Влияние легирующих элементов на свойства алюминево-литиевых сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Ульяновский государственный технический университет

Институт авиационных технологий и управления

Кафедра «Самолетостроение»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

«Материаловедение и технология конструкционных материалов»

На тему «Влияние легирующих элементов на свойства алюминево-литиевых сплавов»

Ульяновск 2010 г

Содержание

Реферат

• Лёгкие сплавы

• Магниевые сплавы

• Бериллиевые сплавы

• Алюминиево-литиевые сплавы

• Титановые сплавы

• Применение магниевых сплавов

• Применение алюминиево-литиевых сплавов

• Применение титановых сплавов

• Применение бериллиевых сплавов

Библиографический список

Реферат

Курсовая работа « Новые сверхлёгкие сплавы » - ИАТУ УлГТУ, 2012, количество страниц 30, таблиц 5, рисунков 3.

СПЛАВ, АЛЮМИНИЙ, БЕРИЛЛИЙ, ЛИТИЙ, МАГНИЙ, ТИТАН, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ, ПЛОТНОСТЬ, ЛЁГКИЙ

Предметом данной курсовой работы являются современные лёгкие Алюминиево-литиевые, Бериллиевые, Титановые, Магниевые сплавы, их особенности, применение их в производстве.

Легкие сплавы

Современная промышленность нуждается в легких сплавах высокой прочности, обладающих хорошими высокотемпературными механическими свойствами. Основными металлами легких сплавов служат алюминий, магний, титан и бериллий. Однако сплавы на основе алюминия и магния не могут применяться в условиях высокой температуры и в агрессивных средах.

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. сплав промышленность термический титановый

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.

Алюминиевые сплавы

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.

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.

Применение магниевых сплавов

Магниевые сплавы в сварных изделиях

В сварных изделиях применяют магниевые сплавы МА2-1, МА8, МА12 и др. В последние годы уделяется внимание освоению процесса сварки деформируемого сплава МА12, который дает возможность создать легкие сварные конструкции, работоспособные при температурах до 350 °С.

Для магниевых сплавов применяют аргонодуговую сварку на переменном токе неплавящимся электродом с подачей присадочной проволоки. Сплавы сваривают после закалки и старения (МА12), после отжига (МА2-1). Изготовленное сварное изделие подвергают старению.

Термическая обработка сплава МА12 очень сложная. Она предусматривает закалку и старение деталей перед сваркой и повторение этих термических обработок после сварки. Такой режим термической обработки обеспечивает наиболее высокую прочность. Однако применение после сварки только старения существенно не снижает прочность металла и вместе с тем делает термическую обработку приемлемой для сварных изделий различных конструктивных форм.

Сплавы на основе системы магний--литий по сравнению, например, со сплавом МА2-1 обладают меньшей плотностью (1,35--1,65 г/см3), более высоким модулем упругости, лучшим показателем удельной жесткости.

Сверхлегкие магниевые сплавы (ИМВ-1, ИМВ-2, ВМД5 и др.) обладают высокой склонностью к окислению. Сверхлегкие магниевые сплавы сваривают аргонодуговым способом на переменном токе с поддувом аргона с обратной стороны.

Применение алюминий-литиевых сплавов

Алюминий-литиевые сплавы являются новым классом широко известных алюминиевых систем и характеризуются прекрасным сочетанием механических свойств: малой плотностью, повышенным модулем упругости и достаточно высокой прочностью. Это позволяет создавать аэрокосмическую технику с меньшей массой, что даёт возможность экономии горючего, увеличения грузоподъемности и улучшения других характеристик летательных аппаратов.

Алюминиевые сплавы, легированные литием, относятся к стареющим системам и отличаются сложностью фазовых и структурных превращений в процессе их термообработки. Эти изменения оказывают сильное влияние на характеристики трещиностойкости, вязкости разрушения, коррозионной стойкости и сопротивления циклическим нагрузкам. Поэтому их понимание представляет большое научное и практическое значение.

Основные свойства сплавов Al-Li: увеличение содержания лития уменьшает плотность алюминия. Добавки лития в пределах твердого раствора приводят к непрерывному увеличению удельного сопротивления. Модуль упругости алюминия возрастает с увеличением содержания лития. При максимальной растворимости лития в твердом растворе модуль упругости составляет 8000кГ/мм². Увеличение содержания лития приводит к повышению прочностных характеристик алюминия. При содержании лития до 2% прочность сплавов возрастает без снижения пластичности, при дальнейшем увеличении содержания лития пластичность резко снижается. Литий при концентрациях до 0,8% сообщает алюминиевым сплавам повышенную стойкость к коррозии, более высокую, чем у чистого алюминия.

В данной работе я хочу остановиться на рассмотрении промышленных алюминий-литиевых сплавах. Рассмотрим сначала их общую характеристику.

Повышенный интерес к легированию алюминиевых сплавов литием, самым легким из металлов с плотностью ~ 0,54 г/см³, обусловлен тем, что каждый процент лития снижает плотность алюминия на 3%, повышает модуль упругости на 6% и обеспечивает в сплавах значительный эффект упрочнения после закалки и искусственного старения.

К настоящему времени создан целый класс сплавов пониженной плотности различного назначения; сплавы для изготовления сварных конструкций; высокопрочные сплавы для замены сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu типа В95; сплавы с высокой трещиностойкостью для замены сплавов типа Д16 системы Al-Cu-Mg; жаропрочные сплавы.

