4.Применение новых материалов при проектировании гпм. Сверхпрочные материалы

В основе создания сверхпрочных материа­лов лежит современное представление о дис­локациях (искажения атомно-кристаллических пространственных решеток) как о первопри­чине наблюдающегося расхождения между реальной прочностью металлов и теоретиче­ской, предсказываемой на основании атомных связей в кристаллических решетках.

Теоретическая прочность (величина касательного напряжения, необходимая для смещения кристалли­ческих плоскостей совершенного кристалла относи­тельно друг друга).

;

где b — расстояние между атомами в плоскости сдвига, а — параметр атомно-кристаллической ре­шетки, G - модуль упругости сдвига Для металлов с ОЦК- и ГЦК-решеткой

(38a)

Величина G для изотропных материалов

;

где

При среднем значении

Подставляя эту величину в формулу (38a), полу­чаем

Реальная прочность в десятки, а иногда и в сотни раз меньше. Иначе говоря, в совре­менных металлах используется незначительная доля, возможной их прочности.

Еще недавно считали, что процесс пластической деформации заключается в одновременном сдвиге кристаллических плоскостей одна относительно другой. Это представление не вяжется с большой величиной усилий, необходимых для преодоления" атомных связей на плоскостях скольжения. Сейчас общепризнана теория, согласно которой сдвиг про­исходит не сразу, а последовательными этапами (эстафетно)

Вокруг дислокаций возникают поля напряжений и образуются площадки облегченного скольжения. Достаточно сравнительно небольшого напряжения, чтобы вызвать на таком участке сдвиг кристалличе­ских плоскостей на одно межатомное расстояние. Этот сдвиг сопровождается соответственным пере­мещением площадки облегченного скольжения по направлению или против направления действия силы. На новом месте расположения площадки, в свою очередь, происходит сдвиг на одно межатом­ное расстояние, сопровождаемый новым смещением площадки скольжения.

Таким образом, площадка скольжения, последова­тельно перемещаясь вдоль направления действия силы, вызывает сдвиг всей кристаллической плоско­сти па одно межатомное расстояние. Если сила про­должает действовать, то явление многократно по­вторяется, происходит макросдвиг кристалличе­ских плоскостей. Очевидно, что такой последова­тельный сдвиг, требующий только местного разрыва атомных связей, происходит под действием силы, во много раз меньшей силы, необходимой для одновре­менного сдвига сразу всей кристаллической плоско­сти.

Описанный механизм возникновения и распро­странения сдвига является первопричиной понижен­ной реальной прочности металлов по сравнению с теоретической. Перемещение площадки облегчен­ного скольжения продолжается до тех пор, пока дис­локация не выйдет на поверхность кристаллического блока или встретится с препятствием.

Движение дислокаций задерживается у точечных и линейных дефектов атомно-крисгаллических реше­ток, включений примесных атомов, облаков приме­сей (атмосферы Котрелла), у границ фаз, кристалли­ческих блоков и зерен. Перемещение дислокаций тормозят поперечные дислокации и дислокации одинакового направления, но противоположного знака. Разноименные дислокации, столкнувшись од­на с дру1 ой, взаимно погашаются.

Следовательно, увеличение числа неоднородностей, т. е. увеличение количества примесей и числа искажений кристаллической решетки, а также из­мельчение кристаллических блоков упрочняют металл, создавая препятствия на пути перемещения дислокаций и блокируя их распространение.

Дислокации закономерно присущи всякому металлу и возникают в огромных количествах. Сред­няя плотность распределения дислокаций в сталях составляет 10⁸ – 10¹⁰ на 1 см² поверхности.

Основные виды искажений: линейные дислокации— вклинивание лишних кри­сталлических плоскостей (эксэраплоскостей) (рис. 82, а); винтовые дислокации — спиральный сдвиг кристаллических плоскостей друг относительно друга (рис. 82,6); вакан­сии — отсутствие атомов в узлах кристалли­ческих решеток (рис. 82, в);

включения при­месных атомов в междоузлия решетки (рис. 82, г).

Алюминиевые сплавы. Алюминиевые сплавы обладают малой плотностью (3 кг/дм³), вы­сокой теплопроводностью [°С) и удовлетворительной прочностью;

пластичны и хорошо обрабатываются режу­щим инструментом. Многие из них можно сваривать с помощью аргонодуговой или аргонной дуговой сварки с неплавящимися воль­фрамовыми электродами. Применяют также газовую сварку под флюсом (LiCl, NaCI, KC1, KF). Листовые материалы сваривают контакт­ной сваркой.

Алюминиевые сплавы противостоя г корро­зии в сухой атмосфере, устойчивы против дей­ствия щелочей и слабых растворов кислот, но подвержены коррозии в условиях влажного (особенно морскою) воздуха; неустойчивы против действия сильных кислот, мягки (НВ60-130). В интервале 0 - 100°C коэффи­циент линейного расширения а = (20 — 26) 10^-6. Модуль упругости Е = (7,0 7,5) 10⁴ МПа.

