- •Курс лекций по материаловедению
- •Предисловие
- •Рекомендуемая литература
- •1(1). Предмет материаловедения. Историческая справка
- •2(2). Мировое производство основных материалов
- •3(3). Черные и цветные металлы, свойства и применение
- •4(4). Сталь как важнейший конструкционный материал
- •5. Способы получения и технологической обработки металлов и сплавов
- •6. Виды контроля, параметры и методы оценки качества материалов
- •7(12). Механические испытания материалов
- •8(13). Испытание на растяжение
- •1. Характеристики прочности
- •2. Характеристики пластичности
- •9. Испытания на изгиб и сжатие
- •10(14). Определение твердости
- •1. Определение твердости по Бринеллю
- •2. Определение твердости по Роквеллу
- •3. Определение твердости по Виккерсу
- •11(15). Определение ударной вязкости при изгибе
- •12. Испытание на вязкость разрушения
- •13. Испытание на усталость. Живучесть
- •14. Стандарты на материалы. Принципы маркировки и сортамент металлических материалов
- •15. Строение металлического слитка. Влияние на механические свойства величины зерна, способы регулирования
- •16(5). Строение металлов. Применение поликристаллических, монокристаллических и аморфных материалов в промышленности
- •17(6). Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия кристаллов
- •18(7). Точечные, линейные и поверхностные дефекты в кристаллах, влияние на прочность
- •19(8). Деформация и разрушение металла. Упругая и пластическая деформация. Механизм пластической деформации. Наклёп
- •20(10). Возврат и рекристаллизация
- •21. Холодная и горячая деформация. Сверхпластичность. Структура и свойства сплавов после горячей обработки давлением
- •22(17). Полиморфные превращения
- •23(18). Строение сплавов. Твердые растворы, химические соединения, механические смеси
- •24. Диаграммы фазового равновесия
- •25. Правило фаз и правило отрезков
- •26. Ликвация в сплавах
- •27. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния
- •28(19). Фазы и структуры на диаграмме состояния железо-цементит
- •Механические свойства основных структурных составляющих сталей и чугунов
- •29(20). Железо и сплавы на его основе. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали
- •30(21). Легирующие элементы в стали. Влияние легирующих элементов на диаграмму состояния
- •31(22). Структурные классы легированных сталей
- •32(23). Цели легирования
- •33. Превращения аустенита при охлаждении. Термокинетическая диаграмма
- •34(24). Основные виды термической обработки. Предварительная и окончательная термообработка
- •35(25). Виды отжига и их назначение
- •36(26). Закалка и отпуск сталей. Поверхностная закалка
- •37(27). Искусственное и естественное старение сплавов
- •38. Виды брака при термообработке
- •39(28). Термомеханическая обработка и ее разновидности
- •Сравнительные данные по механическим свойствам
- •40(29). Химико-термическая обработка, ее разновидности и применение
- •41(9). Объемное и поверхностное деформационное упрочнение
- •42(30). Классификация сталей
- •43(31). Конструкционные стали и сплавы, маркировка, свойства и область применения
- •1. Углеродистые стали
- •2. Легированные стали
- •44(32). Инструментальные стали и сплавы, маркировка, свойства и область применения
- •45(31.3). Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
- •46(33). Белый, серый, высокопрочный, ковкий и легированный чугун, маркировка, структура, свойства и область применения
- •47(34). Магний и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •48. Бериллий и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •49(35). Алюминий и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •Классификация алюминиевых сплавов
- •50(36). Титан и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •51(37). Медь и сплавы на ее основе, маркировка, свойства и область применения
- •52. Никель и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •53(38). Тугоплавкие металлы и сплавы, маркировка, свойства и область применения
- •54(39). Антифрикционные материалы, маркировка, структура, свойства и область применения
- •55. (40). Неметаллические материалы. Классификация полимеров
- •56. (40). Пластические массы, состав, свойства и область применения
- •57. Эластомеры. Состав, классификация и свойства резин
- •58. Клеящие материалы и герметики, состав, классификация и свойства
- •59. Неорганические материалы. Графит, керамика, неорганическое стекло, ситаллы, свойства и область применения
- •60. Порошковые материалы, структура, свойства и область применения
- •61. Композиционные материалы с металлической и неметаллической матрицей, структура, свойства и область применения
- •62. Наноматериалы
- •63. Древесные материалы, классификация, свойства и область применения
- •64. Вспомогательные материалы. Смазочные и смазочно-охлаждающие материалы, асбест, бумага кожа, текстиль
- •65. Защитные и декоративные покрытия. Лакокрасочные, электролитические и горячие покрытия. Плакирование
- •Приложение а
- •Приложение б Кратные и дольные приставки к физическим единицам
- •Приложение в Ориентировочный перевод значений твердости, определяемых по методу Бринелля, Роквелла и Виккерса
- •Содержание
47(34). Магний и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
Магний – металл светло-серого цвета с температурой плавления 650оС, имеет плотность 1,74 г/см3, легко воспламеняется на воздухе.
