ГЛАВА 23. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Введение
Создание структурно-стабильных материалов для наиболее напряженных конструктивных элементов сводится к разработке жаропрочных, выносливых, коррозионно-стойких сплавов различных химических элементов, обеспечивающих заданные работоспособность, надежность и безопасность создаваемых узлов и изделий техники1.
Базовой основой при синтезе материалов являются металлические многокомпонентные системы с граничными растворами переменной концентрации компонентов и промежуточными фазами разной природы. Такие системы давно служили (и сейчас в большинстве случаев являются) базой для модификации существующих
иразработки новых разнообразных конструкционных материалов − от обычных деформируемых или фасонно-литейных сплавов, подвергаемых упрочняющей термической обработке, до направленно закристаллизованных эвтектик. Важным методом в разработке новых сплавов с улучшенными технологическими и эксплуатационными свойствами является изучение фазовых равновесий в многокомпонентных металлических системах и построение их диаграмм состояния.
Конструкционные материалы современной техники представляют собой сложные, многокомпонентные сплавы различных элементов. Некоторые характеристики элементов, которые могут являться потенциальной основой для будущего конструкционного материала, приведены в табл. 23.1. Из таблицы видно, что многие свойства элементов изменяются по мере увеличения атомной массы 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 плотность, температура плавления
идругие физические свойства возрастают слева направо.
1 Физическое материаловедение. Т. 5. − М.: МИФИ, 2008. Гл. 16.
11
Таблица 23.1
Свойства некоторых элементов
|
Свойство |
Be |
С |
Mg |
Al |
Ti |
V |
Fe |
Ni |
Zr |
Nb |
Мо |
Та |
W |
|
(графит) |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Кристаллическое строение |
|
|
|
|
|
|
||
|
Тип решетки |
ГПУ/ |
ГПУ |
ГПУ |
ГЦК |
ГПУ/ |
ОЦК |
ОЦК/ |
ГЦК |
ГПУ/ |
ОЦК |
ОЦК |
ОЦК |
ОЦК |
|
|
ОЦК |
|
|
|
ОЦК |
|
ГЦК |
|
ОЦК |
|
|
|
|
|
Параметр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
решетки, нм: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
0,2286 |
0,2456 |
0,3203 |
0,40496 |
0,2951 |
0,30301 |
0,2866/ |
0,35238 |
0,3223 |
0,33021 |
0,314737 |
0,33074 |
0,31652 |
|
|
|
|
|
|
|
|
а=0,3467 |
|
|
|
|
|
|
|
с |
0,3584/ |
0,6696 |
0,5201 |
|
0,4679/ |
|
|
|
0,5147/ |
|
|
|
|
|
|
а=0,2546 |
|
|
|
a=0,3306 |
|
|
|
а=0,3610 |
|
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
Атомные и ядерные свойства |
|
|
|
|
|
|
||
|
Порядковый |
4 |
6 |
12 |
13 |
22 |
23 |
26 |
28 |
40 |
41 |
42 |
73 |
74 |
|
номер z |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Атомный |
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 |
|
радиус rа, нм |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Атомный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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 м3/моль |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Атомная |
9,0122 |
12,0115 |
24,312 |
26,98 |
47,-9 |
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- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
хвата тепло- |
|
0,003− |
|
0,23 |
5,6±0,4 |
|
2,53± |
|
0,180± |
|
|
|
|
|
вых нейтронов |
0,01 |
0,063 |
|
5,1±0,2 |
4,6±0,2 |
1,1±0,1 |
2,5±0,2 |
21,3±1,0 |
19,2±1,0 |
||||
|
