2.5. Практическое занятие 5 Задачи по цветным сплавам, чугунам и композиционным материалам.

Теоретическая часть

Все эти рассматриваемые материалы в общем случае можно отнести к материалам с повышенными технологическими свойствами, т.е. обеспечивающими минимальную (наименьшую) трудоемкость при изготовлении деталей и конструкций. Весьма важным в этом случае является обеспечение высокой удельной прочности и ряда других специальных свойств, что позволяет использовать рассматриваемые материалы в особых, часто экстремальных условиях эксплуатации.

Чугуны– наиболее широко применяемый материал для литых деталей, используемых при относительно невысоких нагрузках. Преимущества чугуна – высокие литейные свойства и небольшая стоимость (по сравнению со сталью).

Чугуны с графитом как мягкой и хрупкой составляющей хорошо обрабатываются резанием (с образованием ломкой стружки) и получают более чистую поверхность, чем стали (кроме автоматных). Чугуны имеют повышенное содержание углерода (2,2…4 %) и кремния (0,8…2 %) – элементов, способствующих графитизации. Однако в марках чугуна химический состав не указывается, так как (в отличие от большинства других металлических сплавов) этот признак не характеризует в достаточной степени их свойства, а, следовательно, и область применения. Структура и свойства чугунов зависят главным образом от условий получения отливки (температуры жидкого металла, введения модификаторов и особенно значительно от условий охлаждения при литье). Поэтому при одинаковом химическом составе чугун может иметь сильно отличающиеся структуру и свойства (например, белый и серый чугуны).

Механические свойства чугуна, определяющие область его применения, в значительно большей степени характеризуются его структурой: формой и размерами выделения графита; строением металлической основы. По этому признаку различают следующие чугуны:

Серый чугун. В структуре серых чугунов присутствует графит пластинчатой формы. С увеличением толщины отливки и, следовательно, с замедлением охлаждения и при повышенном содержании кремния образуется больше графита и его пластинки крупнее, а в металлической основе возрастает количество феррита. у отливок меньших размеров и при несколько пониженном содержании кремния (или соответственно при более высоком содержании марганца или хрома) количество графита уменьшается, а металлическая основа становится ферритно-перлитной и перлитной, что повышает прочность. Однако их механические свойства (особенно пластичность) ниже, чем у других чугунов с графитом. Серые чугуны используют для менее ответственного назначения и при отсутствии ударных нагрузок.

Ковкий чугунимеет в структуре графит хлопьевидной формы и в связи с этим более высокие механические свойства, прежде всего пластичность. Однако процесс получения ковких чугунов сложнее. Чугуны с более высокими свойствами выплавляют в электрических печах, что позволяет уменьшить в них содержание углерода и полнее удалить серу и фосфор. Все ковкие чугуны содержат меньше кремния. В отливке они должны получать структуру белого доэвтектического чугуна. Отливки должны быть сравнительно небольшими, чтобы задержать графитизацию при сравнительно ускоренном охлаждении.

Последующая графитизация отливок для получения окончательной структуры с хлопьевидным графитом и повышенных механических свойств происходит при нагреве до 950…980 ^оС, т.е. в твердом состоянии и в процессе медленного охлаждения. Это требует очень длительного времени: до 50-60 ч. Ковкие чугуны более целесообразно использовать для тонкостенных деталей.

Высокопрочный чугунимеет графит шаровидной формы, что в меньшей степени нарушает сплошность металлической основы (особенно по сравнению с графитом пластинчатой формы). Прочностные свойства этих чугунов наиболее высокие; они не уступают в прочности углеродистым конструкционным сталям, подвергаемым термической обработке, но пластичность высокопрочных чугунов, ниже, чем у стали и у ковкого чугуна. Высокопрочные чугуны получают модифицированием магнием (или церием) в ковше жидкого серого чугуна. В промышленности высокопрочные чугуны используют главным образом для получения массивных отливок.

Отбеленный чугунимеет в сердцевине структуру серого или высокопрочного чугуна, а в поверхностном слое повышенной твердости (НВ 450…550) – ледебурит и перлит. Это создает высокую износостойкость, но резко ухудшает обрабатываемость резанием. Отбеленный чугун используют в ограниченных пределах для деталей простой формы, получающих твердую поверхность при литье, выполняемом отливкой в металлические кокили, т.е. в условиях ускоренного охлаждения поверхностных слоев.

Белый чугунимеет структуру перлита и цементита по всему сечению (или на большую глубину), и, как правило, является доэвтектическим. При высокой износостойкости и твердости, но плохой обрабатываемости резанием белые чугуны имеют сильно сниженные механические свойства и почти не применяются.

Сплавы на основе медиобладают хорошими механическими, антикоррозийными, антифрикционными и рядом других свойств, что позволяет широко их использовать в современном машиностроении. Для легирования медных сплавов, в основном, используют элементы, растворимые в меди –Zn, Sn, Al, Be, Si, Mn, Ni.

