Доклад на тему Сплавы металлов 9 класс сообщение

СПЛАВЫ,
материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Многие металлические сплавы имеют один металл в качестве основы с малыми добавками других элементов. Самый распространенный способ получения сплавов – затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. Существуют и другие методы производства – например, порошковая металлургия. В принципе, четкую границу между металлами и сплавами трудно провести, так как даже в самых чистых металлах имеются «следовые» примеси других элементов. Однако обычно под металлическими сплавами понимают материалы, получаемые целенаправленно добавлением к основному металлу других компонентов.
Также по теме:
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ

Почти все металлы, имеющие промышленное значение, используются в виде сплавов (см

. табл. 1, 2). Так, например, все выплавляемое железо почти целиком идет на изготовление обычных и легированных сталей, а также чугунов. Дело в том, что сплавлением с некоторыми компонентами можно существенно улучшить свойства многих металлов. Если для чистого алюминия предел текучести составляет всего лишь 35 МПа, то для алюминия, содержащего 1,6% меди, 2,5% магния и 5,6% цинка, он может превышать 500 МПа. Аналогичным образом могут быть улучшены электрические, магнитные и термические свойства. Эти улучшения определяются структурой сплава – распределением и структурой его кристаллов и типом связей между атомами в кристаллах.

Многие металлы, скажем магний, выпускают высокочистыми, чтобы можно было точно знать состав изготавливаемых из него сплавов. Число металлических сплавов, применяемых в наши дни, очень велико и непрерывно растет. Их принято разделять на две большие категории: сплавы на основе железа и сплавы цветных металлов. Ниже перечисляются наиболее важные сплавы промышленного значения и указываются основные области их применения.

Сталь.

Также по теме:

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ПРИРОДЕ – КРУГОВОРОТ И МИГРАЦИЯ

Сплавы железа с углеродом, содержащие его до 2%, называются сталями. В состав легированных сталей входят и другие элементы – хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно было бы перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25% углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, а сталь с более высоким содержанием углерода (более 0,55%) идет на изготовление таких низкоскоростных режущих инструментов, как бритвенные лезвия и сверла. Легированные стали находят применение в машиностроении всех видов и в производстве быстрорежущих инструментов. См. также

СТАНКИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ.

Какие бывают сплавы?

На данный момент существует множество сплавов, которые применяются во всех отраслях производства. Сплавы классифицируются по различным признакам.
По способу изготовления

1. Литые получают с помощью кристаллизации смешанных расплавов.
2. Порошковые получают прессованием смеси порошков с последующим спеканием.

По методам получения

1. Литейные (чугун).
2. Деформируемые (сталь).
3. Порошковые (сплавы, полученные из порошков и керамики).

Сплавы на основе меди.

В основном это латуни, т.е. медные сплавы, содержащие от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20–36% Zn – желтой (альфа-латунью). Латуни применяются в производстве различных мелких деталей, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Сплавы меди с оловом, кремнием, алюминием или бериллием называются бронзами. Например, сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы. Фосфористая бронза (медь с 5% олова и следовыми количествами фосфора) обладает высокой прочностью и применяется для изготовления пружин и мембран.

Основные виды сплавов

Существуют различные виды сплавов металлов, однако стоит поговорить только об основных.

Самыми популярными считаются составы на основе железа. К ним относится сталь, чугун и ферриты. Если с первыми двумя сплавами всё понятно, то стоит кратко сказать о том, что такое ферриты. Это соединения металлов, в которых содержится большое количество углерода. Их используют для изготовления катушек индуктивности. Также стоит упомянуть другие основные сплавы металлов.

Изделия выполненные из металлических сплавов

Магниевые сплавы

Обладают высокой прочностью при малом размере и массе заготовки. Слабо защищены от коррозии, не обладают достаточной пластичностью для удобной обработки. Используются в машиностроении. Главная особенность сплавов на основе магния — свойство поглощать вибрации подвижных элементов.

Бериллиевые сплавы

Устойчивы к коррозийным процессам. Бериллий чаще всего смешивается с медью. Такая смесь называется Бериллиевой бронзой. Её используют для изготовления шестерней, контактов, часовых механизмов, подшипников.

Цинковые сплавы

Особенности этих соединений заключаются в низкой температуре плавления, высоким показателе пластичности, устойчивости к коррозиям. Используются для изготовления подшипников, бытовой техники, в машиностроении.

Титановые сплавы

Тяжелый в обработке материал. Сплавы на его основе обладают малым весом, высокой прочностью, стойкостью к воздействию факторов окружающей среды. Чтобы облегчить обработку металла, его необходимо нагреть. Используется в различных направлениях промышленности.

Алюминиевые сплавы

Сплавы на основе этого материала считаются наиболее популярными. Встретить их можно в большинстве сфер жизни человека. У них такие преимущества:

• коррозийная устойчивость;
• малый вес;
• пластичность;
• электропроводность.

Главный недостаток этого материала — низкая температура плавления. Уже к 200 градусам, свойства сплава ухудшаются. Алюминиевые сплавы используются в различных направлениях промышленности. Благодаря малому удельному весу алюминий получил большую популярность в строительстве самолётов.

Алюминий (Фото: pixabay.com)

Медные сплавы

Большинство соединений на основе меди представляют собой латунь. В зависимости от содержания меди в составе сплава выделяется красная и жёлтая латунь. Из этого материала изготавливаются маленькие детали для высокоточных и миниатюрных механизмов. Обладает высоким показателем пластичности, благодаря чему с соединениями на основе меди легко работать.

Свинцовые сплавы.