0,004 |
(0,24) |
|
0,06 |
0,005 |
|||||||||
|
σа, 10-28 м2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
12
Продолжение табл. 23.1
|
Свойство |
Be |
С |
Mg |
Al |
Ti |
V |
Fe |
Ni |
Zr |
Nb |
Мо |
Та |
W |
|
(графит) |
|||||||||||||
|
Изотопный |
9Ве + 3 |
12С, |
24Mg, |
27Al + 5 |
47Ti, |
50V, |
54Fe, |
58Ni, |
90Zr, |
93Nb + 18 |
92Mo, |
181Та + |
180W, |
|
состав |
радиоак- |
13С + 4 |
25Mg, |
радио- |
48Ti, |
51V + 7 |
56Fe, |
60Ni, |
91Zr, |
радио- |
94Mo, |
15 ра- |
182W, |
|
|
тивных |
радиоак- |
26Mg +3 |
актив- |
40Ti, |
Радио- |
57Fe, |
61Ni, |
92Zr, |
актив- |
95Mo, |
дио- |
184W, |
|
|
|
тивных |
радиоак- |
ных |
50Ti + 1 |
актив- |
58Fe + 6 |
62Ni, |
94Zr, |
ных |
96Mo, |
актив- |
186W+ |
|
|
|
|
тивных |
|
радиоак- |
ных |
радио- |
64Ni + 6 |
96Zr + 9 |
|
97Mo, |
ных |
+10 |
|
|
|
|
|
|
тивный |
|
актив- |
радио- |
радио- |
|
98Mo, |
|
радио- |
|
|
|
|
|
|
|
|
ных |
актив- |
актив |
|
100Mo+9 |
|
актив- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ных |
ных |
|
радиоак- |
|
ных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тивных |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Теплофизические |
свойства при 20 °С |
|
|
|
|
|
||
|
Плотность |
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 |
13 |
ρ, 103 кг/м3 |
|||||||||||||
|
Температура |
|
Субли- |
|
|
|
1897 |
|
|
|
2477 |
2587 |
2997 |
|
|
плавления |
1284 |
мация |
650 |
660 |
1664±4 |
1536±1 |
1454±2 |
1855±5 |
3379±2 |
||||
|
Тпл, °С |
при |
(1700) |
(2415) |
(2625) |
(2850) |
||||||||
|
|
|
5000 °С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Температура |
|
Субли- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кипения |
2471 |
мация |
1103 |
2348 |
3169 |
2897 |
3027 |
2797 |
4327 |
4727 |
5227 |
5292 |
5372 |
|
Тк, °С |
при |
(2520) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
5000 °С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Удельная теп- |
|
Теплота |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лота плавле- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
субли- |
− |
399 |
402 |
345,41 |
266 |
302,7 |
265,65 |
296,59 |
382 |
170,6 |
184 |
|
|
ния Lm, |
|||||||||||||
|
|
мации |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10-3 Дж/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Удельная теп- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лота испаре- |
− |
59700 |
− |
10500 |
8820 |
8974,9 |
7395 |
6376,5 |
1798 |
7359,1 |
6191 |
4314 |
4810 |
|
ния L при Тк, |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10-3 Дж/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13
Продолжение табл. 23.1
|
Свойство |
Be |
С |
Mg |
Al |
Ti |
V |
Fe |
Ni |
Zr |
Nb |
Мо |
Та |
W |
|
(графит) |
|||||||||||||
|
Теплопровод- |
|
1,56− |
165− |
207− |
20,0− |
|
|
|
|
|
|
45,2− |
130− |
|
ность λ, |
97−184 |
33,2 |
77 |
92 |
21,4 |
53 |
162 |
||||||
|
Вт/(м К) |
|
300,0 |
173 |
230 |
21,9 |
|
|
|
|
|
|
63,0 |
134 |
|
Теплоемкость |
1,86− |
|
|
0,87− |
|
|
0,44− |
|
0,27− |
|
0,24− |
|
|
|
Ср, 103 |
8,65 |
1,02 |
0,52 |
0,50 |
0,46 |
0,27 |
0,14 |
0,13 |
|||||
|
Дж/(кг К) |
1,91 |
|
|
0,90 |
|
|
0,51 |
|
0,51 |
|
0,25 |
|
|
|
Термическое |
10,3−13,1 |
1,76− |
26−27,5 |
9,1 |
13 |
7,8−8,7 |
11,9− |
13,0− |
24,0 |
7,1 |
5,1−5,2 |
6,6−7,5 |
4,6−5,5 |
|
расширение |
(12,4− ) |
4,10 |
|
(23,8) |
(α=8,4) |
|
12,4 |
13,3 |
(5,0− ) |
|