Медь кристаллизуется в кубическую гранецентрированную решетку. Многие элементы (легирующие элемен­ты) растворяются в ней путем замещения, образуя широ­кие области твердых растворов. При комнатной темпера­туре в меди растворяется до 39 % Zn; 15,8 % Sn; 9,4 % Al, что существенно изменяет ее свойства (повышается прочность и пластичность сохра­няется) . Кроме того, получаемые при сплавлении меди с другими элементами сплавы приобретают определенные специальные свойства (жаропрочность, коррозионную стойкость и др.). Если содержание легирующего элемен­та меньше предела растворимости, сплавы представляют собой однофазные твердые растворы. При увеличении содержания сплавляемого элемента сверх предела раст­воримости сплав становится двух- или многофазным.

По способу изготовления деталей медные сплавы под­разделяются на деформируемые и литейные. Из дефор­мируемых изготавливают листы, ленты, трубы, полуфаб­рикаты различного профиля. Из литейных сплавов мето­дом литья в формы получают фасонные детали.

Большая часть медных сплавов не подвергается упрочняющей термической обработке либо потому, что они однофазны, либо потому, что эффект упрочнения очень мал. Упрочнение путем термической обработки воз­можно только в том случае, если введенные элементы ра­створяются в меди ограниченно, при этом растворимость их уменьшается с понижением температуры. Кроме того, упрочнение возможно, если эти легирующие элементы образуют с медью или между собой вторичные фазы типа CuBe, CuAl₂, NiBe, Ni₃Al и др. В этих случаях при закалке сплавов образуется пе­ресыщенный твердый раствор, из которого затем происхо­дит образование упрочняющих фаз. Твердость и прочность медных сплавов могут быть повышены в 1,5...3 раза за счет на­клепа, который при необходимости может быть снят ча­стично или полностью отжигом (600...700 °С).

Медные сплавы подразделяются главным образом на латуни и бронзы.

Сплавы меди с цинком, содержащие до 49 % Zn,на­зываются латунями. Латуни маркируются буквой Л, следующая за ней цифра обозначает содержание меди. Например, сплав Л96 является латунью, содержащей 95...97 %Сu. Латуни подразделяются на двойные и многокомпо­нентные.Двойные латуниявляются двухкомпонентными (Сu-Zn) сплавами,фазовое состояние латуней описыва­ется диаграммой состояния системы «Сu-Zn». Латуни, содержащие менее 32 % Zn,однофазные, со структурой α-твердого раствора Znв Сuс ГЦК решеткой. Однофазные латуни весьма пластичны, хорошо пая­ются, свариваются и обрабатываются давлением (про­катка, волочение, высадка и др.) в горячем и холодном состояниях. Латуни, содержащие до 20 % Zn,называюттомпаком(Л96, Л90), до 30 % Zn —патронными(Л80, Л85, Л70). Латуни Л96, Л90 имеют цвет золота, приме­няются в ювелирном деле, для изготовления радиатор­ных трубок, уплотнительных прокладок и др. Латуни Л80...Л70 используют для производства деталей элект­рооборудования, проволоки, гильз и др. С увеличением содержания цинка цвет латуней изменяется от краснова­того до светло-желтого, повышаются предел прочности (от 270до 320МПа) и твердость (от 470до 500НВ).

Двухфазные латуни марок Л68...Л59 при температу­рах ниже 454 °С имеют структуру (α+β'). Фаза β' является твердым раствором на базе промежуточного соединения электронного типа CuZn. Фаза β' является упорядоченным твердым ра­створом, в отличие от неупо­рядоченного β-твердого ра­створа, существующего при температурах выше 454 °С. Полное упорядочение закан­чивается в двухфазных (α+β)-латунях при 454 °С. Известно, что упорядочен­ные фазы, в том числе и твердые растворы, характе­ризуются повышенной хруп­костью. Поэтому двухфаз­ные латуни рекомендуется обрабатывать давлением в горячем состоянии.

Увеличение содержания цинка сверх 40 % приводит к росту предела прочности (до 360 МПа) и повышению мас­совой доли хрупкой β-фазы в структуре латуней и, как следствие, к ограничению применения высокоцинковых латуней в машиностроении. Изделия из двух­фазных латуней (проволока, трубы, прутки, листы, лен­ты) изготавливаются холодной штамповкой и глубокой вытяжкой.