Обычный припой (третник) представляет собой сплав примерно одной части свинца с двумя частями олова. Он широко применяется для соединения (пайки) трубопроводов и электропроводов. Из сурьмяно-свинцовых сплавов делают оболочки телефонных кабелей и пластины аккумуляторов. Сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом могут иметь точку плавления, лежащую значительно ниже точки кипения воды (~70° C); из них делают плавкие пробки клапанов спринклерных систем противопожарного водоснабжения. Пьютер, из которого ранее отливали столовые приборы (вилки, ножи, тарелки), содержит 85–90% олова (остальное – свинец). Подшипниковые сплавы на основе свинца, называемые баббитами, обычно содержат олово, сурьму и мышьяк.

Состав и свойства

Строение и свойства железа обуславливают его популярность относительно разных отраслей промышленности. Состав представляет собой основной материал с примесями другим веществ. Количество дополнительных металлов не превышает 0,8%. К основным параметрам относятся:

1. Температура плавления — 1539 градусов по Цельсию.
2. Твердость по Бринеллю — 350–450 Мн/кв. м.
3. Удельная масса — 55,8.
4. Плотность — 7,409 г/куб см.
5. Теплопроводность — 74,04 Вт/(м·К) (при комнатной температуре).
6. Электропроводность — 9,7·10-8 ом·м.

Нельзя забывать, что железо считается одним из важнейших элементов в организме человека. Однако он крайне сложно усваивается из пищи. Суточная норма, которую должен употреблять мужчина — 10 мг. Женщины должны потреблять 20 мг этого вещества, чтобы организм работал нормально.

Алюминиевые сплавы.

К ним относятся литейные сплавы (Al – Si), сплавы для литья под давлением (Al – Mg) и самозакаливающиеся сплавы повышенной прочности (Al – Cu). Алюминиевые сплавы экономичны, легкодоступны, прочны при низких температурах и легко обрабатываемы (они легко куются, штампуются, пригодны для глубокой вытяжки, волочения, экструдирования, литья, хорошо свариваются и обрабатываются на металлорежущих станках). К сожалению, механические свойства всех алюминиевых сплавов начинают заметно ухудшаться при температурах выше приблизительно 175° С. Но благодаря образованию защитной оксидной пленки они проявляют хорошую коррозионную стойкость в большинстве обычных агрессивных сред. Эти сплавы хорошо проводят электричество и тепло, обладают высокой отражательной способностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми продуктами (поскольку продукты коррозии бесцветны, не имеют вкуса и нетоксичны), взрывобезопасны (поскольку не дают искр) и хорошо поглощают ударные нагрузки. Благодаря такому сочетанию свойств алюминиевые сплавы служат хорошими материалами для легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, в пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве осветительных отражателей, технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.

Примесь железа, от которой трудно избавиться, повышает прочность алюминия при высоких температурах, но снижает коррозионную стойкость и пластичность при комнатной температуре. Кобальт, хром и марганец ослабляют охрупчивающее действие железа и повышают коррозионную стойкость. При добавлении лития к алюминию повышаются модуль упругости и прочность, что делает такой сплав весьма привлекательным для авиакосмической промышленности. К сожалению, при своем превосходном отношении предела прочности к массе (удельной прочности) сплавы алюминия с литием обладают низкой пластичностью.

Цинковые сплавы

Сплавы на основе цинка отличаются низкими температурами плавления, стойкостью к коррозии и отличной обрабатываемостью. Они применяются в машиностроении, производстве вычислительной и бытовой техники, в издательском деле. Хорошие антифрикционные свойства позволяют использовать цинковые сплавы для вкладышей подшипников.

Титан не самый доступный металл, он сложен в производстве и тяжело обрабатывается. Эти недостатки искупаются его уникальными свойствами титановых сплавов: высокой прочностью, малым удельным весом, стойкостью к высоким температурам и агрессивным средам. Эти материалы плохо поддаются механической обработке, но зато их свойства можно улучшить с помощью термической обработки.

Легирование алюминием и небольшими количествами других металлов позволяет повысить прочность и жаростойкость. Для улучшения износостойкости в материал добавляют азот или цементируют его.

Область применения титановых сплавов

Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:

1. аэрокосмическая;
2. химическая;
3. атомная;
4. криогенная;
5. судостроительная;
6. протезирование.

Магниевые сплавы.

Магниевые сплавы легки, характеризуются высокой удельной прочностью, а также хорошими литейными свойствами и превосходно обрабатываются резанием. Поэтому они применяются для изготовления деталей ракет и авиационных двигателей, корпусов для автомобильной оснастки, колес, бензобаков, портативных столов и т.п. Некоторые магниевые сплавы, обладающие высоким коэффициентом вязкостного демпфирования, идут на изготовление движущихся частей машин и элементов конструкции, работающих в условиях нежелательных вибраций.

Магниевые сплавы довольно мягки, плохо сопротивляются износу и не очень пластичны. Они легко формуются при повышенных температурах, пригодны для электродуговой, газовой и контактной сварки, а также могут соединяться пайкой (твердым), болтами, заклепками и клеями. Такие сплавы не отличаются особой коррозионной стойкостью по отношению к большинству кислот, пресной и соленой воде, но стабильны на воздухе. От коррозии их обычно защищают поверхностным покрытием – хромовым травлением, дихроматной обработкой, анодированием. Магниевым сплавам можно также придать блестящую поверхность либо плакировать медью, никелем и хромом, нанеся предварительно покрытие погружением в расплавленный цинк. Анодирование магниевых сплавов повышает их поверхностную твердость и стойкость к истиранию. Магний – металл химически активный, а потому необходимо принимать меры, предотвращающие возгорание стружки и свариваемых деталей из магниевых сплавов. См. также

СВАРКА.

