14. Медноникелевые сплавы.

Медноникелевые сплавы

Никель образует с медью неограниченные твердые растворы, упрочняя сплав при увеличении концентрации до 50%. Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, а также широко используются как электротехнические материалы.

Мельхиоры

МН19 - сплав имеет однофазную структуру, имеет довольно высокую прочность и пластичность  в отожженном состоянии. Упрочняется холодной пластической деформацией.

МНЖМц30-1-1 - введение железа и марганца увеличивает коррозионную стойкость в агрессивных средах.

Нейзильберы

МНЦ15-20 - введение цинка способствует повышению прочности по сравнению с мельхиором. Сплав не окисляется на воздухе.

МНЦС16-29-1,8 - добавление свинца улучшает обрабатываемость резанием. Из данного сплава изготавливают детали часовых механизмов.

Куниали

МНА13-3, МНА6-1,5 - данные сплавы упрочняются дисперсионным упрочнением, так как при совместном присутствии никеля и алюминия из пересыщенного твердого раствора при старении выделяются дисперсные частицы NiAl, Ni₃Al. Уменьшение температуры (-180°С) приводит к увеличению прочности и пластичности сплавов.

 

 

15. Титановые сплавы.

Конструкционные материалы на основе титана

Титан и сплавы на его основе находят применение как конструкционный материал в тех случаях, когда необходимо сочетание значительной прочности и достаточной вязкости с небольшой плотностью при  высокой коррозионной стойкости.

Температура плавления чистого титана 1668°С. При Т выше 882°С титан имеет ОЦК решетку (Ti_b), являющуюся основой для β-фазы, ниже 882°C ГПУ решетку (Ti_a), являющуюся основой для a-фазы.

Для титана характерны следующие свойства:

- относительно малая плотность (4,5 г/см³), обеспечивающая самую высокую среди сплавов удельную прочность и позволяющая использовать титановые сплавы в конструкциях приборов для летательных аппаратов,

- высокая коррозионная стойкость из-за присутствия на поверхности оксида TiO₂ (при температурах меньше 400°С).

- высокая хладостойкость вплоть до температур -269°C (d~15%), обеспеченная пластической деформацией в нескольких плоскостях скольжения дислокаций, а также за счет двойникования,

- возможность упрочнения термической обработкой для некоторых сплавов,

- коэффициент теплового расширения (9,2∙10^-6 1/К), близкий к коэффициенту теплового расширения стекол, что позволяет использовать Ti для спекания со стеклами или в сопряжении с  оптическими деталями.

К недостаткам титана как конструкционного материала следует отнести:

-      невысокий модуль упругости (E~120 ГПа), вынуждающий увеличивать габариты деталей для обеспечения необходимой жесткости, однако удельный модуль упругости титана (g~2600 км) соответствует удельному модулю упругости стали,

-      высокий коэффициент трения, уменьшаемый нанесением покрытий,

-      низкая теплопроводность, связанная с низкой электропроводностью, затрудняющая перераспределение тепла в объеме деталей,

-      неудовлетворительная обрабатываемость резанием, вызванная малой теплопроводностью, ухудшающей отвод тепла из зоны резания, и большой химической активностью,

-      необходимость применения защитных атмосфер при получении изделий методом литья и сварки из-за высокой химической активности титана.

 

Материалы на основе титана

Технический титан

Технический титан ВТ1-0 не содержит легирующих элементов, в отожженном состоянии имеет относительно невысокую прочность, определяемую содержанием примесей, например, кислорода и азота. Из технического титана получают полуфабрикаты и изделия штамповкой. Сваривается без потери пластичности в сварном шве. Значительно упрочняется при пластической деформации.

 

Сплавы на основе титана

Введение в титан легирующих элементов производится с целью увеличения прочности, жаропрочности, жесткости и коррозионной стойкости. Свойства сплавов указаны в таблице 6.

Все легирующие элементы в разной степени приводят к упрочнению титановых сплавов.

Основным легирующим элементом является Al, который вводится в состав почти всех титановых сплавов в количестве не более 7%. Атомы Al, входящие в a₁-твердый раствор замещения образуют сильные связи с Ti, что приводит к увеличению прочности, жесткости, несколько уменьшая пластичность. При концентрации более 7,5% из твердого раствора выпадает хрупкая a₂-фазы (Ti₃Al).

 

В зависимости от фазового состава титановые сплавы делятся на четыре группы:

a-, псевдо a -, (a + b)-, псевдо b-, b-сплавы.