Для повышения механических и технологических ха­рактеристик и придания двойным латуням специальных свойств их легируют. Легирующие элементы обознача­ются буквами: А – алюминий; Н – никель; О – олово; Ц – цинк; Т – титан; Ф – фосфор. В марке многокомпонентной латуни после букв следуют цифры через дефис. Первая цифра указывает среднее содержание меди, остальные – содержание соответствующих легирующих элементов. Например, в латуни ЛА85-1,5 содержится 85 % Сu и 1,5 % Аl, остальное – цинк. Алюминий, кремний, никель и марганец по­вышают механические свойства латуней и увеличивают их сопротивляемость атмосферной коррозии, так как об­разующаяся оксидная пленка на поверхности изделий за­щищает их от дальнейшего окисления. Олово повышает коррозионную стойкость латуни в морской воде совместное легирование (Fe+Аl+Мn) придают латуням максимальную твердость и прочность. Свинец (1...3 %) улучшает обрабатываемость латуней резанием. Латуни со свинцом являются авто­матными (ЛС74-3; ЛС64-3). Их используют для изготов­ления деталей в часовой и автотракторной промышлен­ности.

Основным видом термической обработки латуней является смягчающий отжиг перед пластическим дефор­мированием при 600...700 °С с медленным охлаждением. Такая обработка способствует увеличению доли пластич­ной α-фазы в структуре латуней. Если требуется повыше­ние прочности и твердости латуни, для увеличения доли β-фазы охлаждения с указанных температур следует ве­сти ускоренно (воздух, вода). При охлаждении в воде от изделий отстает окалина, что улучшает их товарный вид.

Латуни, содержащие более 20 % Zn, если в них не сняты полностью внутренние напряжения, созданные предварительной деформацией, склонны к самопроиз­вольному растрескиванию при вылеживании во влажной атмосфере («сезонное растрескивание»). Для устранения этого явления необходим от­жиг при 260...300 °С.

Сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка и никеля, называются бронзами. Цинк и никель могут вводиться в бронзы как дополнительные легирующие элементы.

Бронзы маркируются буквами Бр, далее следует бук­венное и цифровое обозначение содержащихся элементов (кроме меди). Например, БрОФ10-1 – бронза оловянно-фосфорная, содержащая ~10 % олова и ~1 % фосфора (остальное медь).

В зависимости от элементов, присутствующих в брон­зе, различают оловянные, алюминиевые, свинцовые, оловянно-фосфорные и другие бронзы. Фазовый состав их описывается диаграммами состояния двух основных эле­ментов, например, для БрОФ10-1 диаграммой «Сu-Sn». Сле­дует помнить, что структура и свойства бронз изменяются в зависимости от скорости охлаждения кристаллизу­ющихся сплавов, вида термической обработки и характе­ра обработки давлением.

Бронзы немагнитны, коррозионно-стойки, имеют вы­сокие коэффициенты тепло- и электропроводности. Для улучшения свойств их подвергают термической обработ­ке: отжигу, закалке и отпуску или пластическому дефор­мированию с целью наклепа. Отжиг проводится для .сня­тия напряжений, устранения наклепа, получения одно­родной структуры; закалка от 700...750 °С без отпуска — для повышения пластичности, с отпуском — для повыше­ния твердости и прочности бронзы.

Оловянные(оловянистые)бронзысодержат до 12 % олова, с повышением содержания которого увеличивается их твердость и прочность. Эти бронзы характеризуются высокими антифрикционными и упругими свойствами. По методу изготовления изделий бронзы подразделяются на литейные и деформируемые.

При реальных скоростях охлаждения кристаллизу­ющихся бронз сплавы, содержащие до 6 % Sn, однофаз­ны. Их структура состоит из дендритов α-твердого раст­вора олова в меди. Бронзы, содержащие от 6 до 32,5 % Sn, - двухфазные со структурой α+эвтектоид (α+δ). Фаза δ является твердым раствором на базе электронно­го соединения Cu₃₁Sn₈.

Для улучшения литейных свойств (повышения жидкотекучести) в оловянные бронзы вводят до 0,3 % фосфо­ра. При увеличении содержания этого элемента до 1 % и более он не только растворяется в α-фазе, но и образует химическое соединение Сu₃Р – фосфид меди, которое входит в состав эвтектоида (α+δ+Сu₃Р) в виде мелких округлых включений темного цвета и повышает твердость и износостойкость бронз. Из оловянной бронзы БрОФ10-1 отливаются подшипники скольжения, слитки, идущие на изготовление лент, прутков, профилей, проволоки для пружин.

Для улучшения обрабатываемости резанием, повыше­ния износостойкости и плотности отливок в бронзы вво­дят свинец и цинк. Последний уменьшает ликвационные явления, которые характерны для оловянных бронз. При­мером бронз, содержащих цинк и свинец, является брон­за БрОЦС5-5-5, из которой делают подшипники скольжения, антифрикционные втулки и другие детали сильно нагруженных двигателей, работа­ющие на трение. Бронзы коррозионностойки в атмосфере и пресной воде. В отожженном состоянии они имеют сле­дующие механические характеристики: σ_В = 300...320 МПа; δ = 30...35 %; 60...65 НВ. В наклепанном состоянии: σ_В = 500...520 МПа; δ = 5 % при 180 НВ.

