паров воды металлом. В
атмосфере кислорода и воздуха при температуре выше 470−500 °С
часто наблюдается воспламенение Mg с образованием продуктов
сгорания в виде MgO.
Исследования взаимодействия Mg с парами воды
(р = 4,1÷26,7 кПа) при 425−575 °С показали, что реакция взаимо-
действия соответствует уравнению
Mg + H
2
O → MgО + H
2
. (23.1)
С ростом давления паров константа реакции окисления возрастает.
Только в атмосфере сухого углекислого газа магниевые сплавы
обладают достаточной стойкостью при температуре до 550 °С и
давлении до 5 МПа. Исследования показали, что реакция окисле-
ния технического Mg (99,9 %) в углекислом газе, содержащем
0,06 % кислорода и 0,48 % паров воды при температуре 400−550 °С
и давлении 1,5 МПа протекает значительно медленнее, чем на воз-
духе, и может описываться следующим уравнением:
СO
2
+ Mg → MgO + CO. (23.2)
Окисление в углекислом газе идет по параболическому закону,
тогда как на воздухе − по линейному. При 400 °С пленка состоит из
карбоната магния MgCО
3
, а при 500 °С − из MgO. Кроме того, при
температуре 500 °С и выше в атмосфере углекислого газа на по-
верхности появляется сажистый углерод, образование которого
возможно по реакции 2СО СO
2
+ С
саж
. Оксид углерода может
накапливаться в углекислом газе при окислении Mg, и поскольку
при температуре 400−500 °С он менее устойчив, чем СO
2
, указан-
ная реакция идет в сторону образования сажистого углерода.
Высокая реакционная способность Mg может вызвать его вос-
пламенение. Температура воспламенения Mg при атмосферном
давлении кислорода 623 °С, а в парах воды при атмосферном дав-
лении 630 °С. Саморазогрев Mg при окислении может значительно
снизить температуру воспламенения. Температура воспламенения
Mg и его сплавов в углекислом газе также снижается (на
130−140 °С) в присутствии паров воды.
66
Наиболее важным элементом, повышающим коррозионную
стойкость магниевых сплавов в СО
2
, является бериллий. Неболь-
шие добавки Be (0,005÷0,02 %) также повышают пластичность
сплава и облегчают его обработку.
Исследование магниевых сплавов, содержащих 0,04−0,1 % Be и
0,5−1% Al, показало, что они обладают высокой стойкостью против
окисления вплоть до температуры плавления; но эти же сплавы
имеют и существенный недостаток: пониженную по сравнению с
чистым Mg температуру плавления и относительно низкую жаро-
прочность.
Замена Al цирконием (менее 1 %) значительно улучшает проч-
ностные свойства магниевого сплава Mg−(0,01÷0,04)% Be−1% Zr
при сохранении высокой
коррозионной стойкости.
Растворимость Be в Mg
при 620−630 °С не превыша-
ет 0,05 %. Начиная примерно
с содержания 0,003 % Be за-
метно снижается скорость
окисления Mg на воздухе.
Резкое уменьшение скорости
окисления наблюдается при
введении 0,01 % Be (переход
от линейного к логарифмиче-
скому закону окисления). С
увеличением содержания бе-
риллия (вплоть до 1,25 % Be)
коррозионная стойкость
сплава на воздухе повышает-
ся. Уменьшение скорости
окисления сплавов Mg−Be в
СО
2
начинается при содер-
жании около 0,16 % Be в
сплаве (рис. 23.17).
