8. Цветные металлы и сплавы

Как указывалось выше, все металлы и сплавы на их основе делятся на две группы – черные и цветные. К черным относится железо и сплавы на основе железа – это стали и чугуны, остальные металлы и сплавы на их основе относятся к цветным. Самыми распространенными являются сплавы на основе титана, алюминия, магния, меди. Они являются более дорогими и дефицитными по сравнению с черными металлами. Область их применения в технике непрерывно расширяется. Особенно перспективны материалы, которые дают возможность снизить массу конструкций при повышении прочности и жесткости. Высокая коррозионная стойкость цветных металлов обусловлена образованием на поверхности металла плотной пленки оксида. Эта пленка обладает хорошим сцеплением с металлом благодаря близости их удельных объемов и предохраняет металл от дальнейшей коррозии. При нагреве цветных металлов выше некоторой предельной температуры они становятся химически активными элементами.

8.1. Титан и его сплавы

Титан – легкий металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 1671 °С. Имеет полиморфные модификации: до 882 °С устойчива -фаза с ГПУ решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм; выше 882 °С – -фаза с ОЦК решеткой (а = 0,332 нм при 900 °С). Плотность -фазы при комнатной температуре – 4,5 г/см³. Механические свойства титана (_в = 300 МПа, твердость 100 НВ) сильно зависят от его чистоты и состояния (табл. 8.1).

Таблица 8.1

Зависимость твердости титана от его чистоты

Ti, %	99,99	99,8	99,6	99,5	99,4
НВ	100	145	165	195	225

Чистый титан сохраняет высокую пластичность (δ = 20 %) при охлаждении до температуры жидкого гелия (–269 °С), но при попадании в него всего 0,03 % водорода, 0,2 % азота или 0,7 % кислорода теряет способность к пластической деформации.

Титановую губку (полуфабрикат для получения титана и его сплавов) маркируют буквами ТГ, затем следует число, показывающее твердость выплавленных из нее эталонных образцов (ТГ100, ТГ110 и т. д.). Очевидно, чем больше число твердости, тем больше в титане примесей.

Титановые сплавы. Примеси образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру  превращения.

Элементы, повышающие температуру  превращения, называются -стабилизаторами (рис. 8.1,а). Практическое значение имеет только легирование алюминием. Это сплавы средней прочности, они не упрочняются термической обработкой, имеют отличные литейные свойства, хорошо свариваются. Низколегированные -сплавы и технический титан поддаются листовой штамповке в холодном состоянии.

Э лементы, понижающие температуру превращения , называются -стабилизаторами (рис. 8.1,б). Некоторые -стабилизаторы образуют интерметаллические соединения. При охлаждении -фаза претерпевает эвтектоидное превращение:

   + TiМе

(рис. 8.1,в). Сплавы на основе -структуры пластичны (поддаются холодной листовой штамповке), хорошо свариваются. После старения приобретают высокую прочность, но выше 300 °С становятся хрупкими. Нейтральные стабилизаторы (рис. 8.1,г) не влияют на фазовый состав сплавов.

Двухфазные сплавы ( + ) – большая группа промышленных сплавов, отличающихся более высокой пластичностью, чем -сплавы.

Двойные сплавы могут термически упрочняться, обладают высокой жаропрочностью, но плохо свариваются. Рекристаллизационный отжиг титана и его сплавов проводят при 700–800 °С, что значительно превосходит температуру рекристаллизации (500 °С). Эта температура достаточна для быстрого устранения наклепа. Наиболее важна термическая обработка, в результате которой измельчаются зерна при фазовой перекристаллизации и повышаются пластические свойства. Механические свойства закаленного сплава определяются соотношением  и β-фаз, причем упрочнение достигается главным образом за счет -фазы (искаженная '-фаза тоже мартенситного происхождения). Количество -фазы зависит от температуры нагрева под закалку, скорости охлаждения и количества легирующих элементов (β-стабилизаторов). Однако упрочнение закаленных сплавов, по сравнению с отожженными, невелико.

Основной прирост прочности создается за счет отпуска (старения) закаленного сплава или изотермической обработки.

Для повышения износостойкости сплавы подвергают цементации или азотированию. Основной недостаток титановых сплавов – плохая обрабатываемость резанием и низкие антифрикционные свойства.

По способу получения изделий различаются деформируемые и литейные сплавы. Титановые сплавы широко применяются в ракето- и авиастроении (корпуса двигателей, сопла, детали крепежа), в химическом производстве (компрессоры, клапаны, криогенная техника), в судостроении (гребные винты, обшивка морских судов).