К числу деформируемых оловянных бронз относится, например, бронза БрОФ8,5-0,3, из которой изготавлива­ются детали, выдерживающие очень высокие нагрузки: опорные шайбы, шестерни, пружины и др.

Алюминиевые бронзы (5...11 %Аl) в настоящее вре­мя очень распространены, являются дешевыми замените­лями оловянных бронз и даже превосходят их по ряду свойств: менее склонны к ликвационным явлениям; обла­дают лучшей жидкотекучестью, обеспечивающей получе­ние плотных отливок; характеризуются сравнительно вы­сокими прочностными показателями, жаропрочностью, химической стойкостью (но не в перегретом паре) и т. д.

Бронзы, содержащие до 7,4 % Аl, однофазны со струк­турой α-твердого раствора. Если Аl более 7,4 %, то брон­зы двухфазны, например БрА10. Их структу­ра: первичные зерна α-твердого раствора и эвтектоид (α + γ), где γ является твердым раствором на основе соеди­нения Cu₃₁Al₁₉.

Однофазные алюминиевые бронзы БрА5, БрА7 очень пластичны. Их используют для изготовления полуфабри­катов различного профиля. Эти бронзы стойки к истира­нию, БрА5 является монетной. БрА7 прокатывается главным образом в ленту, предназначенную для выпуска пружин и других деталей. При холодной прокатке БрА7 сильно наклепывается, предел прочности повышается с 450 МПа (отожженная) до 1000 МПа, твердость увели­чивается с 75 до 150 НВ, пластичность снижается с 65 до 5%.

Двухфазные алюминиевые бронзы обычно легируют. Добавка железа, особенно в комплексе с марганцем и тем более с никелем, приводит к повышению прочности и из­носостойкости бронз за счет выделения железосодержа­щей фазы (FeAl₃) и легирования самого твердого ра­створа Мn и Ni. Кроме того, улучшается коррозионная стойкость бронз, а Ni делает их жаропрочными до 400...500 °С. Из БрАЖМц 10-3-1,5 изготавливают фасонные от­ливки, шестерни, втулки, из БрАНЖ10-4-4 – ответственные детали авиационных двигателей и турбин.

Свинцовые бронзыиспользуют главным образом для изготовления подшипников качения, работающих при вы­соких удельных нагрузках и больших скоростях (опор­ные и шатунные подшипники турбин авиационных двига­телей). Свинцовые бронзы обладают более высокой теп­лостойкостью по сравнению с оловянными и баббитами, допускают нагревы до 300...320 °С. При таких темпера­турах свинцовые включения подплавляются, жидкий Pb выполняет роль смазочного материала, уменьшающего коэффициент трения.

Свинцовые бронзы содержат 27...33 % Pb и имеют структуру, состоящую из зерен меди и эвтек­тики Cu+Pb, в которой 99,98 % Pb, залегающей по гра­ницам зерен Сu в виде крупных каплеобразных скопле­ний. Бронзы легируют оловом и никелем, которые, растворяясь в меди, упрочняют эту фазу, повышая изно­состойкость бронз БрОС8-12, БрСН60-2,5.

Бериллиевые бронзы,используемые в промышленно­сти, содержат 1,8...2,5 % бериллия. После окончания про­цесса кристаллизации они имеют структуру дендритов α-твердого раствора Be в Сu. Растворимость бериллия в меди ограниченная и зависит от температуры (максималь­ная – 2,7 % при 870 °С; 0,2 % – при 200 °С). Сле­довательно, в процессе достаточно медленного охлажде­ния бериллиевых бронз из α-твердого раствора выделя­ется вторичная β-фаза, представляющая собой твердый раствор на основе химического соединения СuВе элект­ронного типа. Фаза β устойчива до 608 °С. При этой температуре происходит эвтектоидный распад β-фазы с образованием смеси двух фаз по реакции β = α + β'. Эвтектоид наследует место расположения исходной фазы β и поэтому находится в междуосных пространствах α-дендритов.

Предотвратить полностью или в большой мере обра­зование эвтектоида α+β' (СuВе) можно быстрым охлаждением (закалка) бронз из области α-раствора, т.е. температур 780...800 °С. Закаленные бериллиевые бронзы отличаются высокой пластичностью (δ = 40…45%) и мягкостью (90...100 НВ). Структура закаленных бронз – пересыщенный α-твердый раствор или α+эвтектоид по границам зерен. Если закаленные бронзы подвергнуть от­пуску при 350 °С в течение 2 ч, из α-фазы выделяется фа­за СuВе высокой степени дисперсности. Выделения СuВе располагаются определенным образом внутри зерен α-фазы, они так малы, что видны только при очень боль­ших увеличениях (~25000 крат). Образование высокодис­персных включений СuВе приводит к очень большому упрочнению бериллиевых бронз: σ_В = 1200…1300 МПа, твердость – 350...400 НВ при снижении пластичности до 1,2...2 %.