 

a - сплавы

Данные сплавы являются a - твердыми растворами замещения легирующих элементов (Al, Sn, Zr) в ГПУ решетке Ti_a. В них отсутствуют выделение упрочняющих фаз и b-фаза. Сплавы этого типа:

-      не подвержены хладоломкости, однако сохраняется некоторая склонность к охрупчиванию при насыщении водородом,

-       хорошо свариваются, так как не выделяются вторичные фазы,

-      не упрочняются термической обработкой.

ВТ5 (5% Al) - появление сильных связей Ti-Al и склонности к упорядочению структуры повышает прочность, модуль упругости, уменьшает пластичность, поэтому деформируется только в горячем состоянии, в связи с этим применяется, в основном, для литых изделий точной и сложной формы (под маркой ВТ5Л).

ВТ5-1кт (5%Al, 2,5% Sn, пониженное содержание вредных примесей) - присутствие олова в твердом растворе еще больше увеличивает прочность, сохраняя достаточную трещиностойкость. Это связано с тем, что введение Sn уменьшает охрупчивающее действие Al. Сплав обладает оптимальным набором свойств, рекомендуется для работы от температур жидкого водорода (-250°С) до 450°С и хорошо сваривается.

Псевдо a - сплавы (содержат до 5% b -фазы)

Данные сплавы используются в отожженном состоянии и не упрочняются термической обработкой. Различают сплавы повышенной технологичности и жаропрочные сплавы.

ОТ4-1 (до 2,5%Al, до 2%Mn) обладает повышенной технологичностью, где Mn играет роль стабилизатора b-фазы, которая увеличивает пластичность. Сплав хорошо сваривается.

ВТ18У (7% Al, 3,5% Zr, 1%Mo, 2,5%Sn, 1%Nb, 0,2% Si) - сплав наибольшей жаропрочности (до 600°С) за счет оптимального набора легирующих элементов, надежно блокирующих дислокации при повышенных температурах. Сплав плохо сваривается

(a + b)- сплавы (около 10% b-фазы)

Данные сплавы применяются в отожженном или термически упрочненном состоянии. Они легируются b-стабилизаторами: Mo, Mn, V и другими элементами.

Упрочняющая термическая обработка состоит из закалки с температур b-области или (a + b) области с большим содержанием b-фазы. В результате охлаждения в воде (со скоростью больше критической) b-фаза или претерпевает мартенситное превращение и превращается в мартенсит a`, или фиксируется пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в b-фазе (b`). Последующее искусственное старение (~500°С) приводит к распаду или a`- или b`- фазы с образованием в конечном счете высокодисперсной a + b смеси, вызывающей повышение прочности (до 30%) с сохранением достаточной вязкости.

ВТ6 (~6%Al, ~4%V) - сплав, в котором присутствие V повышает не только прочность, но и пластичность, так как появляются дополнительные системы скольжения. Кроме этого ванадий затрудняет выделение хрупкой a₂-фазы (Ti₃Al), поэтому допускает повышенные концентрации алюминия. Хорошо деформируется в горячем состоянии.

ВТ16 (3,8%Al, 5%V, 5%Mo) - сплав, где благодаря присутствию b- стабилизаторов (V, Mo) до 30% увеличивается количество пластичной b-фазы. Это, наряду с пониженным содержанием Al, обеспечивает деформируемость в холодном состоянии.

ВТ9 (7%Al, 2%Zr, 5%V, 3,8%Mo, 0,35%Si) - сплав, содержащий много алюминия, кремний и цирконий, повышающие сопротивление ползучести. Молибден затрудняет образование хрупкой a₂-фазы, что сохраняет сплаву некоторую пластичность. Сплав обладает высокой жаропрочностью.

ВТ22 (5%Al, 5%V, 5%Mo, 1%Cr, 1%Fe) - за счет присутствия сильных упрочнителей (Fe и Cr) содержание легированной b-фазы увеличивается до 50%, что обеспечивает высокую прочность и достаточную пластичность уже в отожженном состоянии. Сплав обладает наибольшей среди титановых сплавов удельной прочностью. Обрабатывается давлением при высокой температуре и имеет удовлетворительную свариваемость.

 

Псевдо b-сплавы (преимущественно b- фаза)

Сплавы этого типа имеют пониженное содержание Al, наибольшую прочность приобретают после закалки с образованием b` - фазы и последующим старением. В закаленном состоянии подвергаются холодной обработке давлением. После упрочняющей термической обработки (закалка + старение) прочность увеличивается на ~60%.

ВТ15 (3%Al, 7%Mo, 10%Cr, 1%Zr) – присутствие молибдена и хрома обеспечивает большое упрочнение, но увеличивает плотность сплава.

ВТ-19 (3%Al, 5,5%Mo, 5,5%Cr, 1%Zr, 3,5%V) - сплав в результате старения приобретает наибольшую прочность

 

b-сплавы

Сплавы содержат большую концентрацию молибдена. Отличаются очень высокой коррозионной стойкостью, имеют значительную технологическую пластичность, хорошо свариваются.

4201 (33%Mo) - один из немногих b-сплавов, по свой коррозионной стойкости сопоставим с золотом, платиной.

 

 

16.  Основные особенности полимеров (исключая высокомодульные волокна) без наполнителей в сравнении с металлическими материалами. Строение полимеров.

Полимеры и материалы на их основе

Полимерами называются материалы естественного и искусственного происхождения, состоящие из макромолекул. На их основе получают пластмассы (пластики), резины (эластомеры), герметики и клеи.

В полимере могут содержаться растворенные в нем добавки и нерастворимые наполнители:

-       пластифицирующие добавки, понижающие температуру текучести и вязкость полимера при получении изделий, а также снижающие его хрупкость,

-       стабилизирующие добавки, замедляющие его старение, приводящее к изменению первоначальной структуры полимера,

-       отверждающие добавки, обеспечивающие появление поперечных связей между макромолекулами,

-       специальные добавки (например, антистатические) и красители,

-       наполнители (частицы, волокна и т.п.), призванные, в основном, улучшить механические свойства.

Основные особенности

полимеров (исключая высокомодульные волокна) без наполнителей в сравнении с металлическими материалами.

1. Небольшой модуль упругости  E (до 4 ГПа, а для магниевых сплавов 42 ГПа).

2. Сравнительно высокий коэффициент теплового расширения (больше 30∙10^-6 К^-1, для легкоплавких магниевых сплавов 26∙10^-6 К^-1).

3. Склонность к изменению структуры и свойств во времени (старение) под действием температуры, механических воздействий, электромагнитных излучений, радиации, некоторых агрессивных химических реагентов.

4. Склонность к ползучести – нарастанию деформации во времени при постоянных условиях (температуре и нагрузке).

5. Более высокая, чем у металлов коррозионная стойкость.

6. Относительно невысокая прочность (до 180 МПа, а для литейных магниевых сплавов выше 200 МПа, для сталей более 1000 МПа).

7. Относительно малая плотность (от 0,9 до 2,2 г/см³, для магниевых сплавов 1,74 г/см³ , для сталей 7,9 г/см³).

8. Низкая теплопроводность.

9. Относительно низкая для большинства полимеров теплостойкость.

10. Отсутствие электрической проводимости.

11. Хорошая технологичность.

12. Значительное изменение объема (усадка) при литье.

 

Полимеры находят применение в тех случаях, когда требуется:

-      небольшая масса получаемых изделий,

-      относительно низкая стоимость получения готовых деталей (при крупносерийном производстве),

-      высокая коррозионная стойкость,

-      электроизоляционные свойства.

 

Строение полимеров

При рассмотрении строения полимеров можно выделить:

-      внутреннее строение макромолекул,

-      строение макромолекулы, как целого,

-      надмолекулярное строение, связанное с взаимным расположением макромолекул.

 

Внутреннее строение

Макромолекула представляет собой соединение в виде гибкой цепи из большого количества повторяющихся структурных единиц – звеньев (рис.37а).

 

 

                  Рис. 37. Строение макромолекулы а) внутреннее (полиэтилен), б), в), г) как целого

Внутри звеньев и между звеньями в макромолекуле существуют ковалентные связи, между макромолекулами более слабые молекулярные, но также возможно присутствие и других видов связи. Характерные свойства полимеров, как твердого тела, начинают проявляться при молекулярной массе макромолекулы больше 10 000 а.е.м. (высокомолекулярные полимеры), причем увеличение молекулярной массы приводит к повышению прочности и термической стойкости полимеров.

Строение макромолекулы, как целого

Макромолекулы, как целое, могут иметь следующее строение (рис. 37, б, в, г)):

б) линейное в виде длинной гибкой цепи без ответвлений (вернее с малым количеством ответвлений),

в) разветвленное, при котором присутствуют ответвления от основной цепи, чаще всего возникающие, если полимеризация происходит при высокой температуре,

г) сетчатое, при котором между линейными макромолекулами или отдельными ячейками сетки существуют сшивки с помощью ковалентных связей.

Строение макромолекул влияет на их поведение при нагреве, по которому различают термопластичные и термореактивные полимеры.

Термопластичные полимеры состоят из линейных и разветвленных макромолекул. Эти полимеры размягчаются при нагреве, переходя в текучее состояние, и восстанавливают твердое состояние при охлаждении.

Термореактивные полимеры содержат сетчатые структуры. Они способны при нагреве сохранять твердое состояние вплоть до термического разложения.

