Механические свойства титана

БЕРИЛЛИИ И ЕГО СПЛАВЫ

Физические свойства ⁹Be

Свойства бериллия чаще всего именуются «удивительными», «чудесными» и т. п. Отчасти это справедливо: по крайнем мере глав­ная «удивительность» заключается в сочетании противоположных, иногда, казалось бы, взаимоисключающих свойств. Одновременно бериллий обладает и легкостью, и прочностью, и теплостойкостью. Этот металл серебристо-серого цвета в полтора раза легче алюми­ния и в то же время прочнее специальных сталей. Особенно важно, что бериллий и многие его сплавы не утрачивают полезных свойств при температурах 700...800 °С и могут эксплуатироваться в таких условиях. Чистый бериллий очень тверд, - им можно резать стекло. К сожалению, твердости сопутствует хрупкость.

Бериллий очень устойчив против коррозии. Как и алюминий, он покрывается при взаимодействии с воздухом тонкой окисной пленкой, защищающей металл от воздействия кислорода даже при высоких температурах. Лишь за порогом 800 °С идет окисление бе­риллия в массе, а при температуре 1 200 °С металлический бериллий сгорает, превращаясь в белый порошок ВеО.

У бериллия малое сечение захвата нейтронов и большое сече­ние их рассеяния. Иными словами, бериллий (а также его оксид) рас­сеивает нейтроны, изменяет направление их движения и замедляет их скорость до таких величин, при которых цепная реакция может протекать более эффективно. Из всех твердых материалов берил­лий считается лучшим замедлителем нейтронов.

К вышеотмеченному добавим, что бериллий может выполнять роль отражателя нейтронов: менять их направление, возвращать нейтроны в активную зону реактора, противодействовать их утеч­ке. Бериллию свойственна также значительная радиоактивная стой­кость, сохраняющаяся и при очень высоких температурах. На всех этих свойствах основано применение бериллия в атомной технике - он один из самых необходимых ей элементов.

Замедлители и отражатели из бериллия и его окиси позволяют значительно уменьшить размеры активной зоны реакторов, увели­чить рабочую температуру и эффективнее использовать ядерное топ­ливо. Поэтому, несмотря на высокую стоимость бериллия, его ис­пользование считают экономически оправданным, особенно в не­больших энергетических реакторах для спутников и морских судов. Окись бериллия стала важным материалом для изготовления обо­лочек тепловыделяющих элементов (твэлов) атомных реакторов.

Большая теплопроводность (в 4 раза выше, чем у стали), боль­шая теплоемкость и жаропрочность позволяют использовать берил­лий и его соединения в теплозащитных конструкциях космических кораблей. Из бериллия была выполнена внешняя тепловая защита капсулы космического корабля «Френдшип-7», на котором Джон Гленн первым из американских астронавтов совершил (после Юрия Гагарина и Германа Титова) орбитальный полет.

Космическую технику еще в большей мере привлекает в бериллии легкость, прочность и, особенно, удельная прочность. Поэтому берил­лий и его сплавы все шире используются в космической, ракетной и авиа­ционной технике. В частности, благодаря способности сохранять высо­кую точность и стабильность размеров бериллиевые детали используют в гироскопах - приборах, входящих в систему ориентации и стабилиза­ции ракет, космических кораблей и искусственных спутников Земли.

Бериллий амфотерен, то есть обладает свойствами и металла и неметалла. Однако металлические свойства все же преобладают. С водородом бериллий не реагирует даже при нагревании до 1 000°С, зато легко соединяется с галогенами, серой и углеродом. Из галогенов бериллия наибольшее значение имеют его фторид и хлорид, ис­пользуемые в процессе переработки бериллиевых руд. Бериллий хорошо растворяется во всех минеральных кислотах, кроме, как это ни странно, азотной. От нее, как и от кислорода, бериллий защищен окисной пленкой. Окись бериллия (ВеО) обладает ценными свой­ствами и в некоторых случаях конкурирует с самим бериллием.

Высокая тугоплавкость (температура плавления 2570 °С), значи­тельная химическая стойкость и большая теплопроводность позво­ляют применять окись бериллия во многих отраслях техники, в част­ности для футеровки бессердечниковых индукционных печей и тиг­лей для плавки различных металлов и сплавов. Интересно, что окись бериллия совершенно инертна по отношению к металлическому бе­риллию. Это единственный материал, из которого изготовляют тиг­ли для плавки бериллия в вакууме.

При горении бериллия выделяется много тепла - 63000 кДж/кг. Поэтому он может быть компонентом высокоэнергетического ра­кетного горючего.

СПЛАВЫБЕРИЛЛИЯ

Бериллий легко образует сплавы со многими металлами, прида­вая им высокую твердость, прочность, жаростойкость и коррозион­ную стойкость. Лишь несколько легирующих элементов - медь, ни­кель, кобальт, и в меньшей мере железо, - образуют твердые раство­ры в бериллии. Большинство сплавов типа твердых растворов суще­ственно прочнее по сравнению с рафинированным металлом (из ко­торого удалены примеси). Однако легированием не удалось улучшить пластичность, - и был сделан вывод о невозможности этого.