Упрочненные путем закалки и отпуска бериллиевые бронзы характеризуются, кроме того, исключительно вы­сокой упругостью (упругость – свойство тел восстанавли­вать объем и (или) форму после прекращения действия внешних сил). Поэтому их используют для изготовления пружин и пружинных деталей. Антифрикционные свой­ства бериллиевых бронз учитываются при изготовлении подшипников, работающих при больших скоростях, давлениях и повышенных температурах, а также шестерен зубчатых колес, червячных передач и др.

Для уменьшения стоимости бериллиевых бронз вво­дят элементы – заменители бериллия, например Mn a также элементы-упрочнители: Ti, Ni и др. Эти элементы образуют соединения, дополнительно упрочняющие сплавы при термической обработке.

Алюминиевые сплавы обладают важным преимуществом, определяющим область их применения. Малая плотность (2,7-3,0 г/см³) при достаточно высоких механических свойствах. Однако они уступают сплавам на железной основе в величине модуля упругости: 7·10⁴ МПа у алюминия и 20·10⁴ МПа у сталей и чугунов. Кроме того, алюминиевые сплавы мало пригодны для упрочнения поверхностного слоя способами химико-термической обработки и их твердость и износостойкость ниже, чем стали. Некоторые из них, особенно дюралюмин, недостаточно устойчивы против коррозии в обычной атмосфере и не обладают хорошей свариваемостью. Алюминиевые сплавы (подобно сталям и чугунам) делят на: деформируемые (прокаткой, прессованием, штамповкой); литейные; изготовляемые способом порошковой металлургии.

Алюминиевые сплавы, обрабатываемые давлением. Некоторые из этих сплавов для повышения прочности подвергают термической обработке: закалке, сообщающей структуру пересыщенного твердого раствора, и старению (дисперсионному твердению) – естественному или искусственному. Кроме того, для их упрочнения используется и термомеханическая обработка, заключающаяся в закалке, холодной пластической деформации и старении.

Для повышения стойкости против коррозии листов сплавов, главным образом дуралюмины, плакируют, т.е. покрывают защитным слоем алюминия (что, однако, снижает прочность и износостойкость). Сплавы используют в различных условиях эксплуатации, поэтому они неодинаковы по составу и свойствам и их целесообразно разделить на:

• сплавы высокой прочности, называемые дуралюминами (σ_В = 400…500 МПа у большинства сплавов и до 600 МПа у сплавов В95). Они имеют сложный химический состав; главными легирующими элементами являются медь и магний, а у сплава В95 – цинк (например, Д1, Д16, В95 для изготовления труб, прутков, заклепок для конструкций средней и большей прочности, лонжеронов самолета, лопастей, шпангоутов);

• сплавы (дуралюмины), сохраняющие прочность при повышенных температурах (жаропрочные). Они используются при нагреве до 300…350 ^оС. Дуралюмины этой группы имеют более сложный состав; большинство из них содержат дополнительно никель при меньшем содержании меди (например, АК4 для изготовления дисков и колец турбореактивных двигателей, лопаток компрессоров, поршней);

• сплавы повышенной пластичности, хорошо принимающие глубокую вытяжку и сварку. Содержание меди ограничивается 0,5%, вследствие чего прочность сплавов ниже 250 МПа, а пластичность выше, чем у дуралюминов (например, АВ–авиаль для изготовления трубопроводов и деталей, изготовляемых глубокой вытяжкой);

• сплавы повышенной пластичности, свариваемости и стойкости против коррозии. Они легируются магнием и реже марганцем и в отличие от дуралюминов почти не содержат меди, т.е. компонента, который образует упрочняющие фазы и делает сплав многофазным и малоустойчивым против коррозии. Эти сплавы устойчивы против воздействия масел, бензина и т.п. кроме того, они хорошо принимают холодную вытяжку и удовлетворительно свариваются (например, АМц, АМг6 для изготовления бензино- и маслопроводов, сварных баков, заклепок).

Литейные алюминиевые сплавы подразделяют на следующие сплавы:

1. С наиболее высокими литейными свойствами легируются кремнием; они называются силуминами. Эти сплавы имеют низкую температуру литья, хорошую жидкотекучесть, наибольшую чувствительность к образованию литейных пор, но пониженные механические свойства: σ_Вдо 220…250 МПа и относительное удлинение 2…3% (при условии модифицирования). Силумины используют для деталей сложной формы, но не воспринимающих повышенных нагрузок (например, АЛ2, АЛ4, АЛ9 для изготовления деталей колес, агрегатов и приборов малой нагруженности, крупных нагруженных деталей моторов, тонкостенных и сложной формы деталей небольшой и средней нагруженности, свариваемых деталей, корпусов и деталей приборов).