Прочность алюминиевых сплавов быстро падает с повышением температуры (хотя есть сплавы, сохраняющие удовлетворительные ме­ханические качества до 250—400 °С).

Алюминиевые сплавы делятся на ли­тейные и деформируемые.

Для литья применяют сплавы систем: А1 — Си; Al-Zn; Al-Mg; Al-Si; Al-Cu-Si, Al-Zn—Si (табл. 11). Наиболее прочны сплавы Al—Mg, однако их литейные свойства невысо­кие. Сплав АЛ 13 повышенной коррозионной стойкости и жаропрочности используют для изготовления термически напряженных дета­лей. Для отливок несложной формы широко применяют сплавы АЛ7 и АЛ 19.

Наилучшими суммарными показа1 елями обладают сплавы А1 — Si (силумины). Они отличаются малой плотностью (2,6— 2,7 кг/дм³), хорошими литейными свойствами, свариваемостью и повышенной коррозионной стойкостью. Силумины применяют для литья тонкостенных деталей сложной формы. Для повышения механических свойств силумины модифицируют металлическим натрием, фторидамп Na и К, в результате чего включения кремния приобретают благоприятную для прочное! и зернистую форму.

Термообработка (нагрев до 520—530°С с выдержкой 4—6 ч, закалка в горячую воду, старение при 150—180°С в течение 10—15 ч) повышает прочность на 20—25%

Крупногабаритные фасонные детали изгото­вляют из силуминов АЛ4, АЛ5, АЛ12

Сплав АЛ9 отличается хорошей сваривае­мостью и применяется для сварных конструк­ций. Прочность его ниже, чем остальных силу­минов

Сложнолегированный сплав АЛ1 использу­ют для литья головок цилиндров и поршней двигателей воздушного охлаждения.

Детали из алюминиевых сплавов, нуждаю­щиеся в герметичности (картеры), пропиты­вают синтетическими термореактивными ве­ществами (чаще всего бакелитом-сырцом) с последующим нагревом до температуры отверждения бакелита (140—160°С).

Из деформируемых сплавов (табл 12) наиболее распространены дюралюмины (сплавы А1 — Си — Mg — Мп, иногда с присад­ками Сг, Zn, Fe, Si). Дюралюмины типа Д1, Д16, В95 подвергают термообработке, заклю­чающейся в закалке в воду с 500—520 °С с по­следующей выдержкой при нормальной темпе­ратуре в течение 75—100 ч (естественное ста­рение) или при 175—150''С в течение 1—2 ч (искусственное старение) Дюралюмины при­меняют преимущественно для изготовления листового и профильного проката.

Для защиты от коррозии изделия из алюминиевых сплавов подвергают анодированию (электроли­тическая обработка в ванне с 20%-ным раствором HaS04 при плотности тока 1-2 А/дм² и напряжении 10—12 В) Деталь является анодом, катодом служат свинцовые пластины На поверхности детали обра­зуется пленка окиси алюминия AL₂O₃, эффективно защищающая металл от коррозии и вместе с тем придающая поверхности твердость и абразивную стойкость Для увеличения стойкости покрытие обрабатывают горячим 10%-ным раствором хром­пика К₂Сr₂O₇. Анодированию, как и всякая кислот­ная обработка, несколько (на 20—25°п) снижает ци­клическую прочность.

Листовой прокат защищают также плакирова­нием— нанесением на поверхность тонких слоев технически чистого алюминия.

Сплавы типа АК применяют для ковки и штамповки деталей (шатунов быстроходных двигателей, дисков центробежных и аксиаль­ных компрессоров и др.). Из жаропрочною сплава АК4 изготовляют поршни двигателей внутреннего сгорания и головки цилиндров двигателей воздушного охлаждения.

Конструирование деталей из легких сплавов.

Пониженную прочность и жесткость легких сплавов компенсируют увеличением сечений, моментов инерции и сопротивления деталей и рациональным оребрением. Мягкость и не­высокая прочность легких сплавов исклю­чают применение ввертных крепежных болтов (рис. 87, а), так как резьба в деталях из ле1ких сплавов при повторных завертываниях сми­нается и разрабатывается. Если применение ввертных болтов необходимо по конструк­тивным условиям, то отверстия под резьбу армируют стальными футерками (рис. 87,6). Предпочтительнее крепление на стяжных бол­тах (рис. 87, в) или на шпильках (рис. 87, г). Резьбовые отверстия под шпильки следует де­лать длиной не менее (2—2,5) и?. Под головки болтов и гайки необходимо устанавливать Стальные подкладные шайбы большого диа­метра во избежание сминания опорных по­верхностей.

Подшипники качения в деталях из легких сплавов следует устанавливать на промежу­точных стальных гильзах (рис. 87,д,е).

В часто разбираемых соединениях отверстия под контрольные штифты целесообразно ар­мировать стальными втулками (рис. 87. .ж, з).