Технический магний выпускается трех марок: МГ90, МГ95 и МГ96, содержащих 99,90, 99,95 и 99,96 % Мg, соответственно; обладает низкими механическими свойствами и используется в основном в пиротехнике и химической промышленности.
Для повышения механических свойств магний легируют алюминием (до 10 %), цинком (до 6 %), марганцем (до 2,5 %), цирконием (до 1,5 %) и т.д.
Магниевые сплавы (как и сплавы других цветных металлов) подразделяют по технологии получения заготовок на две группы: деформируемые и литейные.
К деформируемымотносятся сплавы МА1, МА2-1 и МА14; их предел прочности составляет 190…340 МПа, а относительное удлинение – 6…20 %; поставляются в виде горячекатаных прутков, полос, профилей, поковок и штамповок.
Литейные сплавы содержат в своем обозначении букву Л (МЛ5, МЛ6, МЛ10, МЛ12) и обладают несколько худшими механическими свойствами (σвдо 230 МПа, δ=1…5 %), но отличаются повышенной жидкотекучестью.
Деформируемые и литейные сплавы магния зачастую могут быть упрочнены на 20–35 % путем закалки с температур 380…540 оС и искусственного старения при 150…200оС в течение 15…20 ч.
Магниевые сплавы примерно в 10–35 раз дороже рядовой стали и огнеопасны, но при этом обладают высокой удельной прочностью, технологичны, хорошо поглощают вибрации и по этим причинам широко используются в транспортном машиностроении и, особенно, в авиационной и ракетной технике (диски колес, стойки шасси и т.п.).
48. Бериллий и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
Бериллий – редкий металл светло-серого цвета с температурой плавления 1287оС, имеет плотность 1,85 г/см3. Бериллий отличается коррозионной стойкостью на воздухе; высокой электро- и теплопроводностью, лишь несколько худшей, чем у алюминия; по удельной теплоемкости (2052 Дж/кг•К), а также удельной прочности (σв/ρg) и жесткости (Е/ρg) при температуре до 600оС (рис. 48) превосходит все известные материалы (Е– модуль Юнга, ρ – плотность,g– ускорение свободного падения).
Рис. 48. Зависимость удельного модуля упругости от температуры для различных материалов: 1 – бериллий, 2 – КМ (углеродное волокно + эпоксидная матрица), 3 – КМ (борное волокно + эпоксидная матрица), 4 – сталь, 5 – титановые сплавы, 6 – алюминиевые сплавы, 7 – магниевые сплавы
Порошковый бериллий получают из минерального сырья путем восстановления, в том числе с помощью электролиза. Дальнейшей вакуумной дистилляцией бериллий очищают до 99,98 %. Для получения заготовок из технического бериллия применяю методы порошковой металлургии. Листовой бериллий получают горячей прокаткой, а трубы и прутки – горячим выдавливанием (экструзией), предварительно спеченных заготовок. Бериллий плохо обрабатывается резанием и требует применения твердосплавного инструмента.
Механические свойства бериллия сильно зависят от чистоты металла, технологии производства, размера частиц исходного порошка, например, заготовки сформованные из одного и того же порошка после горячего прессования имеют σв=240…300 МПа и δ=1…2 %, а после горячего выдавливания – σв=500…700 МПа и δ=5…10 %.
Серьезный недостаток бериллия, заключающийся в низкой ударной вязкости и хладноломкости может быть преодолен легированием алюминием, серебром, медью, титаном и др. элементами.
Например, деформируемыйбериллиевый сплав ВБД-1П, легированный 8 %Niи 1 %Ti, имеет σв=500…550 МПа, δ=0,8…1,5 %,KCU=1,0 Дж/см2 и обладает вдвое большим пределом выносливости, чем технический бериллий.
Литейные бериллиевые сплавы имеют в своем обозначении букву Л (ЛБС-1, ЛБС-2, ЛБС-3) и содержат бóльшее количество легирующих элементов, главным из которых является алюминий (до 34 %); они имеют σв=220…320 МПа, δ=3…1 %,KCU=2,5…4,5 Дж/см2.
Бериллий и сплавы на его основе применяют в аэрокосмической технике для изготовления камер сгорания, сопел, антенн; элементов обшивок и тормозных дисков самолетов; корпусов управляемых снарядов и глубоководных торпед, сбрасываемых с самолетов. Расчеты показывают, что бериллий обеспечивает трехкратный выигрыш по массе по сравнению с алюминиевыми и магниевыми сплавами, четырехкратный – по сравнению с титаном и пятикратный – по сравнению со сталью. Благодаря самому низкому из металлов поперечному сечению захвата нейтронов и самому высокому поперечному сечению их рассеяния, бериллий незаменим в атомной технике для изготовления отражателей, замедлителей и оболочек ТВЭЛов49. Более широкое применение бериллия сдерживается дефицитностью исходного сырья, дороговизной и сложностью его переработки, а также очень высокой токсичностью бериллиевых паров и пыли. Бериллий и его сплавы примерно в 1000 раз дороже рядовой стали.