Материалы с малой плотностью

Материалы с малой плотностью (легкие) широко используются в авиа- ракетной и космической технике, а также в авто- судостроении и др. Их применение дает возможность снизить массу и за счет этого увеличить грузоподъемность летательных аппаратов.

Основными легкими конструкционными материалами являются: пластмассы, цветные металлы –

Mg Be Al Ti и сплавы на их основе.

Алюминий и его сплавы

Помимо небольшой плотности (2,7 г/см ³ - это примерно в 3 раза меньше плотности железа), алюминий характеризуется высокой электропроводностью, коррозионной стойкостью. Температура плавления у алюминия довольно низкая – 660 ^о С.

Механические свойства технического алюминия сравнительно невысоки; лучшие свойства у сплавов на его основе. Маркировка алюминия : А0 – 99,0 % Al … А999 - 99,999 % Al.

Алюминиевые сплавы

* Для повышения прочности упрочняемые т/о алюминиевые сплавы подвергают закалке и последующему старению (дисперсионному твердению. При этом в отличие от сталей мах прочность сплава достигается старением, а не закалкой.

Магний и его сплавы

Магний очень легкий металл, его плотность - 1,74 г/см ³. Температура плавления, как и у алюминия – невысокая – 650^о С. Магний химически очень активен, вплоть до самовозгорания на воздухе, поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности при работе с магнием (чаще применяют покрывные флюсы). Магний имеет невысокие механические свойства, лучшие свойства – у его сплавов. Основными являются сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем, цирконием (Zr) . Сплавы упрочняют закалкой с последующим старением.

Главным преимуществом магниевых сплавов является их высокая удельная прочность (прочность, отнесенная к удельному весу). Поэтому магний используется в самолето- и ракетостроении.

Из-за низкой сопротивляемости коррозии необходима защита оксидированием (создание на поверхности изделий защитных оксидных пленок) с последующим лакокрасочным покрытием .

Деформируемые магниевые сплавы : МА1, МА8, МА9, МА12.

Литейные магниевые сплавы : МЛ3, МЛ5, МЛ19.

Материалы с высоко удельной прочностью (прочность, отнесенная к удельному весу)

Титан и его сплавы

К таким материалам, прежде всего относится титан и его сплавы (а также в эту группу входит бериллий (Ве), но он относится к числу редких металлов, а следовательно и очень дорогих).

Тi - металл серебристо-белого цвета, плотность его составляет 4,5 г/см³ (тяжелее алюминия, но чуть-ли не в двое легче железа); Т_{плавления} - 1672^о С.

Преимущества титановых сплавов:

- малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность;

- сочетание высокой прочности с хорошей пластичностью;

- высокая коррозионная стойкость;

-хорошая жаропрочность (может работать при температурах порядка 600-700 ^о С).

Недостаток – высокая химическая активность с газами при повышенных температурах (поэтому при технологических операциях необходимо применение вакуума или защитной атмосферы); к недостаткам также относится плохая обрабатываемость резанием

Основной легирующий элемент титановых сплавов – это алюминий; он увеличивает прочность и жаропрочность, хотя и снижает пластичность. Упрочнение титановых сплавов достигается легированием, наклепом (холодной деформацией), термообработкой.

В промышленности применяют:

- α-сплавы – ВТ5, ОТ4, ОТ4-1, ВТ20…

- α+β –сплавы – ВТ3-1 (широко распространенная марка), ВТ6, ВТ8, ВТ9…Двухфазные α+β –сплавы обладают наиболее благоприятным сочетанием механических и технологических свойств; упрочняются термообработкой (закалка + старение), удовлетворительно обрабатываются резанием.

У литейных титановых сплавов в конце маркировки стоит буква Л: ВТ5Л, ВТ3-1Л.

Области применения:- авиа-, ракетостроение – корпуса, лопатки, диски, крепеж; химическая промышленность; судостроение (гребные винты, обшивка); криогенная техника(высокая ударная вязкость сохр-ся до минус253 ^о С).

Медь и ее сплавы

Медь – пластичный металл красновато-розового цвета, относится к тяжелым металлам (плотность – 8,94 г/см ³,т.е. тяжелее железа (7,87)). Температура плавления составляет 1083 ^о С. Медь обладает хорошей устойчивостью против коррозии. Характерным свойством является ее высокая электропроводность, поэтому широко применяется в электротехнике. Маркировка чистой меди : М00 … М4 (М00-99,99%Си, М4 – 99% Си)

В качестве конструкционного материала медь применяется редко (низкие механические свойства). Повышение механических свойств достигается созданием сплавов:

- латуни (Си + Zn)- медно-цинковые сплавы;

- бронзы - все сплавы меди, кроме латуней и медно-никелевых сплавов.

Латуни

Латуни широко используются в приборостроении, машиностроении, в том числе химическом машиностроении. По способу изготовления различают латуни деформируемые и литейные. В маркировке медных сплавов заглавными буквами русского алфавита обозначают следующие легирующие элементы: О-олово,С – свинец, Ж- железо, Ф-фосфор, Мц –марганец, А –алюминий, Ц - цинк, Б-бериллий, Н–никель.

Деформируемые латуни Литейные латуни

буква буква цифра цифра буква цифра буква цифра

Л62- латунь , содержание Си -62%, ЛЦ23А6Ж3Мц2 – латунь,

остальное – Zn (38%); Zn – 23%. Аl -6%, Fе –3 %, Мп – 2%,

ЛАЖ60-1-1 - латунь, содержание Си-60%, остальное - Си

Аl – 1%, Fе – 1%, ост. – Zn

Применение – прутки, трубы для судо- и приборостроения

Бронзы

Бронзы –это двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, бериллием,, кремнием и др. Различают деформируемые и литейные бронзы.