2. С повышенными механическими свойствами легируются магнием и медью; литейные свойства ниже, чем у силуминов (например, АЛ7, АЛ8 для изготовления ответственных узлов несложной формы, работающих при ударных нагрузках и во влажной атмосфере; деталей средней нагруженности; педалей, рычагов, арматуры; литейные свойства ниже, чем у магния).

3. Устойчивые против нагрева (жаропрочные); подобны деформируемым сплавам, используются при нагреве до 300…350 ^оС (например, АЛ1, АЛ20 для изготовления головок и поршней цилиндров и других деталей двигателей внутреннего сгорания, нагревающиеся до 275^оС; литейные свойства лучше).

Магниевые сплавы используют в машиностроении преимущественно с алюминием, марганцем и цинком, реже с цирконием и ниобием. Основное преимущество магниевых сплавов по сравнению с остальными промышленными металлами – небольшая плотность (1,7…1,8 г/см³). Однако их модуль упругости не высок (43000 МПа). Вследствие этого магниевые сплавы пригодны для мало нагруженных деталей. Для магниевых сплавов характерен, кроме того, высокий уровень демпфирования (т.е. способность гасить вибрации), что уменьшает опасность появления резонансных пиков напряжений. Магниевые сплавы, подобно сплавам алюминия и железа, делятся на деформируемые и литейные.

Деформируемые магниевые сплавы используют в виде проката (листов, ленты, труб) и поковок. С увеличением содержания алюминия в структуре сплавов возрастает содержание фазыMg₄Al₃, что повышает прочность. Предел текучести сплава МА14 (без алюминия) 90…100 МПа, а сплава МА2-1 (с3,8…5%Al) 140…150 МПа. Однако в присутствии второй фазыMg₄Al₃(или фазы, образуемой цинком) снижается стойкость против коррозии, в том числе на воздухе и в воде. Наоборот, стойкость против коррозии при нагреве в атмосфере воздуха возрастает в присутствии марганца, не образующего дополнительной фазы. Поэтому магниевые сплавы, главным образом с марганцем, используют в качестве теплостойких, но при более низком нагреве, чем алюминиевые и титановые.

К деформируемым сплавам повышенной прочности относят МА2-1, МА14, МА15, которые хорошо свариваются и в виде листа или труб используются в системах подачи топлива, масла, некоторых деталях машин. Теплостойкие типа МА1, МА2, МА8 используют для изготовления деталей, работающих при Т = 150…200 ^оС.

Механические свойства магниевых сплавов, используемых в виде отливок, ниже, чем у деформированных. Их повышают модифицированием и термической обработкой. В этом случае предел текучести для сплавов МЛ3 и МЛ5 равен 80…100 МПа, для сплавов МЛ15 – 140…150 МПа.

Литейные сплавы МЛ3 и МЛ5 используют для работы без нагрева для изготовления арматуры и деталей корпусов топливных насосов, ручек, педалей простой и сложной конфигурации, в том числе для работы во влажной атмосфере. Литейные теплостойкие типа МЛ10 и МЛ15 предназначены для работы при 250…350 ^оС при изготовлении тех же деталей.

Титановые сплавы являются сравнительно новым конструкционным материалом, основными преимуществами которого, определяющими область его использования можно считать небольшую плотность ~4,5 кг/м³, высокую стойкость против коррозии и высокие прочностные свойства при отсутствии хладноломкости, в том числе при очень низких температурах. Для некоторых сплавов титана характерны, кроме того, хорошие жаропрочные свойства (но они ниже, чем у стали). Титановые сплавы практически превосходят нержавеющие стали, медные и никелевые сплавы в стойкости против коррозии в морской воде, в том числе и при длительной работе, а также в таких агрессивных средах, как влажный хлор, горячая азотная кислота высокой концентрации и некоторых других. Коррозионная стойкость титановых сплавов дополнительно возрастает при введении очень малых количеств палладия.

Прочностные свойства титановых сплавов различаются в зависимости от состава и структуры, получаемой при термической обработке. Некоторые сплавы титана, обладая меньшей плотностью, не уступают в прочности легированным конструкционным сталям после улучшающей термической обработки.

Повышенные прочностные свойства, в том числе при нагреве до 550…600 ^оС, имеют титановые сплавы, легированные хромом, что при меньшей плотности, чем в стали, делает их особенно пригодными для деталей, при работе которых развиваются значительные центробежные силы. Вместе с тем сплавы титана уступают сталям, особенно с повышенным содержанием углерода, в твердости и износостойкости, что сильно затрудняет использование их для деталей, работающих в условиях повышенного изнашивания. Однако применение азотирования устраняет этот недостаток.