Как показывают исследо-
вания, окисление сплавов
Mg−Be при повышенной
Рис. 23.17. Изменение массы сплавов
системы Mg−Be при окисления в СО
2
технической чистоты при температуре
580 °С:
1 − чистый Mg; 2 − Mg + 0,016 % Be;
3 − Mg + 0,053 % Be; 4 − Mg + 0,14 % Be;
5 − Mg + 1,25 % Be
67
температуре происходит следующим образом. На первом этапе
окисления пленка состоит преимущественно из оксида магния; со-
держание ВеО в оксидной пленке невелико и соответствует содер-
жанию Be в сплаве. Ионный радиус Be в два раза меньше, чем у
Mg, и в четыре раза меньше, чем у кислорода
2+
Be
(r = 0,034 нм,
2+
Mg
r = 0,074 нм,
2
O
r
−
= 0,136 нм), поэтому дальнейший рост оксид-
ной пленки происходит в результате преимущественной диффузии
Be к поверхности образца. Со временем содержание ВеО в оксид-
ной пленке повышается и может достигнуть 50 %. Защитные свой-
ства оксидных пленок проявляются уже при содержании в них око-
ло 5 % ВеО и связаны с улучшением прочностных свойств оксид-
ной пленки. При содержании Be в сплаве, превышающем 0,01 %,
количество атомов Be, диффундирующих к поверхности, оказыва-
ется достаточным для образования беспористых оксидных пленок.
Наряду с процессом диффузии может происходить и преимуще-
ственное испарение Mg с поверхности, что также приводит к обо-
гащению бериллием поверхностного слоя. Этот процесс становится
особенно заметным во время коррозионных испытаний в газовом
потоке при высокой температуре. В результате образования защит-
ной пленки, обогащенной бериллием, происходит уменьшение
концентрации Be в слоях сплава, расположенных непосредственно
под пленкой. Это может привести к тому, что оксидная пленка по-
теряет способность «самозалечиваться» при возникновении де-
фектов.
На коррозионную стойкость оказывает влияние структурное со-
стояние и термическая обработка магниевых сплавов. Так, в оксид-
ных пленках, образовавшихся на неотожженном сплаве, содержа-
ние ВеО значительно выше, чем на отожженных сплавах, в кото-
рых Be находится в интерметаллидном соединении MgBe
13
.
23.2.4. Применение магниевых сплавов
Малая плотность магниевых сплавов, а в отдельных случаях −
высокая удельная прочность способствуют их широкому примене-
нию в авиастроении (корпуса приборов, насосов, коробок передач,
фонари и двери кабин и др.), ракетной технике (корпуса ракет, об-
68
текатели, топливные и кислородные баки, стабилизаторы), кон-
струкциях автомобилей, особенно гоночных (корпуса, колеса, пом-
пы и др.), в приборостроении (корпуса и детали приборов). Ука-
занные достоинства привлекают интерес специалистов к магнию
как к материалу, применение которого эффективно в качестве мат-
рицы металлических композитов. Важен тот факт, что Mg практи-
чески не вступает в реакцию со многими материалами, используе-
мыми для изготовления упрочняющих волокон. Для изготовления
композиционных материалов применяют технический магний и
сплавы на его основе МЛ12, ИМВ2, AZ31B и др.
В результате высокой
демпфирующей способности магниевые
сплавы используются при производстве кожухов для электронной
аппаратуры.
Сплавы системы Mg
−Zn−Zr (МA14, МA19) применяют для
несвариваемых сильно нагруженных деталей (обшивки самолетов,
деталей грузоподъемных машин, автомобилей, ткацких станков и
др.), высокопрочные литейные сплавы
− для нагруженных деталей
самолетов и авиадвигателей (корпусов компрессоров, картеров,
ферм шасси, колонок управления и др.).
Наконец, весьма низкое сечение захвата тепловых нейтронов
при высокой теплопроводности позволяет использовать магниевые
сплавы для изготовления оболочек твэлов в газографитовых реак-
торах на тепловых нейтронах, работающих на природном (необо-
гащенном) уране с теплоносителем СО
2
. В качестве компонентов
сплавов обычно используют Al, Zr, Be, Si (табл. 23.14). В некото-
рых сплавах применяют также легирование марганцем.
Радиационная стойкость магниевых сплавов при рабочей тем-
пературе газоохлаждаемых реакторов (300−450 °С) достаточно вы-
сока. Это связано с тем, что температура рекристаллизации (около
150 °С) и температура диффузионной релаксации значительно ни-
же рабочей температуры оболочки твэла из магниевого сплава. По-
этому при рабочей температуре значительная часть радиационных
дефектов будет рекомбинировать, уходить на стоки. При этом важ-
но, что пластичность сплавов вследствие этого остается на доста-
точно высоком уровне.