Бериллий образует множество интерметаллических соединений, которые часто играют важную роль как при разработке сплавов, так и при получении бериллиевых композитов. Например, возможность получения композитов Ве-Ti ограничена вследствие образования значительного количества ТiВе₁₁ при температуре выше 705 °С.

Алюминий является главной легирующей добавкой, не образу­ющей интерметаллического соединения с бериллием. Он почти не растворяется в твердом бериллии, так же как бериллий в алюминии, - таким образом сплавы Ве - А1 являются, по существу, смесью чистых металлов.

Второе - токсичность бериллия. Допустимые пределы содержа­ния бериллия в воздухе очень малы - всего 0,001 мг/м³. Это значи­тельно меньше допустимых норм для большинства металлов, даже таких токсичных, как свинец. Тщательный контроль за чистотой воздуха, особые системы вентиляции, возможно большая автомати­зация производства - все это позволяет успешно бороться с токсич­ностью бериллия и его соединений.

И наконец, третье, и очень важное - высокая стоимость берил­лия. Цена 1 кг его в США на сегодня составляют более 300 долла­ров, то есть бериллий в несколько раз дороже титана.

Между тем рост потребления всегда приводит к технологичес­ким усовершенствованиям, которые, в свою очередь, способствуют уменьшению издержек производства и цены. В будущем спрос на бериллий возрастет еще больше: ведь этот металл человечество на­чало применять всего несколько десятилетий тому назад. И, конеч­но, достоинства бериллия возьмут верх над его недостатками. Те­перь несколько (их может быть гораздо больше!) ответов на вопрос: «Что может нам дать бериллий?». Самолет, вес которого вдвое мень­ше обычного; ракетное топливо с наивысшим удельным импульсом; боевые блоки ракет, которые в 2...2,5 раза легче алюминиевых; пружины, способные выдержать до 20 миллиардов (!) циклов нагруз­ки, - пружины, не знающие усталости, практически вечные.

В 30-х годах академик А. Е. Ферсман назвал бериллий метал­лом будущего. Сейчас о бериллии можно и должно говорить как о металле настоящего [67 - 70].

ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ

ПОЛУЧЕНИЕ ТИТАНА. ЕГО СВОЙСТВА

Организация промышленного производства титана была выз­вана потребностью получения материалов для конструкций мини­мальной массы при высокой их прочности. В таких материалах преж­де всего заинтересованы авиация и ракетная техника.

По своей распространенности в земной коре титан занимает среди металлов четвертое место после алюминия, железа и магния. Содер­жание его в земной коре 0,61 %.

В промышленности металлический титан обычно получают восстановлением четыреххлористого титана металлическим магни­ем или натрием в атмосфере инертного газа. Полученная при этом титановая губка маркируется по твердости выплавленных из нее об­разцов - ТГ100, ТГ105, ТГ110 и т.д. Для получения монолитного ти­тана губку размалывают в порошок, прессуют и спекают или пере­плавляют в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Для уменьшения количества примесей и более равномерного рас­пределения их по сечению слитка рекомендуется 2-3-разовая пере­плавка. Характерная для титановых слитков крупнозернистая струк­тура измельчается путем модификации цирконием или боромПо механическим свойствам титан характеризуется хорошим сочета­нием прочности и пластичности (табл. 42). Механические свойства ти­тана сильно зависят от наличия примесей, особенно водорода, кислоро­да, азота и углерода, которые образуют с ним твердые растворы внедре­ния и промежуточные фазы: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды.

Небольшое количество кислорода, азота и углерода повышает твер­дость, предел прочности и предел текучести, но при этом значительно уменьшается пластичность, снижается коррозионная стойкость, ухуд­шаются свариваемость, способность к пайке и штампуемость, - поэто­му содержание этих примесей в титане ограничено (табл. 41).

Аналогичным образом, но в меньшей степени влияют на свойства титана железо и кремний. Особо вредная примесь - водород. Присут­ствуя в очень незначительном количестве, он выделяется в виде тонких хрупких пластин, гидридной фазы на границах зерен, что значительно охрупчивает титан. Водородная хрупкость наиболее опасна в сварных конструкциях из-за наличия в них напряжений. Допустимое содержание водорода в техническом титане находится в пределах 0,008...0,012 %.

Несмотря на высокую температуру плавления, чистый титан не является жаропрочным материалом. При повышении температуры до 250 °С предел прочности при растяжении снижается вдвое. Титан обладает высокими прочностью и удельной прочностью не только при комнатной температуре, но и в условиях глубокого холода. При темпе­ратуре жидкого гелия предел прочности при растяжении равен 120 МПа.