В зависимости от легирования титановые сплавы могут быть:

• однофазными с α-структурой (например, ВТ-5), которые обладают хорошей свариваемостью, а также высокими значениями прочности и пластичности при низких температурах;

• двухфазными с (α + β)-структурой (например, ОТ4, ОТ4-1, ВТ6, ВТ8, ВТ14). Это более прочные сплавы и дополнительно обладают повышенной жаропрочностью и стойкостью против коррозии (σ_В = 700…900 МПа при Т = 20 ^оС);

• однофазные с β-структурой (ВТ15, ВТ20, ВТ22). Наряду с высокой пластичностью это самые прочные сплавы, обладающие значениями (σ_В = 1000…1200 МПа при Т = 20 ^оС).

Композиционные материалы в настоящее время все более широко используются в современном машиностроении. Они отличаются самой высокой по сравнению с другими материалами удельной прочностью, что позволяет резко снизить массу и соответственно материалоемкость конструкций. Так, если величина удельной прочности (σ_В/ρq) для таких материалов находится в пределах 50…100 км, то для высокопрочных сталей она составляет 20…25 км, т.е. почти в 2…4 раза меньше. Это качество композиционных материалов особенно важно для различных летательных аппаратов, для автостроения и других транспортных средств, в гражданском строительстве и т.п. Вообще области применения этих материалов практически не ограничены.

Композиционный материал – это гетерогенная система, состоящая из матрицы, в качестве которой используют полимеры, керамику или металл, и упрочнитель в виде высокопрочных и высокомодульных волокон или частиц. В случае использования волокон такие композиционные материалы называют волокнистыми, а в случае частиц – дисперсноупрочненными. В этих разных классах композиционных материалов неодинаковой является и роль матрицы. У волокнистых материалов матрица кроме передачи на волокна напряжений, возникающих при нагружении изделий из подобных материалов, служит также для защиты волокон от повреждений и для оформления конфигурации изделий при их изготовлении методами прессования или литьем. В то же время сама матрица не является источником упрочнения. В дисперсноупрочненных материалах матрица, напротив, является основным носителем упрочнения.

В волокнистых композиционных материалах с металлической матрицей упрочнение создают волокна, представляющие собой нитевидные кристаллы из карбидов или нитридов кремния, нитридов или оксидов алюминия и других тугоплавких соединений, а чаще всего этими упрочнителями являются борные и углеродные волокна. Кроме того, в качестве таких волокон используют проволоку, фольгу или ленту из высокопрочных сталей, из вольфрама и других металлов (табл. 4).

В композиционных материалах с полимерной матрицей в качестве высокопрочных волокон помимо бора и углерода используют стекловолокно и различные органические вещества (табл. 5). Для волокнистых композиционных материалов помимо свойств самих волокон значительное влияние на свойства этих материалов оказывают размеры волокон, и в первую очередь отношение их длины к диаметру. Чем больше это отношение, тем выше прочность волокнистого композиционного материала. Свойства композиционных материалов зависят не только от свойств и размеров волокон, но в значительной степени от их объемной доли и расположения в объеме материала, а также от тех взаимодействий, которые возникают на границе между волокнами и матрицей.

Таблица 4

Механические свойства одноосноармированных композиционных

материалов с матрицей на основе алюминия

Композиционный материал	Наполнитель		ρ, т/м3	σВ/ρg, км	Е, ГПа	Е/ρg·10-3, км	σВ, МПа (20 оС)	σ-1, МПа на базе 107 циклов
	материал	кол-во, %
ВКА-1 ВКУ-1 КАС-1	Борное волокно Углеродное волокно Стальная проволока	50 30-40 40	2,65 2,2-2,3 4,8	45 42 33	240 270 120	9 12 2	1200 900-1000 1600	600 200 380
Примечание. Область применения – конструкции летательных аппаратов.

Таблица 5

Свойства одноосноармированных композиционных

материалов с полимерной матрицей

Материал	ρ, т/м3	σВ, МПа	σВ/ρg, км	δ, %	Е, ГПа	Е/ρg·10-3, км	σ-1*, МПа
Карбоволокнит КМУ-IV Бороволокнит КМБ-3к Стекловолокниты	1,47 2 2,2	1020 1300 2100	70 65 96	0,6 0,3 -	180 260 70	12,2 12,5 3,2	500 420 -
Примечание. Область применения – конструкции летательных аппаратов, кузова автомобилей, корпуса вагонов железнодорожного транспорта.

