Тема 7. Металлические материалы.

7.1. Чугун, углеродистые стали, легированные стали и другие сплавы. Как уже отмечалось ранее, чугун – это сплав железа углеродом, содержание которого более 2%. По структуре, зависящей в первую очередь от степени графитизации, различают чугуны серые, белые и ковкие. Графитизация – это образование графита при распаде цементита. В свою очередь, увеличению количества графита в сплаве способствует повышение содержания углерода.

Серый чугун – имеет содержание связанного углерода менее 0,8% (остальной углерод – в свободном виде) и структуру с пластинчатыми или шаровидными вкраплениями графита. Белый чугун – имеет структуру цементита и перлита с нулевой степенью графитизации, поэтому для излома такого чугуна характерен матово-белый цвет. Ковкий чугун – получается путем термической обработки (отжига) белого чугуна и, следовательно, обладает большей пластичностью.

По технологии изготовления чугуны также отличаются наличием в составе легирующих элементов: алюминия, меди, никеля, магния и т.д. Из специальных чугунов наибольшее применение получили чугуны алюминиевые, магниевые, медистые и хромистые.

Малоуглеродистые стали – с содержанием углерода до 0,3% имеют сравнительно низкие показатели прочности, высокую пластичность и хорошую свариваемость. Применяются эти стали для малонагруженных деталей. Среднеуглеродистые стали – с содержанием углерода до 0,55% имеют более высокие показатели прочности, но пониженные технологические характеристики за исключением обрабатываемости резанием, которая лучше, чем у малоуглеродистых сталей. Стали этих марок применяют для изготовления валов, осей, штоков, болтов и других высоконагруженных деталей. Высокоуглеродистые стали – с содержанием углерода выше 0,55%, как более прочная из всех марок стали, применяется в основном для производства пружин, тросов и инструмента.

По назначению сталь делится на конструкционную, предназначенную для изготовления деталей, и инструментальную – для изготовления режущего, мерительного и штампового инструмента. Причем для штамповой стали, испытывающей ударные нагрузки, в первую очередь требуется повышенная жаростойкость и вязкость, а для режущего инструмента – твердость и износоустойчивость. Инструментальные стали делятся на: 1). Стали пониженной прокаливаемости, которые закаливаются в воде и поэтому имеют незакаленную сердцевину. Для их обозначения, кроме приведенных выше вариантов обозначений сталей, применяют букву «У» с цифрой, равной десятым долям содержания углерода. Применение этих сталей:

2). Стали глубокой прокаливаемости (содержащие 1…3% легирующих элементов), которые закаливаются в масле или в расплавленных солях. Твердость этой категории сталей почти одинакова как поверхности, так и сердцевины и для большинства марок превышает 600МПа. Область применения их такая же, но с более тяжелыми условиями работы.

3). Быстрорежущие стали (высоколегированные). Основное их назначение – обработка резанием при высоких скоростях, поэтому их главное свойство – высокая красностойкость. Это свойство достигается легированием стали карбидообразующими элементами W, Cr, Mo, V в таком количестве, при котором они связывают в карбиды почти весь свободный углерод. Карбиды находятся в основном в растворенном состоянии в аустените, причем, чем выше степень насыщения карбидами, тем выше красностойкость стали. Твердость быстрорежущих сталей после термической обработки должна быть HRC64…65.

4). Штамповые стали предназначены для обработки металлов давлением, поэтому от них требуются высокие показатели прочности, вязкости и износоустойчивости. Твердость штамповых сталей после термической обработки должна быть HRC58…66, причем для инструментов, работающих с ударными нагрузками в холодной среде, она должна быть ниже, чем для инструментов, работающих без ударов, но в нагретом состоянии. Исключением являются валки холодной прокатки, которые должны обладать максимальной твердостью HRC66.

Во всех марках сталей присутствуют примеси Si, Mn (до 0,7%), P (до 0,12%) и S. Марганец и кремний в основном способствуют повышению прочности и износоустойчивости, поэтому их вводят дополнительно в большем количестве, как легирующие элементы. Содержание же фосфора и серы в сталях ответственного назначения должно быть для каждого не более 0,03%.