Глубина запрессовки штифтов в детали из лег­ких сплавов не менее (2 2,5) d.

Недопустимо опирать на поверхность из легкого сплава пружины (рис. 87, м), особенно работающие при циклических нагрузках. В та­ких случаях необходимо применять опорные шайбы из твердого металла (рис. 87, к, л), пред­отвращающие истирание опорных поверхно­стей под действием многократно повторяемых нагрузок.

Не рекомендуется передавать крутящий мо­мент с помощью шпоночных и шлицевых со­единений, выполненных непосредственно в де­тали из легкого сплава (рис. 88, а). Целесо­образно армировать посадочные поверхности стальными втулками (рис. 88, б, в), с макси­мальной допускаемой конструкцией радиаль­ной разноской элементов, передающих крутя­щий момент.

В случае, когда деталь должна иметь опре­деленные качества (высокую твердость, износостойкость), которые легкий сплав обеспечить не может, корпус детали выполняют из лег-ко1 о сплава и к нему крепят рабочие части, изготовленные из материала с необходимыми свойствами.

В составной конструкций кулачковой шайбы (рис. 88, г) корпус выполнен из алюминиевого сплава; к нему присоединен на заклепках ве­нец кулачков и приводного зубчатого колеса с внутренними зубьями, выполненный из зака­ленной стали.

При сопряжении деталей из легких сплавов со стальными деталями следует учитывать различие их коэффициентов линейного рас­ширения. В неподвижных сопряжениях, когда расширение деталей, выполненных из легких сплавов, ограничено стальными деталями, могут возникнуть высокие термические напряжения. В подвижных соединениях, где охватываемая деталь выполнена из лег­кого сплава, а охватывающая из стали, напри­мер цилиндр двигателя внутреннего сгорания с алюминиевым поршнем, следует преду­сматривать увеличенные зазоры во избежание защемления поршня при повышенных темпе­ратурах.

Титановые сплавы. Титан имеет две алло­тропические модификации, до 882°С сущест­вует -титан с гексагональной атомно-кристаллической решеткой, выше — -титан с ОЦК-решеткой. Введение легирующих элемен­тов значительно изменяет температуру алло­тропического превращения и области - и -фаз.

Стабилизаторами -фазы являются Al, Zn, Sn и Zr, повышенное содержание которых при­водит к образованию однофазных ос-сплавов. Стабилизаторами -фазы являются Сг, Мо, Мп, V, Си, Со и Fe, которые снижают темпера­туры аллотропического превращения вплоть до минусовых и способствуют образованию однофазных -сплавов. При определенном со­отношении - и -стабилизаторов получаются смешанные ( + )-сплавы.

Сплавы ( + ) и упрочняются термообра­боткой, состоящей в закалке в воду с 800— 1000 °С. При этом -фаза превращается в не­устойчивую '-фазу, которая при последую­щем старении (длительная выдержка при 400—550 °С) упрочняется выделением высокодисперсных частиц -фазы в -твердом рас­творе, а также интерметаллидов (титанидов). Твердость после старения повышается на 15—25 единиц HRC, а прочность на 30—50%.

Сплавы группы ( + ) обладают высокой прочностью при достаточной термостабильно­сти (до 450 °С) и получили наибольшее распро­странение. Оптимальное содержание -фазы - 30%.

Однофазные -сплавы имеют при нормаль­ной температуре пониженные механические свойства, но меньше разупрочняются с повыше­нием температуры. Устойчивы против горячей коррозии. Их применяют для изготовления де­талей, работающих при высоких температурах (до 600 °С) Однофазные -сплавы наименее термостабильны (~300°С) вследствие склонности к горячей коррозии под напряжением и усиленного газопоглощения при высоких температурах

Сплавы ( + ) поддаются термомеханической обработке (пластическая деформация на 40—60% при 850 °С, закалка и старение при 500—550 С), в результате которой дополни­тельно увеличивается прочность на 20—30% при сохранении и даже повышении пластич­ности. Плотность титановых сплавов ~ 4,5 кг/дм³: модуль нормальной упругости (11,5-12,0) 10⁴ МПа, модуль сдвига (4,0-4,3) 10⁴ МПа, коэффициент линейного расшире­ния в интервале 0—100°С равен (8— 10) Ю-⁶ 1/°С.

Титановые сплавы немагнитны, очень чувст­вительны к концентрации напряжений В цик­лически нагруженных конструкциях целесооб­разно подвергать детали упрочняющей обра­ботке холодной пластической деформацией (наклепу) с целью создания остаточных напря­жений сжатия в поверхностном слое.

Титановые сплавы сохраняют удовлетвори­тельную прочность от —250°C до 500 °С (рис. 89). Крипостойкость характеризуется сле­дующими цифрами: предел ползучести за 300 ч при 300 °С и удлинения 0,1 % ;

при 400 °С . Релаксационная стойкость высокая. При умеренных температурах (до (200—300 °С) титановые сплавы обладают отличной коррозийной стойкостью.