Характеристики сплавов

Для всех сплавов характерны блеск, проводимость тепла и электрического тока, пластичность и др. Структура металлов определяет различные свойства:

• природа и количество металлов и неметаллов в сплавах (плотность, температура плавления и испарения и др.);
• отдельные свойства металлов.

Характеристики сплавов классифицируются на химические и механические. Химические отражают отношения к воде, воздуху и другим активным средам, а механические – к внешним силам.

Титановые сплавы.

Титановые сплавы превосходят как алюминиевые, так и магниевые в отношении предела прочности и модуля упругости. Их плотность больше, чем всех других легких сплавов, но по удельной прочности они уступают только бериллиевым. При достаточно низком содержании углерода, кислорода и азота они довольно пластичны. Электрическая проводимость и коэффициент теплопроводности титановых сплавов малы, они стойки к износу и истиранию, а их усталостная прочность гораздо выше, чем у магниевых сплавов. Предел ползучести некоторых титановых сплавов при умеренных напряжениях (порядка 90 МПа) остается удовлетворительным примерно до 600° C, что значительно выше температуры, допустимой как для алюминиевых, так и для магниевых сплавов. Титановые сплавы достаточно стойки к действию гидроксидов, растворов солей, азотной и некоторых других активных кислот, но не очень стойки к действию галогеноводородных, серной и ортофосфорной кислот.

Титановые сплавы ковки до температур около 1150° C. Они допускают электродуговую сварку в атмосфере инертного газа (аргона или гелия), точечную и роликовую (шовную) сварку. Обработке резанием они не очень поддаются (схватывание режущего инструмента). Плавка титановых сплавов должна производиться в вакууме или контролируемой атмосфере во избежание загрязнения примесями кислорода или азота, вызывающими их охрупчивание. Титановые сплавы применяются в авиационной и космической промышленности для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (150–430° C), а также в некоторых химических аппаратах специального назначения. Из титанованадиевых сплавов изготавливается легкая броня для кабин боевых самолетов. Титаналюминиевованадиевый сплав – основной титановый сплав для реактивных двигателей и корпусов летательных аппаратов.

В табл. 3 приведены характеристики специальных сплавов, а в табл. 4 представлены основные элементы, добавляемые к алюминию, магнию и титану, с указанием получаемых при этом свойств.

КРЫЛАТЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Восьмимоторный гигант АНТ-20 («Максим Горький») был построен, как и многие металлические самолеты начала 30-х годов, из гофрированного алюминия.

При использовании традиционного сплава Д-16 пассажирский самолет Ту-154 получался слишком тяжелым.

Сварной корпус самолета МиГ-29 изготовлен из алюминиево-литиевого сплава 1420.

Массивные и очень ответственные детали шасси современных транспортных и пассажирских самолетов ОКБ им. С. В. Ильюшина изготовлены из титанового сплава ВТ-22. На снимке: Ил-76.

‹

›

— Сталь и алюминий, титан и пластмассы, клеи и дерево, стекло и резина — ни один самолет не полетит без этих материалов. Все они разработаны или испытаны в ВИАМе

— В каждой лопатке турбины реактивного двигателя воплощены самые совершенные металлургические технологии. Стоимость одной монокристаллической лопатки соизмерима с ценой дорогого легкового автомобиля

— Испытательный ВИАМа. Грозит ли усталость металла разрушением самолета? Как найти скрытые дефекты в металле? Какими свойствами обладает новый материал? Во всем этом разбираются сотрудники Испытательного центра

— Армрестлинг как способ разрешения ученого спора, или Как Н. С. Хрущев летал в Америку

— «Состаренный» материал не значит «старый»

— Как кроили «шубу» для «Бурана»

— От воздействия высоких температур турбинные лопатки защищает плазма

— Чем совершеннее летательный аппарат, тем больше в нем неметаллических материалов . Уже спроектированы самолеты, на две трети состоящие из композитных материалов и пластмасс

— Утром лаборант, вечером студент. И все это — не выходя из родной лаборатории. Если государство не готовит специалистов, их приходится учить на месте

— Коррозия — враг любого металла. Ржавеет даже нержавеющая сталь. Как лечить язвы на теле «Рабочего и колхозницы»?

— Склеить можно все что угодно. Нужен только подходящий клей. В небе летают склеенные самолеты, и это не детские модели, а большие транспортные воздушные суда.

Первые шаги нашей авиации связаны с закупкой иностранных самолетов. Были они по большей части деревянными, фюзеляж и крылья обтягивались тканью. Конечно же такие «матерчатые» самолеты не могли выдерживать значительных скоростных и температурных нагрузок, нужны были иные материалы, прежде всего — металл.

Идея строить самолеты из алюминия возникла в Германии. Там же появились первые сплавы, разработанные специально для самолетов. Их назвали дуралюминами. Подобный сплав был создан и у нас в стране в середине 20-х годов. Он получил марку Д-1 — это сплав алюминия с медью и небольшим количеством магния.

В 1932 году академик А. А. Бочвар разработал теорию рекристаллизации алюминиевых сплавов, которая легла в основу создания легких сплавов. В стране к тому моменту существовала производственная база: первый алюминиевый (расположенный в селе Кольчугино Владимирской области) выпускал гладкие и гофрированные листы технического алюминия — это алюминий с небольшими добавками марганца и магния. Такой алюминий обладал достаточной прочностью, был пластичен и потому использовался для обшивки фюзеляжей летательных аппаратов.

Однако материал для новых скоростных самолетов должен был иметь совершенно иные качества. И через некоторое время в лаборатории алюминиевых сплавов ВИАМа (созданной одновременно с открытием института в 1932 году) разработали сплав Д-16, который применялся в самолетостроении почти до середины 80-х годов. Это сплав на основе алюминия с содержанием 4-4,5% меди, около 1,5% магния и 0,6% марганца. Из него можно было делать практически любые детали самолета: обшивку, силовой набор, крыло.

Но скорости и высота полетов росли. Требовались высокопрочные сплавы. В середине 50-х годов возглавивший лабораторию алюминиевых сплавов академик И. Н. Фридляндер совместно со своими коллегами В. А. Ливановым и Е. И. Кутайцевой разрабатывает теорию легирования высокопрочных сплавов. Введение в систему алюминий — медь цинка и магния позволило резко увеличить прочность материала. Так возник сплав В-95, обладающий прочностью 550-580 Мпа (~ 5500- 5800 кгс/см2) и в то же время имеющий хорошую пластичность. У него был один изъян: недостаточная коррозионная стойкость, что, однако, устранялось путем двухступенчатого искусственного старения.

Новый сплав получил признание авиастроителей не сразу. В это время А. Н. Туполев создавал новый пассажирский лайнер Ту-154. Проект никак не укладывался в заданные весовые характеристи ки, и тогда генеральный конструктор сам позвонил Фридляндеру, обратившись за помощью, на что тот конечно же предложил использовать новый сплав. Проект новой машины переработали. Сплав В-95 нашел свое место для верхней поверхности крыла, из него изготовили прессованные панели и стрингеры, значительно снизив вес самолета. Такие же исследования параллельно шли в США. Там возникли сплавы серии 7000, в частности сплав 7075 — полный аналог нашего сплава.

Нагрузки, которые испытывает крыло самолета, неравноценны. Если верх крыла работает в основном на сжатие, то нижняя часть — на растяжение. Поэтому ее по-прежнему делали из дуралюмина Д-16, имеющего более высокие пластичность и порог усталости. Но и этот сплав претерпел серьезную модификацию за счет повышения чистоты по примесям при литье слитков. Технологические усовершенствования были столь значительны, что появился фактически новый материал — сплав 1163, который и в настоящее время успешно используется в нижних обшивках крыла и всего фюзеляжа.

Увеличение эксплуатационного ресурса самолетов всегда оставалось и остается задачей номер один. Добиться еще большей надежности и долговечности материалов можно, изменив структуру металла — «измельчив зерно». Для этого в сплавы начали вводить небольшие количества (до 0,1%) циркония. Величина зерна металла действительно резко уменьшилась, ресурс возрос. Одновременно создавались специальные ковочные сплавы, предназначенные для самых ответственных, силовых конструкций лайнеров. Так был разработан сплав 1933, превосходящий по своим параметрам зарубежные аналоги. Из него изготовляют детали силового набора и шпангоуты. Специалисты европейской авиастроительной провели испытания нового материала и приняли решение использовать его в своих самолетах серий А-318 и А-319.

К сожалению, процесс весьма выгодного сотрудничества приостановлен. Причина в том, что акции двух основных российских производителей алюминиевой продукции — Самарского и Белокалитвенского металлургических комбинатов — выкуплены американской . Значительная часть оборудования на предприятиях демонтирована, технологическая цепочка нарушена, квалифицированные кадры разошлись, и производство фактически прекратилось. Сейчас эти предприятия выпускают в основном фольгу, которая идет на изготовление пищевых банок и упаковок…

И хотя в настоящее время при посредстве российского правительства между (она теперь называется так), ВИАМом и авиационными конструкторскими бюро достигнуты договоренности о возобновлении выпуска так необходимых нашей авиационной промышленности материалов, процесс восстановления идет крайне медленно и болезненно.

ВИАМ стал родоначальником серии сплавов пониженной плотности. Это совершенно новый класс материалов, содержащих литий. Первый такой сплав создал академик И. Н. Фридляндер со своими учениками еще в 60-х годах — на четверть века раньше, чем где-либо в мире. Его практическое использование, правда, поначалу было ограничено: такой активный элемент, как литий, требует особых условий выплавки. Первый промышленный алюминиево-литиевый сплав (его марка 1420) был создан на основе системы алюминий — магний с добавлением 2% лития. Его использовали в КБ А. С. Яковлева при строительстве самолетов вертикального взлета для палубной авиации — именно для таких конструкций экономия веса имеет особое значение. Як-38 эксплуатируется до сих пор, и никаких нареканий к сплаву нет. Более того. Оказалось, что детали из этого сплава обладают повышенной коррозионной стойкостью, хотя алюминиево-магниевые сплавы и сами по себе мало подвержены коррозии.

Сплав 1420 можно сваривать. Это его свойство использовали при создании самолета МиГ-29М. Выигрыш в весе при строительстве первых опытных образцов самолета за счет пониженной плотности сплава и исключения большого количества болтовых и клепочных соединений достигал 24%!

В настоящее время модификацией этого сплава — сплавом 1424 — весьма заинтересовались специалисты «Эрбаса». На заводе в городе Кобленце (ФРГ) из сплава откатали широкие листы длиной 8 м, из которых изготовили полноразмерные элементы конструкции фюзеляжа. Ребра жесткости из того же материала приварили лазерной сваркой, а элементы соединили между собой сваркой трением, после чего отправили на ресурсные испытания во Францию. Несмотря на то что некоторым деталям намеренно нанесли повреждения (для оценки работоспособности в экстремальной ситуации), после 70 тысяч циклов нагрузки конструкция полностью сохранила эксплуатационные свойства.

Еще один сплав с литием, созданный в ВИАМе, — 1441. Его главная особенность в том, что из него можно делать листы рулонной прокатки толщиной 0,3 мм с сохранением высоких прочностных качеств. Конструкторское бюро имени Бериева использовало сплав для изготовления обшивки своего гидросамолета Бе-103. Эту небольшую — всего на четыре человека — машину, толщина обшивки которой 0,5-0,7 мм, выпускает завод в Комсомольске-на-Амуре. Ее вес на 10% меньше, чем аналогичных моделей из традиционных материалов. Партию таких самолетов уже купили американцы.

Тонкий, но прочный прокат необходим для создания недавно появившегося нового класса материалов — слоистых алюмостеклопластиков, которые в России называются «сиал», а за границей — «глэр». Материал представляет собой многослойную конструкцию: чередование слоев алюминия и стеклопластика. У него немало преимуществ перед монолитными. Во-первых, стеклопластик можно армировать искусственными волокнами, на треть увеличивая прочность. Но главный выигрыш в том, что, если в конструкции появляется трещина, она растет на порядок медленней, чем в монолитных материалах. Именно этим сиалы, или глэры, в первую очередь заинтересовали авиастроителей. Из такого материала впервые изготовлена верхняя часть обшивки фюзеляжа аэробуса А-380 в наиболее ответственных местах — перед крылом и после крыла. Ресурсные испытания показали, что трещина в таком материале при рабочих нагрузках практически не растет. Поэтому глэры можно использовать как преграды-стопперы для предотвращения роста трещин в виде вставок в верхние обшивки фюзеляжа, где требуются особо высокая надежность и долгий ресурс службы.

Титан, как и алюминий, тоже имеет право называться небесным или крылатым. Лаборатория титановых сплавов была создана в институте в 1951 году. Ее основатель профессор С. Г. Глазунов изобрел установку для литья титана и, собственно, создал первый титановый сплав. Вторая подобная установка была с помощью ВИАМа построена во Всесоюзном институте легких сплавов (ВИЛС), а потом мы вместе внедряли разработанные технологические процессы на металлургическом комбинате в Верхней Салде, который сейчас является основным производителем титановой продукции в стране. В советское время комбинат выпускал более 100 тыс. тонн такой продукции. После распада СССР производство сократилось в несколько раз. Новому директору завода В. В. Тютюхину пришлось приложить огромные усилия, чтобы исправить положение. После резкого спада производства завод начал подниматься. Сейчас выпуск титановой продукции составляет 25 тыс. тонн в год. Большая ее часть (около 80%) поставляется за границу по заказам ведущих самолетостроительных концернов. В связи с оживлением авиастроительной промышленности в России возникла насущная необходимость создания альтернативного производства. Гиганту, каким является комбинат, невыгодно выпускать небольшие партии продукции. Заказы же российских авиапроизводителей пока невелики — 3-5 тонн, а цикл изготовления очень длительный и доходит до года. Такое производство может быть создано на базе ВИАМа, ВИЛСа и Ступинского металлургического комбината, где, собственно, и перерабатываются слитки, получаемые из Верхней Салды.

В ВИАМе создано более полусотни титановых сплавов различного назначения, из которых сегодня серийно используется около тридцати. Сейчас доля титановых сплавов в самолете в зависимости от его типа и назначения колеблется от 4 до 10-12%. Высокопрочные сплавы из титана, например ВТ-22, более четверти века используются для изготовления сварных шасси Ил-76 и Ил-86. Это сложные, массивные детали на Западе начинают делать из титана только сейчас. В ракетной технике доля титана намного выше — до 30%.

Созданные в ВИАМе высокотехнологичные сплавы ВТ-32 и ВТ-35 в отожженном состоянии очень пластичны. Из них можно формовать сложные детали, которые после искусственного старения приобретают чрезвычайно высокую прочность. Когда в начале 1970-х годов в КБ Туполева создавался стратегический бомбардировщик Ту-160, на московском был построен специальный цех для изготовления титановых деталей центроплана. Эти самолеты летают до сих пор, правда, в России их осталось только одна эскадрилья.

Сегодня перед ВИАМом стоит задача создания титановых сплавов, надежно работающих при температурах 700-750оС. К сожалению, все металловедческие возможности, использовавшиеся при создании традиционных сплавов, уже реализованы. Требуются новые подходы. В этом направлении в лаборатории идут исследования по созданию так называемых интерметаллидных соединений на базе титан — алюминий.

Алюминиево-бериллиевые сплавы (их называют АБМ) исследуются и создаются на нашем предприятии уже 27 лет. Первый самолет с использованием такого сплава построил конструктор П. В. Цыбин.

Сплавы АБМ выгодно отличаются от других алюминиевых сплавов более высокой усталостной прочностью и уникальной акустической выносливостью. Сейчас они нашли применение в сварных конструкциях космических аппаратов, в том числе в серии хорошо известных межпланетных станций «ВЕНЕРА».

Интересен и сам бериллий, у которого модуль упругости на 30-40% выше, чем у высокопрочных сталей, а коэффициенты термического расширения близки, что позволило применять его в гироскопах.

В ВИАМе разработана технология изготовления тонкой вакуумно-плотной фольги и дисков и пластин из нее. Разработана технология пайки такой фольги с другими конструкционными материалами, и налажено серийное производство узлов рентгеновских аппаратов как для российских предприятий, так и для зарубежных фирм.

Еще один наш филиал организован в Поволжье в начале 1980-х годов, во время создания самого большого авиационного завода в Ульяновске, который выпускал гиганты авиации — «Русланы» и «Мрии». Для технологического сопровождения этих самолетов и была создана специальная лаборатория.