Композиционные материалы с металлической матрицей из сплавов алюминия, магния, никеля и т.п. имеют определенные преимущества перед материалами с неметаллической матрицей в первую очередь по абсолютному уровню свойств прочности и жесткости, большей теплостойкости, а также по стабильности размеров в условиях службы и по ряду физических свойств. Однако материалы с неметаллической матрицей более технологичны в процессе изготовления из них изделий и поэтому изделия оказываются более дешевыми, чем изделия из материалов на металлической основе. Кроме того, они обладают более низкой плотностью и поэтому более высокими значениями удельной прочности и жесткости в области нормальных и несколько повышенных температур. Помимо указанного, материалы отличаются рядом ценных физико-химических свойств – высокой коррозионной стойкостью, немагнитностью, являются диэлектриками и др. На практике в зависимости от конкретных условий службы изделий для их изготовления используются волокнистые композиционные материалы либо с металлической, либо с неметаллической матрицей.

К классу дисперсно-упрочненных композиционных материалов относятся материалы и сплавы, в структуре которых присутствуют недеформируемые высокодисперсные частицы тугоплавких оксидов, нитридов или карбидов, не взаимодействующих химически с материалом матрицы специально введенные с целью упрочнения. Эффект упрочнения пропорционален объемной доле частиц, а также их дисперсности, которая при равных их объемных долях определяет расстояние между частицами в структуре – основной параметр упрочнения подобных материалов.

К числу наиболее известных дисперсноупрочненных материалов относятся сплавы типа САП (спеченная алюминиевая пудра) и САС – (спеченные алюминиевые сплавы), изготовленные из заранее полученных исходных материалов в виде пудры или порошка соответственно. На поверхности пудры или порошка находится пленка из частиц оксида алюминия. При брикетировании или прессовании эти частицы оксидов, объемная доля которых находится в пределах 5-25 %, оказываются равномерно распространенными в металлической матрице, что и обеспечивает их высокое упрочнение.

Абсолютный уровень прочности сплавов типа САП ниже, чем наиболее высокопрочных деформируемых алюминиевых сплавов, но по уровню теплостойкости материалы САП и САС имеют существенные преимущества. Это объясняется тем, что при повышенных температурах частицы оксидов не изменяют ни своего состава ни дисперсности. Помимо алюминиевых дисперсноупрочняемых сплавов находят применение в качестве теплостойких и жаропрочных материалов и дисперсноупрочняемые сплавы на основе никеля и его сплавов, а также молибдена, в которые вводят преимущественно частицы тугоплавких оксидов алюминия, тория, гафния, используя для изготовления изделий метод порошковой металлургии, реже – литья.

Полимерные материалы (пластмассы) как никакой другой материал находит применение в промышленности во все возрастающих объемах. Это объясняется тем, что пластмассы обладают малой плотностью (~1,5 кг/м³) и поэтому даже при небольшой прочности обладают высокой удельной прочностью, превосходя по этому важному показателю такие традиционные конструкционные материалы, как сталь, латунь и т.п. К другим ценным свойствам пластмасс следует отнести высокую химическую стойкость и диэлектричность, а также их хорошие технологические свойства, что позволяет изготовлять из них изделия литьем, прессованием и т.п. Правда, выбор технологического процесса зависит от типа или состава пластмасс и, естественно, от требуемой конфигурации и размеров изделий. К основным недостаткам полимерных материалов, которые учитываются при их использовании в машиностроении, надо отнести: низкий модуль упругости и пониженное временное сопротивление при растяжении; недостаточную устойчивость и способность сохранять форму даже в условиях небольшого нагрева (до 70-80 ^оС для большинства полимеров); часто пониженную способность воспринимать ударные нагрузки. Вследствие этих причин полимеры наиболее пригодны для изготовления деталей, работающих при небольших нагружениях, когда требуются низкий коэффициент трения (некоторые подшипники, зубчатые колеса для бесшумных передач), малая масса (крышки корпуса и другие детали машин и приборов) или стойкость против коррозии и прозрачность (баки для хранения и перевозки химических реактивов, а также трубопроводы).

Свойства пластмасс зависят от состава и строения их основы – полимеров. Полимеры – это вещества с большой молекулярной массой, что является следствием объединения между собой групп атомов или мономеров. В итоге этого объединения образуются длинные линейные молекулы или макромолекулы. В зависимости от характера связи между этими линейными молекулами полимеры делят на термопластичные, у которых связь между этими молекулами достаточно слабая и термореактивные, когда между данными молекулами действуют сильные связи.

Пластмассы делят на простые и сложные, различающиеся тем, что во вторые в отличие от первых вводят дополнительные вещества различного состава, которые значительно изменяют их свойства. Среди этих веществ – так называемые наполнительные, повышающие прочность пластмасс и их стабильность при снижении стоимости, стабилизаторы, способствующие стабилизации структуры и свойств, пластификаторы, повышающие пластичность, и т.п.

Термопластичные пластмассы (термопласты) обладают пониженным комплексом эксплуатационных свойств (см. табл. 6), однако после формования изделий сохраняют способность к повторной переработке.

Таблица 6