|
|
|
|
αt, 10-6 К-1 |
(9,2− ) |
|
|
|
|
|
|
|
(7,4− ) |
|
|
|
|
|
Давление пара |
4,18 |
1,91 102 |
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× |
|
при Тпл, Па |
|
|
|
|
(4,9 10-1) |
(3,06) |
(7,05) |
(2,37) |
(1,68× |
(7,55× |
(3,47) |
(7,76× |
×10-2 |
14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
×10-3) |
×10-2) |
|
×10-1) |
(4,27) |
|
|
|
|
|
Электрические и магнитные свойства при 20 °С |
|
|
|
|
|
||||
|
Удельное элек |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тросопротив- |
3,3−3,8 |
700− |
4,2−4,5 |
2,6−2,7 |
39−45 |
18,5− |
9,8− |
6,2−7,5 |
38,9−50 |
13,3− |
5,0−5,7 |
13,0− |
5,0−5,4 |
|
ление ρэ, |
|
1300 |
|
|
|
19,9 |
10,1 |
|
|
16,0 |
|
14,7 |
|
|
10-8 Ом м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Магнитная |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
восприимчи- |
−1 |
−1,22− |
0,54 |
0,61 |
3,19− |
5,3−5,0 |
− |
− |
1,34 |
2,20 |
0,82− |
0,85 |
0,29− |
|
вость χуд, |
|
+5,0 |
|
|
3,36 |
|
|
|
|
|
0,93 |
|
0,32 |
|
10-9 м3/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Работа выхода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
излучения на |
0,35 |
0,081 |
0,2 |
0,3 |
0,63 |
0,35 |
0,74 |
0,39 |
0,32 |
0,37 |
0,40 |
0,51 |
0,43 |
|
гладкой по- |
|||||||||||||
|
(0,65) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
верхности ρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
14
Окончание табл. 23.1
|
Свойство |
Be |
С |
Mg |
Al |
Ti |
V |
Fe |
Ni |
Zr |
Nb |
Мо |
Та |
W |
|
(графит) |
|||||||||||||
|
|
|
|
Механические свойства (в отожженном состоянии) при 20 °С |
|
|
|
|
||||||
|
Предел проч- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ности при |
280−700 |
3,4− |
60−196 |
70−130 |
300−700 |
380− |
320− |
280− |
220− |
300−600 |
490− |
210− |
600− |
|
растяжении |
|
17,2 |
|
|
|
520 |
780 |
560 |
575 |
|
980 |
470 |
1480 |
|
σв, МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Предел теку- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
530− |
|
чести при |
230−680 |
− |
24−88 |
30−120 |
180−330 |
290− |
90−250 |
80−240 |
80−130 |
250−420 |
430− |
185− |
800 |
|
растяжении |
|
|
|
|
|
450 |
|
|
|
(491) |
650 |
400 |
(1460) |
|
σ0,2, МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Относитель- |
0,2−20 |
− |
8−16 |
35−50 |
20−50 |
25−30 |
20−40 |
30−40 |
15−40 |
10−50 |
5−45 |
5−45 |
0−20 |
15 |
ное удлинение |
|
|
|
|
|
(14) |
|
|
|
|
|
|
|
δ, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Модуль нор- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мальной упру- |
287− |
18− |
39−44 |
63−72 |
96−104 |
147 |
211 |
196− |
68−102 |
100 |
329 |
177 |
407 |
|
гости Е, ГПа |
311 |
1131 |
|
|
|
|
|
220 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Модуль сдвига |
132−147 |
− |
17−34 |
27 |
38 |
54 |
81 |
74 |
36 |
59 |
20 |
69 |
149 |
|
G, ГПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент |
0,032− |
0,23− |
0,28− |
0,31− |
0,36 |
0,35 |
0,28 |
0,32 |
0,32− |
0,39 |
0,31 |
0,35 |
0,30 |
|
Пуассона, ν |
0,05 |
0,27 |
0,35 |
0,34 |
|
|
|
|
0,35 |
|
|
|
|
|
Твердость по |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Бринеллю НВ, |
590− |
− |
245− |
245 |
1810 |
630 |
490− |
665− |
640− |
735 |
1370− |
440− |
2570 |
|
МПа |
1570 |
|
294 |
|
|
|
900 |
765 |
685 |
|
1815 |
1230 |
|
П р и м е ч а н и е : разброс значений по данным разных источников.
15