Облучение нейтронами до флюенса 2 ⋅ 10
22
м
−2
незначительно
влияет на скорость окисления.
69
Таблица 23.14
Состав и механические свойства магниевых сплавов для ядерных реакторов с теплоносителем СО
2
Сплав
Химический состав, % Механические свойства
Be Al Si Zr Mn Другие
σ
в
, МПа δ, %
20 °С 300 °С 500 °С 20 °С 300 °С 500 °С
ПМБ
0,5−3,2
0,04
− − −
MgO(0,2−0,3);
Fe(0,04);
Ni (0,001);
Cu (0,005)
240−260 70−80 28−30
5 15 49
МБ-3 0,04
−
0,5
−
0,001 Fe (0,01); Ni
(0,001); Cu (0,005)
200 29 8 8 58 90
МБ-4
0,08−
0,15
−
0,7
−
0,001 Fe (0,01);
Ni (0,001);
Cu (0,005)
220 38 9 6 48 82
Mg−Al−Be
0,04 0,50
− −
0,001
− − − − − − −
Mg−Th−Be
0,04
− − −
0,001 Th (3)
− − − − − −
Магнокс AL80
0,002−
0,05
0,80
− − −
Fe (0,06);
Ca (0,008)
− − − − − −
Магзан-2
− − −
0,55−0,60
0,15-0,40
− − − − − − −
АМ503 (S)
− − − −
0,7-1,4
− − − − − − −
Магнокс А-12 0,01 0,8
− − − −
67−175 17−43
−
7−15
55
−
ZA
− − −
0,5−0,7
− −
98−230 23−53
−
11−23
76
−
ZW
− − −
0,5−0,7
−
Zn (0,7−1,0) 101−295 18−54
−
8−21
75
−
69
70
23.3. Бериллий и его сплавы
23.3.1. Свойства бериллия
Естественный бериллий состоит из изотопа
4
Ве
9
с атомной мас-
сой около 9,01 и плотностью 1848 кг/м
3
. Электронная конфигура-
ция атома бериллия имеет вид 1s
2
2s
2
− это двухвалентный металл II
группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Ис-
кусственным путем получены радиоактивные изотопы, некоторые
характеристики которых представлены в табл. 23.15.
Бериллий существует в двух кристаллографических модифика-
циях: α-Be с ГПУ решеткой, существующий в интервале темпера-
тур до 1254 °С, и β-Ве с ОЦК решеткой, существующий в интерва-
ле температур от 1254 до 1284 °С − температуры плавления ме-
талла.
С точки зрения строения кристаллической решетки и уникаль-
ности физико-механических свойств бериллий можно отнести к
категории парадоксальных металлов. Он имеет высокие электро- и
теплопроводность, температуры плавления и кипения (см.
табл. 23.2), стойкость против атмосферной коррозии при темпера-
турах до ~
900 К, размерную и конфигурационную стабильность,
низкое сечение захвата тепловых нейтронов и высокое сечение
рассеяния нейтронов, малый удельный вес и большое значение мо-
дуля нормальной упругости. По удельным жесткости (модуля
упругости, отнесенной к плотности
Е/ρ), прочности (σ
в
/ρ или σ
т
/ρ)
и теплоемкости он превосходит все другие материалы.
Таблица 23.15
Характеристики радиоактивных изотопов бериллия
Изотоп
Атомная
масса
Энергия связи
на нуклон, МэВ
Период
полураспада
Тип и энергия
излучения, МэВ
6
Be 6,022 4,41 0,4 с
−
7
Be 7,019 5,33 53 сут
γ
, 0,453−0,485
8
Be 8,008 7,02 10
-16
с
γ
, 0,055
10
Be 10,017 6,45
2,5⋅ 10
6
лет
β
, 0,56-0,65
11
Be 11,028 5,69 13,8 с
β
–
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)