Из конструкционных материалов следует в первую очередь выделить стали и сплавы, предназначенные для производства деталей авиационных двигателей: 1). Жаростойкие стали – эксплуатируются при повышенных температурах в условиях воздействия газов, содержащих кислород. Из анализа кривых окисления (зависимость привеса материала от температуры) различных легирующих элементов видно, что наиболее высокой жаростойкостью обладают никель и хром. Именно поэтому они являются основными элементами жаростойких сталей. Так, 10…13% хрома обеспечивают жаростойкость стали до 750°С, а при 25% - жаростойкость увеличивается до 1100°С. Дополнительные легирующие элементы: кремний, алюминий и бериллий еще больше повышает жаростойкость, т.к. они образуют плотные окислы, предохраняющие изделие от проникновения газов. В качестве основы жаростойких сталей применяют аустенитную сталь, а для придания ей жаропрочности, дополнительно легируют титаном и марганцем.

2). Жаропрочные стали – способны работать при высокой температуре под нагрузкой без разрушения и заметной деформации. Жаропрочность зависит, в основном, от силы межатомных связей, которая в первую очередь характеризуется температурой плавления. Повышение жаропрочности достигается двумя основными факторами: увеличением среднего размера зерна и увеличением степени легирования карбидообразующими элементами (взаимодействующими с углеродом) и интерметаллидами (взаимодействующими с железом и между собой). Жаропрочные стали разделяют на: - хромистые, не поддающиеся термической обработке и поэтому неприменяемые в авиастроении (в основном используются как антикоррозионные стали), и - хромоникелевые.

3). Жаропрочные сплавы – применяются для производства турбинных дисков, сопловых лопаток и т.п. Создание жаропрочных никелевых сплавов было вызвано растущими требованиями авиационной техники, в особенности по показателям длительной жаропрочности. Для этих сплавов характерна высокая степень легирования многими элементами (до 10-12 элементов), а также присутствие гафния, также повышающего жаропрочность. Таким образом, структура жаропрочного сплава – высоколегированный твердый раствор на основе никеля с упрочняющими фазами на границах зерен. Важнейшими зарубежными сплавами являются «нимоник-90» и «нимоник-100», а российским – ЖС6КП. В настоящее время выпускаются сплавы на кобальтовой основе, аналогичные по структуре никелевым, но имеющие еще более высокую жаропрочность.

7.2. Цветные металлы и их сплавы. К цветным сплавам, применяемым в авиационной промышленности, относятся сплавы на основе алюминия, магния, титана, бериллия, меди. Причем сплавы на основе титана и бериллия относятся к сплавам с высокой удельной прочностью.

7.2.1. Алюминиевые сплавы – делят на: 1). Деформируемые неупрочняемые, на основе Al-Mn и Al-Mg, отличающиеся высокой пластичностью, коррозионной устойчивостью и хорошей свариваемостью. 2). Деформируемые упрочняемые (термической обработкой) или дуралюмины на основе Al-Cu-Mg-Si-Fe, имеющие более высокую прочность, причем упрочняющими элементами являются медь и кремний. 3). Литейные алюминиевые сплавы, в основном силумины, с содержанием кремния до 13%. Их обозначение: - АМ – неупрочняемые, - АК – сплав, предназначенный для ковки и штамповки, - Д – дуралюмины, - В – деформируемые особо прочные, - АЛ – литейный сплав, - А – чистый алюминий (цифры указывают степень чистоты: А00, А0, А1 …). Цифры после буквы означают условный номер сплава.

7.2.2. Магниевые сплавы – на основе редкоземельных элементов (Ce - церия, Sm - самария и т.д.), и на основе Mg-Ti, также как и алюминиевые, делят на деформируемые (с обозначением МА) и литейные (МЛ). Магний – металл серебристо-белого цвета; он не имеет полиморфных превращений. В чистом виде магний используется как легирующий элемент, а также в пиротехнике (при нагреве магний активно окисляется, а при температуре 623°С воспламеняется на воздухе: порошок, тонкая лента, мелкая стружка магния самовозгорается при обычной температуре, горит с выделением большого количества теплоты и излучением ослепительно яркого света). Теплопроводность магния в 1,5 раза, а электропроводность – в 2 раза ниже, чем у алюминия. Магний и его сплавы отличаются низкой плотностью, хорошей обрабатываемостью резаньем и способностью воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки. Магниевые сплавы значительно хуже обрабатываются давлением, чем алюминиевые. Алюминий и цинк, имеющие высокую растворимость в магнии, содержатся во всех магниевых сплавах. Они придают хорошую технологическую пластичность, что позволяет изготавливать кованые и штампованные детали сложной формы (например, крыльчатки и жалюзи воздухозаборников). Повышение их содержания в сплаве приводит к увеличению прочности, однако в магниевые сплавы вводят не более 10% алюминия и не более 6% цинка, из-за чрезмерного снижения пластичности. Высокопрочные магниевые сплавы дополнительно легируют цирконием (Zr), кадмием (Cd), никелем (Ni), лантаном (La). Цирконий оказывает рафинирующее действие – измельчает структуру и уменьшает тем самым пористость. Преимущество литейных магниевых сплавов – высокая точность размеров и хорошая чистота поверхности отливок деталей. Однако из-за грубозернистой структуры они имеют более низкие механические свойства, особенно пластичность. Малая плотность при относительно высокой удельной прочности обуславливает применение магниевых сплавов для производства корпусов приборов, насосов, фонарей, дверей кабин, обтекателей (в самолетостроении), колес и кузовов гоночных автомобилей.

7.2.3. Титановые сплавы. Титан – металл серого цвета, имеющий две полиморфных модификации: низкотемпературную – при t<882°С с ГПУ решеткой (α) и высокотемпературную – при t˃900°С с ОЦК решеткой (β). Поэтому по структуре титановые сплавы делятся на: 1). Сплавы с α-структурой, обычно с алюминием. Они имеют достаточную прочность до 650°С и хорошо свариваются. 2). Сплавы с α+β структурой, обычно большим числом легирующих элементов. Для этих сплавов характерна высокая прочность при комнатной температуре и достаточно хорошая пластичность с возможностью термической обработки, но сохраняют прочность только до 430°С. 3). Сплавы с β-структурой, обычно образованные с цирконием. Они отличаются высокой пластичностью и сохраняют свою прочность до 540°С. Особенностью этих сплавов является возможность упрочнения без термической обработки. Особо ценными свойствами титановых сплавов является то, что они обладают высокой прочностью (до σ_В=1000 МПа и более) и хорошей коррозионной устойчивостью по отношению к кислотам, ряду щелочей и морской воде. Так же, как и предыдущие виды сплавов, титановые делятся на деформируемые и литейные. Применяют и те, и другие при производстве деталей обшивок сверхзвуковых самолетов, морских судов, подводных лодок, реактивных авиационных двигателей (дисков и лопаток компрессора, деталей воздухозаборников и т.д.), корпусов ракетных двигателей второй и третей ступени.

7.2.4. Бериллиевые сплавы. Бериллий – металл серого цвета, обладающий полиморфизмом: низкотемпературной модификацией до 1250°С (α с ГПУ решеткой) и высокотемпературной модификацией от 1250 до 1284°С (β с ОЦК решеткой). Малая распространенность в природе, сложная технология извлечения из руд и получения из него изделий определяют высокую стоимость бериллия. Главная сложность легирования бериллия обусловлена малым размером атома. Легирующими элементами бериллия являются Ni, Si, Ag, Ti. Сплавы бериллия в основном получают с алюминием, увеличивающим его пластичность, но снижающим прочность. Они обладают наибольшей из всех удельной прочностью и хорошей коррозионной устойчивостью. Важным свойством сплавов бериллия является способность отражать тепловые нейтроны, что делает их пригодным материалом для тепловыделяющих элементов атомных установок.

7.2.5. Сплавы на основе меди применяются, в основном, для производства деталей приборов, а медь в чистом виде – для проводников. Основными медными сплавами являются: Латунь - сплав меди с цинком и иногда с небольшим содержанием других элементов: Al, Mn, Sn (олово), Si. Цинк растворяется в меди в количестве до 39%, увеличивая прочность и пластичность. Латуни с большим содержанием меди (80%) отличаются золотистым цветом, называются томпак ом и применяются в ювелирном деле. Бронза – сплав меди с оловом (до 16%), а с другими элементами – дает соответствующее ей название: алюминиевая, свинцовистая, бериллиевая. В отличие от латуней подавляющее число бронз обладает большой хрупкостью, поэтому обработке давлением не поддается и применяется в литом состоянии. Алюминиевые бронзы обладают высокими антифрикционными (friction –трение, имеющие низкий коэффициент трения), механическими и антикоррозионными свойствами. Свинцовистым – характерны высокие показатели усталостной прочности и теплопроводности. Поэтому все эти сплавы применяются для производства тяжело нагруженных подшипников. Бериллиевая бронза имеет высокую химическую устойчивость, твердость и упругость. Все бронзы маркируются буквами «Бр» с буквами наименований соответствующих легирующих элементов. Например, Бр.АМц9-2 обозначает алюминиевую бронзу с содержанием около 10% алюминия и около 2% марганца.