Таблица 42

Механические свойства титана

Обозначения: σ_в- прочность при растяжении; ε- относительное удлинение; Е - модуль упругости; НВ- твердость по Бринеллю.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ

Сплавы на основе титана обладают высокой удельной проч­ностью. У лучших современных сплавов титана, легированных добавками А1, Сг, V, Мо, Мn, после термической обработки предел прочности при растяжении составляет 1200...1500 МПа, что отве­чает удельной прочности 27...33 км. Легированные стали с тем же пределом прочности имеют удельную прочность 15,5... 19 км.

При комнатной температуре сплавы на основе титана лишь не­значительно превосходят высокопрочные сплавы алюминия и ма­гния. Однако при 150...430 °С сплавы алюминия быстро теряют свою прочность. В этой области температур титановые сплавы превосхо­дят также нержавеющую сталь.

Преимущество титановых сплавов по сравнению с техническим титаном - в более высоких прочности, жаропрочности и жаростойкости при достаточно хорошей пластичности, высокой коррозионной стой­кости и малой плотности. Поэтому титановые сплавы получили широ­кое применение в авиации, ракетной технике, судостроении, химической и других отраслях промышленности. Их применяют для обшивки сверх­звуковых самолетов, изготовления деталей конструкций реактивных авиационных двигателей, корпусов ракетных двигателей второй и тре­тьей ступени, баллонов и шаробаллонов для сжатых и сжиженных га­зов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т. д.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяют­ся на деформируемые и литейные, по механическим свойствам - на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, по­вышенной пластичности. По способности упрочняться с помощью термической обработки титановые сплавы делятся на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. По структуре титано­вые сплавы классифицируются как α-, (α+β) – и β-сплавы.

ДЕФОРМИРУЕМЫЕ СПЛАВЫ

Химический состав и класс по структуре наиболее распростра­ненных деформируемых сплавов представлен в табл. 43.

Сплавы с α-структурой - ВТ5, ВТ5-1 - характеризуются сред­ней прочностью при комнатной температуре, высокими механичес­кими свойствами при криогенных температурах, хорошей жаростой­костью, сопротивлением ползучести и жаропрочностью. Они име­ют высокую термическую стабильность, обладают отличной свари­ваемостью и коррозионной стойкостью. Прочность сварного шва составляет 90 % от прочности основного сплава.

Недостатки этих сплавов – в неспособности упрочняться термической обработкой и в низкой технологической пластичности. Сплавы с оловом более технологичны и жаростойки, но они самые дорогостоящие из сплавов. В горячем состоянии сплавы куют, про­катывают и штампуют. Поставляют их в виде прутков, сортового проката, поковок, труб и проволоки.

Сплав ВТ5 предназначен для изготовления деталей, работаю­щих при температурах до 400 °С, сплав ВТ5-1 - до 500 °С.

Сплавы ОТ4-1 и ОТ4, содержащие меньше алюминия (со­ответственно 2 и 3 %), обрабатываются давлением в холодном состоянии и только при изготовлении сложных деталей подогреваются до 500... 700 °С. Сплавы с большим содержанием алюминия - ВТ4 и ОТ4-2 - при обработке давлением требуют подогрева до 600...800 °С. Недостаток этой группы сплавов - в склонности к водородной хрупкости, поэтому допус­тимое содержание водорода колеблется в пределах 0,02...0,005 %.

Для двухфазных (α+β)-сплавов - ВТЗ-1, ВТ6, ВТ8, ВТ14 и др. - харак­терно лучшее сочетание технологических и механических свойств. Они упрочняются с помощью термической обработки - закалки и старения. В отожженном и закаленном состояниях имеют хорошую пластичность, а после закалки и старения - высокую прочность при комнатной и повы­шенной температурах.

ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ

У титановых сплавов хорошие литейные качества. Недостатком литейных титановых сплавов является большая склонность к погло­щению газов и высокая активность при взаимодействии со всеми формовочными материалами. Поэтому их плавка и разливка ведут­ся в вакууме или в среде инертных газов.

Для фасонного литья применяют сплавы, аналогичные по хими­ческому составу некоторым деформируемым - ВТ15Л, ВТЗ-1Л, ВТ14Л, а также специальные литейные сплавы - ВТЛ1, ВТ21Л.

У литейных сплавов, по сравнению с соответствующими деформируемыми, механические свойства худшие.

Самый дешевый и распространенный сплав - ВТ15Л - обладает хорошими литейными свойствами, он достаточно вязок и пластичен, но прочность его невысока. К наиболее прочным из промышленных сплавов относятся ВТЗ-1Л, ВТ21Л. Литейные сплавы применяются для изготовления трубных заготовок и различных фасонных отливок.

Ответить на контрольные вопросы:

1. Какими свойствами обладает бериллий?

2. Какими свойствами обладают сплавы бериллия?

3. Где используется бериллий и его сплавы?

4. Из чего получают титан и какими свойствами обладает?

5. Какими свойствами обладают сплавы титана?

6. Какими технологическими свойствами и недостатками обладают деформированные сплавы?

7. Какими технологическими свойствами и недостатками обладают литейные сплавы?