Деформируемые Литейные

буква буква цифра цифра буква цифра буква цифра

Бр.АЖ 9-4 – бронза, БрО3Ц7С5Н1 – бронза, содержание содержание Аl – 9%, Fе – 4%, Sn -3%. Zn- 7%. Pb- 5%, Ni- 1%,

остальное - Си остальное – Си.

Оловянные бронзы (БрОЦС 4-4-2,5) обладают хорошими антифрикционными свойствами , поэтому широко используются для изготовления вкладышей, деталей подшипников.

Алюминиевые бронзы (БрАЖМц 10-3-1,5)применяют для изготовления высокоответственных деталей типа шестерен, втулок, фланцев.

Бериллиевая бронза (БрБ2) обладает высокой прочностью и упругостью; применяется для изготовления всевозможных пружин, пружинящих контактов приборов.

Другие цветные металлы нашли меньшее применение в технике. Тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, хром, тантал, ниобий) и никель, а также их сплавы используются как жаропрочные. Сплавы легкоплавких металлов (олова, цинка, свинца) используются в подшипниках скольжения (эти сплавы называются баббиты) и в качестве припоев для пайки металлов. Кроме того, значительная часть цинка расходуется на нанесение покрытий на металлические изделия, олова - на лужение консервной жести, свинца - на изготовление оболочек электрических кабелей, производство свинцовых аккумуляторов, емкостей для хранения радиоактивных материалов.

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Композиционные материалы (КМ) по удельной прочности (удельная прочность – это прочность материала, отнесенная к его плотности), прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы. Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее. При этом КМ придают по возможности форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей.

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделенные ярко выраженной границей.

Компонент, непрерывный в объеме КМ называется матрицей. Компонент , распределенный в матрице, чаще всего играет роль упрочнителей и называется наполнителем или арматурой.

КМ подразделяются на волокнистые (упрочнитель- волокна , диаметр которых намного меньше размеров матрицы, а длина равна длине изделия), слоистые ( упрочнитель - в виде пластин), дисперсноупрочненные (содержат частицы, значительно меньшие по размеру, чем изделие).

Упрочняющие компоненты (арматура, наполнитель) равномерно распределены в матрице.

КМ, имеющие одинаковые свойства во всех направлениях, называются изотропными. К ним относятся композиты, наполненные порошками, короткими волокнами, чешуйками.

Материалы, свойства которых неодинаковы в различных направлениях, называются анизотропными. Это КМ с армирующими элементами в виде непрерывных волокон, пластин, ткани, сеток и т.д.

Армирующие элементы (чаще всего используют волокна) несут внешнюю нагрузку и должны обладать низкой плотностью, высокой прочностью, химической стойкостью и др.

В качестве армирующего элемента используют углеродные, борные, стеклянные и органические волокна, волокна карбида кремния и др. в виде нитей, жгутов, лент, а также в виде сетки из проволоки.

Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств КМ, защищает арматуру (наполнитель) от механических повреждений и других воздействий среды. В зависимости от материала, матрицы подразделяются на металлические, полимерные или керамические.

Для изготовления металлических матриц используют металлы с небольшой плотностью – алюминий, магний, титан и сплавы на их основе, а также никель, служащий основным компонентом жаропрочных сплавов и кобальт. Упрочнение легких металлов и их сплавов высокопрочными волокнами позволяет создавать КМ с высокой удельной прочностью. Жаропрочные КМ изготавливают на основе сплавов никеля и кобальта, упрочненных керамическими (SiC, Si₃Ni₄ Al₂O₃) и углеродными волокнами. . Их применяют для изготовления тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей, камер сгорания, тепловых экранов, жаростойких труб.

В качестве полимерных матриц применяют эпоксидные, полиамидные, феноло-формальдегидные и другие смолы. КМ на основе полимеров имеют низкую плотность, высокую коррозионную стойкость и др. положительные свойства. Однако для большинства КМ с неметаллической матрицей характерны низкая прочность связи волокна с матрицей, резкая потеря прочности при температурах выше 100-200^о С. Упрочнителями служат углеродные, борные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, жгутов, лент.

В качестве керамических матриц используют материалы на основе оксидов (SiО_{2 ,} Al₂O₃

ZrО₂ BeO₂ ), боридов (TiB₂, ZrB₂) , карбидов (SiC, TiC). КМ с керамической матрицей обладают высокимитемпературой плавления, стойкостью к окислению, термоударам, прочностью при сжатии.

Керамические КМ на основе карбидов и оксидов с добавками металлического порошка называются керметами. Наиболее распространенные керметы – это материалы на основе оксида алюминия и тугоплавких металлов. Помимо порошков для армирования керамических КМ используют металлическую проволоку из вольфрама, молибдена, ниобия, жаропрочной стали, а также неметаллические волокна (керамические и углеродные).

По способу изготовления КМ подразделяют на полученные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения – напыления и комбинированными методами. Кжидкофазным методам относят пропитку арматуры полимером или жидким металлом . К твердофазным методам – прессование, прокатку, экструзию (выдавливание), ковку, сварку взрывом, волочение, при которых компоненты формируются в КМ, где в качестве матрицы используют порошки или тонкие листы (фольгу). При получении КМ осаждением – напылением, матрица наносится на волокна из раствора солей, парогазовой фазы, плазмы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: