Лекція 11 – Магній, титан, берилій.

 

Титан и его сплавы

Титан, твердый серебристо-серый металл, в природе находится в качестве составного элемента многих минералов, в особенности в ильмените и рутиле.

Титан имеет две полиморфные модификации: a -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой, и высокотемпературную модификацию b -титана с кубической объемно-центрированной решеткой при 900 ° С. Температура полиморфного a « b -превращения составляет 882 ° С

Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения — кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается

Особенно вреден водород, вызывающий водородную хрупкость титановых сплавов. Водород попадает в металл при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в a -титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение. Поэтому содержание примесей, особенно газов, в титане и титановых сплавах (табл. 17.1, 17.2) строго ограничено.

Хотя титан в полтора раза тяжелее алюминия, но за счет его очень высокой прочности, можно значительно уменьшить толщину изделий по-сравнению с алюминием. Кроме того титан не накапливает усталостных напряжений. Наконец титан почти не царапается, не коррозирует (потому, что его поверхность защищена пленкой оксида), поэтому титановые изделия обычно не красят, и они имеют характерный цвет со слабым блеском.

При повышении температуры до 250 ° С прочность титана снижается почти в 2 раза. Однако жаропрочные Ti-сплавы по удельной прочности в интервале температур 300–600 ° С не имеют себе равных; при температурах выше 600 ° С сплавы титана уступают сплавам на основе железа и никеля.

Процесс получения титана довольно сложен (его не выплавляют подобно прочим металлам, а выделяют из газа (!), образующегося при воздействии на руду кислотами). Механическая обработка титана также сложна. Титан очень пластичный материал, что позволяет изготавливать из него изделия сложной формы методом экструзии, но при этом титан очень твердый и вязкий. Титан обладают рядом преимуществ по-сравнению с другими материалами. Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746–79) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок:

ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-ТВ. Цифры означают твердость по Бринеллю НВ, ТВ — твердый.

Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в пресной и морской воде, устойчивы против коррозии, а также в кислотах органического происхождения.

Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его плавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов.

При технологических и эксплуатационных нагревах, особенно выше 550–600 ° С, необходимо принимать меры для защиты титана от окисления и газонасыщения .

Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.

Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ

Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные; по уровню механических свойств — на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности, средней прочности, высокопрочные; по условиям применения — на хладостойкие, жаропрочные, коррозионностойкие. По способности упрочняться термообработкой они делятся на упрочняемые и неупрочняемые.

Литейные титановые сплавы. По сравнению с деформируемыми литейные сплавы имеют меньшую прочность, пластичность и выносливость, но более дешевы. Сложность литья титановых сплавов обусловлена активным взаимодействием титана с газами и формовочными материалами. Литейные сплавы ВТ5Л, ВТ14Л и ВТЗ-1Л по составу в основном совпадают с аналогичными деформируемыми сплавами (в то же время сплав ВТ14Л дополнительно содержит железо и хром).

Высокими технологическими свойствами обладает сплав ВТ5Л: он пластичен, не склонен к образованию трещин при литье, хорошо сваривается. Фасонные отливки из сплава ВТ5Л работают при температурах до 400 °C. Недостатком сплава является его невысокая прочность (800 МПа). двухфазный литейный сплав ВТ14Л подвергают отжигу при 850 °C вместо упрочняющей термической обработки, резко снижающей пластичность отливок.

Деформируемые титановые сплавы

Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в < 700 МПа, а именно: a -сплавы марок ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и сплавы ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti—Al—Mn), АТ3 (система Ti—Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B), относящиеся к псевдо-a -сплавам с небольшим количеством b -фазы. Характеристики прочности этих сплавов выше, чем чистого титана благодаря примесям в сплавах ВТ1-00 и ВТ1-0 и незначительному легированию a - и b -стабилизаторами в сплавах ОТ4-0, ОТ4-1, АТ3.

Эти сплавы отличаются высокой пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, что позволяет получать все виды полуфабрикатов: фольгу, ленту, листы, плиты, поковки, штамповки,

Указанные сплавы хорошо свариваются сваркой плавлением (аргонодуговая, под флюсом, электрошлаковая) и контактной (точечная, роликовая). При сварке плавлением прочность и пластичность сварного соединения практически аналогичные основному металлу.

Коррозионная стойкость данных сплавов высокая во многих средах (морская вода, хлориды, щелочи, органические кислоты и т. п.), кроме растворов HF, H2SO4, HCl и некоторых других.

Применение. Эти сплавы широко применяются как конструкционные материалы для изготовления практически всех видов полуфабрикатов, деталей и конструкций, включая сварные. Наиболее эффективно их применение в авиационно-космической технике, в химическом машиностроении, в криогенной технике (табл. 17.9.), а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300–350 ° С.

Титановые сплавы средней прочности

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в = 750–1000 МПа, а именно: a -спла-вы марок ВТ5 и ВТ5-1; псевдо-a -сплавы марок ОТ4, ВТ20; (a + b )-сплавы марок ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии.

Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С, содержащие небольшое количество b -фазы (2–7 % b -фазы в равновесном состоянии), упрочняющей термообработке не подвергаются и используются в отожженном состоянии. Сплав ВТ6С иногда применяют в термически упрочненном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 используют как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии. В последнем случае их прочность становится выше 1000 МПа, и они будут рассмотрены в разделе, посвященном высокопрочным сплавам.

Рассматриваемые сплавы, наряду с повышенной прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Исключение составляет сплав ВТ5, из которого листы и плиты не изготавливают из-за невысокой технологической пластичности.

Все среднепрочные сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, применяемыми для титана. Прочность и пластичность сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, близка к прочности и пластичности основного металла (для сплавов ВТ20 и ВТ6С это соотношение составляет 0,9–0,95).

Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая. Коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.

Применение. Данные сплавы рекомендуется применять для изготовления изделий листовой штамповкой (ОТ4, ВТ20), для сварных деталей и узлов, для штампосварных деталей (ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20) и др. Сплав ВТ6С широко применяется для изготовления сосудов и емкостей высокого давления. Детали и узлы из сплавов ОТ4, ВТ5 могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно — до 750 ° С; из сплавов ВТ5-1, ВТ20 — длительно при температурах до 450–500 ° С и кратковременно — до 800–850 ° С. Сплавы ВТ5-1, ОТ4, ВТ6С также рекомендуются для применения в холодильной и криогенной технике.

Высокопрочные титановые сплавы

К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в > 1000 МПа, а именно (a + b )-сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22. Высокая прочность в этих сплавах достигается упрочняющей термообработкой (закалка + старение). Исключение составляет высоколегированный сплав ВТ22, который даже в отожженном состоянии имеет s в > 1000 МПа.

Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них различные полуфабрикаты: листы (кроме ВТ3-1), прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (s в » 850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями.

рассматриваемые сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг, а для сплава ВТ14 (при толщине свариваемых деталей 10–18 мм) рекомендуется проводить закалку с последующим старением. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла. Пластичность сварного соединения близка к пластичности основного металла.

Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно проводить как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.

Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах, как и технический титан.

Берилій та його сплави

1. Властивості берилію

2. Сплави на основі берилію

3. Використання берилія та його властивості Бериллий и его сплавы

Бериллий был открыт в 1798 г. французским химиком Вокленом. Воклен выделил только окись металла или, как говорили тога "землю", и убедился, что она дает ряд сладковатых соединений, поэтому и назвал ее "глициной" (от греческого слова "гликос" - сладкий), а сам металл получил название "глициний". Ныне это на­звание сохранилось только во Франции.

Свое нынешнее название элемент №4 получил от основного минерала берилла, который применяется для его производства. С предложением назвать элемент №4 бериллием еще в 1814 году вы­ступил харьковский профессор Ф.И. Гизе.

Бериллий - типично редкий элемент. На тонну земного веще­ства в среднем приходится лишь 4,2 г бериллия. Это очень немного, но и не так уж мало, если вспомнить, что такого известного элемен­та, как свинец, в земной коре вдвое меньше, чем бериллия.

Обычно бериллий встречается как незначительная примесь в различных минералах земной коры. Таких минералов известно бо­лее 30, но промышленное значение приобрел пока что один берилл, который относится к полудрагоценным камням, самым известным среди которых считаются изумруд и аквамарин. _п

Бериллий - это металл серого цвета напоминающий по внеш­нему виду сталь; температура плавления 1283°С

У бериллия высокий модуль нормальной упругости - 309 ГПа, что при низкой плотности 1850 кг/м³ обеспечивает бериллию самую высокую удельную жесткость среди всех конструкционных мате­риалов.

Основою массу полуфабрикатов и заготовок из бериллии производят методом порошковой металлургии. Исходные порошки промышленного бериллия имеют разную дисперсность: от 50 ли 500 мкм.

Прессование проводят в вакууме или среде инертного газа при температуре 1000-1100.°С и давлении 1-7 МПа. Чем выше дисперс­ность порошка, тем прочнее полуфабрикат. При дисперсности исходного порошка 50 мкм, например, после горячего прессования получаем σ_В-320 МПа и δ=2%.

На упрочнение бериллия при выдавливании большое влияние оказывают температура прессования и степень деформации. При соответствующем выборе параметров процесса σ_в=600...700 МПа и δ=10... 12%. Эти данные получаются при испытании вдоль выдав­ливания, При испытании поперек выдавливания механические характеристики уменьшаются примерно в два раза.

Тем не менее, если учесть низкую плотность бериллия, у него хорошие удельные характеристики.

Бериллий превосходит все другие металлы и по удельной теп­лоемкости, которая более чем в три раза теплоемкости стали.

Теплоемкость у бериллия высокая, почти такая же, как у алюминия.

Практически не отличается бериллий от алюминия и по коррозионной стойкости на воздухе, обнаруживая заметные признаки коррозии лишь при нагревании выше 700°С.

До температуры 500-600⁰С удельная прочность бериллия выше, чем у всех других известных металлов.

Сочетание малой плотности с большим модулем упругости I обусловливает большую скорость распространения в нем звука, равную 12600 м/с.

У бериллия очень высокая скрытая теплота плавления, примерно в 3,5 раза больше, чем у стали. Плавление бериллия очень энергоемкий процесс.

Удельная теплоемкость у бериллия в 2,5 раза выше, чем у алюминия, и в 8 раз выше, чем у стали.

Основные недостатки бериллия - токсичность, низкая пла­стичность и анизотропия механических свойств в полуфабрикатах, получаемых обработкой давлением.

Больше всего неприятностей доставляет токсичность берил­лия. Все растворимые соединения бериллия ядовиты и у людей, за­нятых его производством, нередко появляется хроническое заболе­вание "бериллиоз", основным признаком которого является рас­стройство дыхания. Иногда наблюдается воспаление легких, как при вдыхании фосгена, возникает дерматит, незлокачественные язвы и опухоли.

По американским данным, концентрация бериллия в атмосфе­ре цеха не должна превышать за рабочий день (8 часов) 2 мкг/м³ Готовые, обработанные детали из бериллия нетоксичны.

Низкая пластичность и анизотропия бериллия преодолеваются различными приемами, во всяком случае, эти недостатки поддаются некоторому управлению.

Сплавы на основе бериллия

Механические и технологические свойства бериллия можно улучшить путем легирования.

Для авиационной техники, где важнейшим фактором являются весовые характеристики сплава, наибольший интерес представляют сплавы бериллия с алюминием и магнием.

Сплавы системы Ве-А1 - сплавы эвтектического типа, причем эвтектика практически состоит из чистою алюминия (98,6%) и име­ет температуру плавления 644°С. При достаточно больших добав­ках алюминия (более 20%) к бериллию образуется пластичная алю­миниевая эвтектика (Аl+Ве), которая является основной структур­ной составляющей, связывающей зерна бериллия.

При такой структуре, несмотря на наличие твердого и хрупко­го бериллия, обеспечивается возможность осуществления пластической деформации сплавов и получения из них различных полуфабрикатов и изделий.

В настоящее время и у нас, и за рубежом находят промышлен­ное применение сплавы бериллия с содержанием алюминия от 20 до 45%. Отечественные сплавы маркируются буквами АБ, за рубе­жом они получили название -локэллой.

Сплавы производят методом порошковой металлургии и в конструкциях их используют в отожженном состоянии. Отжиг про­водится при температуре 500-600°С с выдержкой 1,5-2 часа. На­пример, прессованный пруток после отжига при температуре 500°С имеет следующие механические свойства:

Преимущество этих сплавов в возможности их соединения всеми видами сварки, пайки и склеивания, получения методами объемной штамповки деталей самой сложной формы. У них хоро­шая коррозионная стойкость. Учитывая высокую стоимость берил­лия, сплавы применяют только в тех случаях, когда определяющим конструкционным фактором является жесткость.

Сплавы системы Ве-А1-Мg были разработаны в результате стремления частично заменить бериллий более легким и дешевым металлом магнием. В настоящее время практическое применение получили сплавы, содержащие 26-30% Ве, 5-10% Мg, а осталь­ное Аl.

Структура таких сплавов состоит из зерен хрупкого бериллия и эвтектики, образованной твердым раствором на основе алюминия и бериллия. Основу эвтектики, как и двойных сплавов, составляет пластичный алюминиевый твердый раствор. Поэтому сплавы, не­смотря на гетерогенную структуру и присутствие хрупкого берил­лия, имеют хорошую пластичность и удовлетворительно обрабаты­ваются давлением.

Легирование (А1-Ве)-сплавов магнием способствует значи­тельному повышению их прочности. Например, при введении 5% Мg в сплав (Аl+30% Ве) предел прочности повышается с 200 до 530 МПа при одновременном повышении удлинения от 18 до 25%.

Основную массу полуфабрикатов из этих сплавов применяют в отожженном состоянии.

Сплавы бериллия с β-стабилизаторами. Высокотемператур­ная β–модификация бериллия, обладающая повышенной пластич­ностью, устойчива в узком интервале температур (1250-1283°С). Добавки некоторых элементов к бериллию, стабилизирующих β-фазу, позволяют расширить температурную область существования β-фазы с решеткой К8 и производить горячую обработку давлением в более широком температурном интервале

В качестве β-стабилизаторов используются такие легирующие элементы, как олово, медь, никель, кадмий. Пока что эти сплавы находятся в стадии исследования и конкретные рекомендации по и\ широкому использованию отсутствуют.