Одна из ее задач — внедрение в авиастроение композиционных материалов. Это — ближайшее будущее самолетостроения. Например, «Боинг-787», который готовится к выпуску через два года, на 55-60% будет состоять из композиционных материалов. Весь планер: фюзеляж, крыло, оперение — строится из композиционных материалов — углепластиков. Доля алюминия сократится до 15%. Углепластики — чрезвычайно заманчивый материал для самолетостроителей. Они обладают высокой удельной прочностью, малым весом, довольно приличными ресурсными характеристиками. Угроза разрушения из-за образования трещин снижается на порядки. Хотя, конечно, в отношении этих материалов остается ряд вопросов, которые до сих пор не решены. Было установлено, например, что в месте контакта углепластика с алюминием из-за возникновения гальванической пары развивается коррозия. Поэтому в таких местах алюминий пришлось менять на титан.

Когда создавался Ульяновский филиал, доля композитных материалов в конструкции отечественных летательных аппаратов была не очень велика. Тем не менее мы потихоньку начали обучать работе технологов, рабочих… Потом настали трудные времена, весь завод находился на грани закрытия, но филиал выжил. Постепенно производство восстанавливалось, и, хотя до сих пор оно наполовину законсервировано, есть несколько заказов на Ту-204, есть заказы из Германии на изготовление «Русланов». А значит, есть поле деятельности для нашей лаборатории.

Второе направление работы Ульяновского филиала — специальные, эрозионно- и коррозиестойкие покрытия.

При разложении металлоорганических жидкостей в вакууме на поверхностях образуются покрытия из хрома и карбидов хрома. Регулируя процесс, можно получать покрытия, содержащие любые соотношения этих компонентов — от чистого хрома до чистых карбидов. Твердость хромированного покрытия — 900-1000 Мпа, карбидного — вдвое выше — около 2000 Мпа. Но, чем выше твердость, тем больше хрупкость. Между этими крайностями и находят искомое в каждом отдельном случае.

Другой путь достижения нужных результатов обеспечивают нанотехнологии. В гальванические хромосодержащие ванны вводят наночастицы карбидов и оксидов металлов размером от 50 до 200 нм. Изюминка процесса в том, что сами эти частицы в состав покрытия не входят. Они лишь усиливают активность осаждаемого компонента, создают дополнительные центры кристаллизации, благодаря чему покрытие получается более плотным, более коррозиестойким, обладает лучшими противоэрозионными свойствами.

И в заключение еще об одном уникальном качестве института: в СССР существовала неплохая система, надежно гарантирующая качество конечного продукта предприятия. В ВИАМе эта система сохранилась и поныне. Если конструкторское бюро или частная компания закупают какой-то продукт, перед использованием они предпочитают передать его в ВИАМ на испытание. Нам по-прежнему доверяют.

См. в номере на ту же тему

Е. КАБЛОВ — ВИАМ — национальное достояние.

И. ДЕМОНИС — Во все лопатки.

М. БРОНФИН — Испытатели — исследователи и контролеры.

Академики дают разрешение на беспосадочный перелет Н. С. Хрущева в Нью-Йорк на сверхдальнем самолете ТУ-114 .

И. ФРИДЛЯНДЕР — Старение — не всегда плохо.

Б. ЩЕТАНОВ — Тепловая защита «Бурана» началась с листа кальки.

С. МУБОЯДЖЯН — Плазма против пара: победа за явным преимуществом .

БЮРО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.

Э. КОНДРАШОВ — Без неметаллических деталей самолеты не летают.

И. КОВАЛЕВ — В науку — со школьной скамьи .

С. КАРИМОВА — Коррозия — главный враг авиацииc.

А. ПЕТРОВА — Посадить на клей.

Бериллиевые сплавы.

Пластичный бериллиевый сплав можно получить, например, вкрапляя хрупкие зерна бериллия в мягкую пластичную матрицу, такую, как серебро. Сплав этого состава удалось холодной прокаткой довести до толщины, составляющей 17% первоначальной. Бериллий превосходит все известные металлы по удельной прочности. В сочетании с низкой плотностью это делает бериллий пригодным для устройств систем наведения ракет. Модуль упругости бериллия больше, чем у стали, и бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и электрических контактов. Чистый бериллий используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах. Благодаря образованию защитных оксидных слоев он устойчив на воздухе при высоких температурах. Главная трудность, связанная с бериллием, – его токсичность. Он может вызывать серьезные заболевания органов дыхания и дерматит. См. также КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ и статьи по отдельным металлам.
Таблица 1. Некоторые важные сплавы (состав и механические свойства)

Таблица 2. Некоторые важные сплавы (физические свойства, характеристика и применение)

Лекция №2. Теория сплавов

Лекция №2. Теория сплавов

Рассмотрим ряд основополагающих определений и понятий.

Сплав –

вещество, полученное сплавлением двух и более элементов (компонентов). Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называются
металлическим сплавом.
По количеству компонентов сплавы соответственно называются двойными, тройными и многокомпонентными.

Структурные составляющие –

обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.

Система –

совокупность тел (твердых, жидких) в определенном объеме при определенных внешних условиях, взятых для исследования.

Компонент –

простейшая часть (вещество) из образующих систему. В металлических сплавах компонентами являются элементы (металлы и неметаллы) и химические соединения (не диссоциирующие при нагревании)

Фаза –

однородная часть системы, имеющая физическую границу раздела (поверхность), при переходе через которую химические состав или структура изменяются скачком.

2.1. Строение сплавов

Чистые металлы находят довольно ограниченное применение. Основными конструкционными материалами являются металлические сплавы. В основном сплавы получают путём кристаллизации жидкого расплава нескольких металлов, но могут быть и другие пути – спеканием, диффузией, осаждением и другие.

Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях и образуют однородный жидкий раствор с равномерным распределением атомов одного металла среди атомов другого металла.

При образовании сплавов в процессе их затвердевания возможно различное взаимодействие компонентов. По характеру взаимодействия компонентов все сплавы подразделяются на три основных типа: механические смеси, твердые растворы и химические соединения.

Механическая смесь

двух компонентов образуется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению.

Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристаллическую решетку. Структура механических смесей неоднородная, состоящая из отдельных зерен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависят от количественного соотношения компонентов.

Если механическая смесь образуется при первичной кристаллизации, она называется эвтектической, если в результате вторичной – эвтектоидной.

Твердые растворы

образуются, когда один компонент растворяется в другом. Тогда в твердом состоянии атомы одного компонента входят в кристаллическую решетку другого. Если атомы кристаллической решетки одного компонента А частичного замещаются атомами другого В, образуются твердые растворы замещения, рис. 2.1а. Твердые растворы замещения образуются элементами, атомные радиусы которых отличаются не более чем на 8 – 15%, но и в этом случае кристаллическая решетка растворителя искажается, не утрачивая своего строения.

Если атомы растворимого компонента В внедряются в пустоты решетки растворителя А, то образуются твердые растворы внедрения (рис. 2.1б). Следовательно, атомы растворимого элемента должны быть соизмеримы с пустотами кристаллической решетки растворителя. Концентрация твердых растворов внедрения не может быть высокой – не более 1…2%.

Рис. 2.1. Схемы твердых растворов замещения (а) внедрения (б)

Твердый раствор имеет однородную структуру и одну кристаллическую решетку. Обозначают твердые растворы буквами греческого алфавита α, β, γ, δ и т.д.

Химическое соединение

образуется, если компоненты сплава А и В вступают в химическое взаимодействие. Химическое соединение имеет свою кристаллическую решетку, которая отличается от кристаллических решеток компонентов. При этом сохраняется кратное соотношение компонентов, что позволяет выразить состав химического соединения формулой АnВm.

Свойства химического соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов при этом они, как правило, обладают большой твердостью и хрупкостью (карбиды, нитриды и др.). Химическое соединение имеет однородную структуру, состоящую из одинаковых по составу и свойствам зерен, и может играть роль компонента в сплавах.

2.2. Диаграммы состояния двойных сплавов

Диаграмма состояния

– графическое изображение состояния сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации в нем компонентов и температуры. Диаграмма состояния показывает равновесные, устойчивые состояния сплава, т.е. такие, которые при данных условиях обладают минимальной свободной энергией.

Построение диаграмм состояния осуществляют различными экспериментальными методами. Наиболее часто используется метод термического анализа. Он заключается в том, что составляют несколько сплавов с различной концентрацией компонентов, расплавляют их и медленно охлаждают, фиксируя время охлаждения и температуру.

По полученным данным строят серию кривых охлаждения в координатах: время (τ, сек) – температура (t,°С), на которых наблюдают точки перегибов и температурные остановки – критические точки фазовых переходов (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Кривая охлаждения сплава

В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются не при постоянной температуре, а в интервале температур, поэтому на кривых охлаждения сплавов есть две критические точки. В верхней критической точке, называемой точкой ликвидус (tл), начинается кристаллизация. В нижней критической точке — солидус (tс) кристаллизация завершается.

Диаграмму строят в координатах температура – концентрация. Линии диаграммы разграничивают области одинаковых фазовых состояний. Для построения диаграммы состояния используют большое количество кривых охлаждения для сплавов различных концентраций. При построении диаграммы критические точки переносятся с кривых охлаждения на диаграмму (оси температура – концентрация) и соединяются линией. В получившихся на диаграмме областях записывают фазы или структурные составляющие. Линия начала кристаллизации сплавов на диаграмме называется линией ликвидус

, а линия окончания кристаллизации –
солидус
.

Вид диаграммы зависит от того, как взаимодействуют между собой компоненты.

Диаграмма состояния сплавов,

образующих механические смеси чистых компонентов (1 тип)

Рассмотрим кривые охлаждения нескольких сплавов системы А – В, имеющих различный состав (рис. 2.3). Кристаллизация чистого компонента А (100%) начинается в т.1 и заканчивается в т.1*, протекая при постоянной температуре. Выше этой температуры компонент А находится в жидком состоянии, ниже – в твердом. Аналогично происходит кристаллизация чистого компонента В.

Кривая охлаждения сплава (60% А + 40%В) аналогична кривым охлаждения чистых компонентов. На ней имеется также только одна температурная остановка 2-2*, т.е. кристаллизация происходит при постоянной температуре. Особенность кристаллизации этого сплава заключается в том, что происходит одновременная кристаллизация обоих компонентов – появляются и растут кристаллы, образуя мелкокристаллическую механическую смесь обоих компонентов (А+В).

Механическая смесь двух или более разнородных кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтектикой

(от эвтэо (греч.) – легкоплавкий). Сплав, отвечающий составу эвтектики, называют
эвтектическим сплавом
. Он имеет постоянную и минимальную температуру плавления (кристаллизации) для сплавов данной системы и постоянный химический состав.

Рис. 2.3. Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси

чистых компонентов, состав сплавов: 1 – 100%А, 2 – 80%А+20%В,

3 – 60%А+40%В, 4 – 20%А+80%В, 5 – 100%В

Кристаллизация сплава (80%А + 20%В) происходит иначе. На кривой имеются две кристаллические точки: точка перегиба 1 и температурная остановка 2-2*. Выше т.1 сплав находится в жидком состоянии, в т.1 появляются первые зародыши кристаллов компонента А – начало кристаллизации. Выделение и рост зерен А продолжается до т.2. При этой температуре жидкий сплав, вследствие удаления из расплава компонента А в виде твердых кристаллов, приобретет эвтектический состав (60%А + 40%В) и при постоянной температуре, равной эвтектической, произойдет одновременная кристаллизация обоих компонентов (А+В), т.е. произойдет эвтектическое превращение

.

Сказанное в равной степени относится и к сплаву (20%А + 80%В), отличие состоит лишь в том, что на участке 1–2 происходит образование и рост зерен компонента В. Для этих сплавов характерной особенностью является то, что кристаллизация на участке 1–2 происходит в интервале температур.

Полученные критические точки перенесем на диаграмму, где координатами будут концентрация и температура. Если затем соединить линией все точки начала кристаллизации (линия АСВ) и точки окончания кристаллизации линия (ДСF), то получим диаграмму состояния системы А – В

. Линия АСВ – геометрическое место точек ликвидус, называется
линией ликвидус
. Линия ДСF –
линиейсолидус
. Выше линии ликвидус находится жидкость (расплав), ниже линии солидус – сплавы находятся в твердом состоянии. Сплав, отвечающий составу эвтектики (точка С), как уже указывалось, называется
эвтектическим
. Сплавы, находящиеся левее точки С, называют
доэвтектическими
. Их структура – избыточные кристаллы А и эвтектика (А+В). Сплавы, расположенные правее точки С, –
заэвтектические
, их структура кристаллы – В и эвтектика (А+В). Из этого следует что А, В и эвтектика (А+В) являются
структурными составляющими сплавов
.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью

компонентов в твердом состоянии (2 тип)

Для таких сплавов возможно образование двух фаз: жидкого сплава Ж и твердого раствора α. На диаграмме две линии, верхняя – ликвидус и нижняя – солидус (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью

Диаграмма
состояния сплавов с ограниченнойрастворимостью
в твердом состоянии (3 тип)

В таких сплавах могут существовать три фазы: жидкий раствор (Ж), твердый раствор компонента В в компоненте А – (α) и твердый раствор компонента А в компоненте В – (β). Эта диаграмма содержит в себе элементы двух предыдущих (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью

компонентов в твердом состоянии

Линия АСВ – линия ликвидус, линия АЕСFВ – линия солидус. Линия ЕСF – линия эвтектики. Таким образом, здесь также образуется эвтектика, доэвтектические и заэвтектические сплавы. Линия РЕ – линия ограниченной растворимости компонента В в компоненте А, по этой линии происходит выделение вторичных кристаллов βII (вследствие уменьшения растворимости компонента В в компоненте А с понижением температуры). Процесс выделения вторичных кристаллов называется вторичной кристаллизацией.

Диаграмма состояния сплавов, образующих устойчивые химические соединения (4 тип)

Рис. 2.6. Диаграмма 4 типа

Такая диаграмма характеризуется наличием вертикальной линии, соответствующей соотношению компонентов в химическом соединении АnВm (рис. 2.6). Эта линия делит диаграмму на две части, которые можно рассматривать как самостоятельные диаграммы сплавов, образуемых устойчивым химическим соединением и одним из компонентов. На рисунке представлена диаграмма для случая, когда каждый из компонентов образует с химическим соединением механическую смесь.

2.3. Пластическая деформация, наклеп и рекристаллизация

Пластическая деформация – это необратимая деформация, т.е. ее влияние на форму, структуру и свойства тела сохраняются после снятия нагрузки. При пластической деформации зерна деформируются, вытягиваются в направлении деформации, образуется волокнистая структура, увеличивается число дислокаций. При этом прочность и твердость металла повышается, а пластичность и вязкость снижаются. Явление упрочнения металла при пластической деформации называется наклепом

, или
нагартовкой
.

Волокнистое строение и наклеп можно устранить при нагреве металла. Частичное снятие наклепа происходит уже при небольшом нагреве. Снимается искажение кристаллической решетки. Этот процесс называется возвратом

(рис. 2.7). Но волокнистая структура при этом сохраняется.

При нагреве до более высоких температур в металле происходит образование новых равноосных зерен. Такой процесс называют рекристаллизацией.

Наклеп при этом снимается полностью. Различают рекристаллизацию первичную и собирательную.

Рекристаллизация
первичная
(участок 1–2 на рис. 2.7) заключается в образовании зародышей и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой.

Собирательная рекристаллизация

– вторая стадия процесса, заключающаяся в росте образовавшихся новых зерен. Рост зерен обусловлен стремлением системы к более равновесному состоянию за счет уменьшения внутренней поверхности зерен. Особенность собирательной рекристаллизации – вторичная рекристаллизация – рост отдельных зерен за счет других. Основными факторами, определяющими величину зерен, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень деформации.

Рис. 2.7. Схема изменения структуры и свойств наклепанного металла

при возврате (отдыхе) и рекристаллизации

Температура, при которой идет процесс рекристаллизации, называется температурой рекристаллизации

. Абсолютная температура рекристаллизации

Тр = аТпл,

где а – коэффициент, зависящий от структуры и состава металла. Для особо чистых металлов а = 0,2, для металлов технической чистоты а = 0,3 – 0,4, для сплавов а = 0,5 – 0,6.

На практике наклеп устраняют рекристаллизационным отжигом.

Если деформирование происходит при температуре выше температуры рекристаллизации, то наклепа не происходит. Такая деформация называется горячей.

Деформация, которая происходит при температуре ниже температуры рекристаллизации, называется
холодной.