Гибкость основной цепи обеспечивается за счет вращения участков звена макромолекулы в пределах угла связи C–C (рис. 38, а), требующего для своего осуществления термического возбуждения, достаточного для преодоления потенциального барьера вращения.

 

а)                                                      б)

Рис. 38. Гибкость макромолекулы; а) вращение участка звена макромолекулы; б) сегменты макромолекулы

При появлении необходимого теплового возбуждения происходит смещение вполне определенного для данной макромолекулы участка, называемого сегментом (рис. 38, б), время оседлой жизни которого ~10^-5 c. Чем больше размер сегмента, тем более жесткой является макромолекула и тем меньше подвижность макромолекулы.

Степень гибкости и подвижности, а также форма макромолекулы определятся следующими факторами:

а) температурой - чем ниже температура, тем меньше возможности для поворота звеньев, так как процесс вращения является термоактивируемым,

б) жесткостью макромолекулы, растущей с ростом размера сегмента. В свою очередь размер и жесткость сегмента увеличивается:

- с появлением в главной цепи двойных связей C=C, вокруг которых вращение звеньев не происходит,

- при наличии в главной цепи или в боковых группах крупных скоплений атомов, например, бензольных колец или метиловых групп (CH₃), мешающих повороту вокруг связей,

- при усилении взаимодействия между частями макромолекулы и с другими макромолекулами, например, из-за присутствия полярных заместителей в боковых группах или свободных радикалов,

в) термодинамической вероятностью существования данной конформации макромолекулы (формы макромолекулы, изменяющейся под действием тепловых возбуждений, без разрыва химических связей), из чего следует, что наиболее вероятной в условиях хаотического теплового движения является конформация в виде свернутого клубка.

 

Надмолекулярное строение полимера

Надмолекулярное строение полимерного материала определяет взаимное расположение макромолекул. При этом различают:

- кристаллическое строение, формирующееся как наиболее энергетически равновесное, но не заполняющее весь объем в силу высокой вязкости полимера, связанной с большой длиной макромолекул и несимметричностью многих макромолекул,

- аморфное (неупорядоченное) строение, характерное для полимеров в большей или меньшей степени, в зависимости от регулярности и формы макромолекул.

Наличие кристаллической фазы в полимерах способствует увеличению плотности упаковки макромолекул и усилению взаимодействия между ними. Это приводит:

- к повышению жесткости, прочности, плотности,

- уменьшению разбухания полимера в растворителях,

- снижению прозрачности полимера, так как границы кристаллических областей вызывают рассеяние света (однако при очень малых размерах кристаллов прозрачность восстанавливается).

Чем больше ответвлений от основной цепи и сшивок между цепями, тем меньше возможности для формирования кристаллического строения (однако наличие сшивок в тоже время способствует упрочнению полимеров).

Аморфное строение характерно для полимеров, так как даже при максимальной кристаллизации доля кристаллов составляет не более 90%. Аморфность полимеров объясняется:

- в первую очередь тем, что длинные макромолекулы в условиях интенсивного теплового движения стремятся образовать структуру спутанных клубков,

- несимметричностью многих макромолекул, не позволяющей им образовать упорядоченную структуру,

- повышенным взаимодействием между макромолекулами, увеличивающим вязкость полимера.

Влияние внешних факторов на структуру и свойства полимеров

Нагрев в малой степени уменьшает жесткость густосшитых полимеров и в наибольшей степени аморфных линейных полимеров, так как в последнем случае сильнее проявляется влияние теплового движения на ослабление межмолекулярного взаимодействия.

Повышение температуры и облучение может привести как к деструкции (распаду) главных цепей, так и к образованию сетчатой структуры. Это вызывает изменение структуры и свойств во времени — старение полимеров. Распад макромолекул приводит к появлению более низкомолекулярных соединений, что вызывает превращение полимера в смолу. Сшивка макромолекул с образованием сетчатой структуры охрупчивает полимер. Наименее устойчив против УФ излучения полиэтилен, в который специально для повышения стойкости вводят, в частности, сажу, поглощающую большую часть излучения.

Полимеры обладают большой химической стойкостью, но они подвержены окислению, особенно при повышенных температурах. Некоторые полимеры, например, полиамиды гигроскопичны, то есть поглощают воду, что уменьшает их прочность, но увеличивает ударную вязкость. Полиэтилен низкой плотности при нагреве набухает в контакте с углеводородными маслами. Полиэтилентерефталат подвергается постепенному разрушению путем гидролиза, особенно в присутствии кислой или щелочной среды.

Если макромолекулы полимеров полярны или слабополярны, то для них характерна некоторая гигроскопичность, повышенные диэлектрические потери в переменных электрических полях, пониженное электрическое сопротивление