На базе системы Al-Mg-Li разработан оригинальный сплав 1420. Он самый легкий (плотность 2,47г/см³), коррозионностойкий, свариваемый, имеет сравнительно высокую (по сравнению с предыдущими сплавами) прочность и повышенный модуль упругости (7500 кг/мм²). Сплав закаливается как при охлаждении в воде, так и на воздухе. Механические свойства сплава в процессе старения при 20^°С не изменяются, что позволяет легко производить всевозможные технологические операции по деформации в закаленном состоянии. Этот сплав относится к среднепрочным и широко применяется в сварных конструкциях, обеспечивая снижение массы до 20-25% при повышении жесткости до 6%. Также из этого сплава изготовляют плиты, панели, профили, прутки, листы (в состоянии Т1 (см. ниже)).

С целью повышения прочностных свойств, особенно предела текучести, предложены модификации сплава 1420 (1421 и 1423), которые дополнительно легированы скандием и различаются лишь содержанием магния.

Высокопрочные сплавы 1450 и1451 системы Al-Cu-Li характеризуются высокой прочностью не только при комнатной, но и при повышенных температурах, а также обладают хорошей коррозионной стойкостью. При замене сплава В95 сплавами 1450 и 1451 (последний предназначен главным образом для изготовления листов) масса конструкции может снизиться на 8-10% при повышении жесткости до 10%. Высокой жаропрочностью при температурах до 225⁰С обладает сплав ВАД23, дополнительно содержащий марганец и кадмий.

Для замены сплавов типа Д16 на базе системы Al-Mg-Li-Cu разработаны сплавы 1430 и 1440 с более низкой (на ~ 8%) плотностью, повышенным (на 10%) модулем упругости и достаточно высокой трещиностойкостью. Сплав 1430 отличается от сплава 1440 повышенной (в 1,5-2 раза) пластичностью и несколько уступает ему по характеристикам малоцикловой усталости.

Интенсивные работы по созданию алюминий-литиевых сплавов велись также в США, Великобритании и Франции. В середине 80-х годов появились сплавы 2090 системы Al-Cu-Li, 2091 системы Al-Cu-Li-Mg, 8090 и 8091 системы Al-Li-Cu-Mg и публикация состава сплава Navalite системы Al-Mg-Li-Cu.

Сплавы 2090 (аналог отечественного сплава 1450) и 8091 предложены для замены высокопрочных сплавов типа 7075 (отечественные сплавы типа В95), по сравнению с которыми они имеют пониженную на 8-10% плотность и повышенный модуль упругости.

Сплавы 8090 (аналог отечественного сплава 1440), 2091 и Navalite (аналог сплава 1430) рекомендованы для замены сплавов средней прочности с повышенной трещиностойкостью типа 2024 и 2014 (типа Д16 и АК8), по сравнению с которыми они имеют пониженную (на ~ 8%) плотность и повышенный (на ~ 10%) модуль упругости.

Химический состав (основных легирующих и примесных элементов) алюминий-литиевых сплавов приведен в таблице 5.

Таблица 5

Химический состав, плотность с_n и модуль упругости Е алюминий-литиевых сплавов

Отечественные сплавы несколько отличаются от соответствующих зарубежных аналогов по содержанию основных легирующих элементов и дополнительным комплексным микролегированием. Кстати, за рубежом нет аналога отечественному сплаву 1420. Это объясняется значительными трудностями при плавке и литье сплавов системы Al-Mg-Li. Поэтому зарубежные фирмы сосредоточили свои усилия на разработке и освоении более технологичных, но менее плотных, чем 1420, сплавов систем Al-Cu-Li и Al-Cu-Li-Mg.

В процессе освоения промышленного производства полуфабрикатов из сплава 1420 у нас были решены сложные технологические проблемы, характерные и для других алюминий-литиевых сплавов, обусловленные: присутствием химически активных элементов - лития и магния; высокой степенью легирования, достигающей 14% (атомное содержание); сильной локализацией деформации в полосах скольжения и интенсивным упрочнением с резким уменьшением пластичности при холодной пластической деформации; отсутствием режимов смягчающего отжига, обеспечивающего разупрочнение и повышение пластичности до уровня, необходимого для осуществления значительной холодной деформации; пониженной пластичностью и вязкостью разрушения в высотном направлении массивных полуфабрикатов.

Большое внимание было уделено таким вопросам: уменьшение газосодержания в сплаве; повышение чистоты по таким примесям, как Na, K, Fe, Si; отработка технологии получения полуфабрикатов с регламентированной микроструктурой, включая листы с ультрамелкозернистой структурой для сверхпластичной формовки; отработка технологии сварки плавлением, обеспечивающей высокие ресурсные характеристики.

Из алюмимний-литиевых сплавов изготавливают практически все виды полуфабрикатов - прессованные, штамповки, плиты, листы.

Влияние режимов старения. Алюминий-литиевые сплавы могут быть состарены до трех состояний: недостаренное (мягкий режим), до максимальной прочности («пик» старения) и перестаренное. Для того, чтобы обеспечить нужное сочетание прочности, пластичности, вязкости и коррозионной стойкости, разрабатывались оптимальные режимы старения. Установлено, что для большинства сплавов высокая пластичность и вязкость разрушения в сочетании со средним уровнем прочностных свойств достигаются после низкотемпературного старения в мягком режиме - недостаренное состояние. Однако лучшая коррозионная стойкость обеспечивается в результате перестаривания или старения на максимальную прочность. Наилучший комплекс свойств (механические свойства при растяжении - вязкость разрушения) получен при сочетании высокой деформации (2-8%) после закалки с низкотемпературным старением.

И, наконец, рассмотрим свойства промышленных полуфабрикатов из сплавов Al-Li. Из промышленных сплавов изготавливают различные полуфабрикаты - листы, плиты, штамповки и разнообразной формы прессованные изделия, которые могут применяться в зависимости от требуемого комплекса и уровня свойств в нескольких состояниях.

Изменяя режимы термической и термомеханической обработки алюминий-литиевых сплавов, можно получать различный комплекс свойств.

Алюминий-литиевые сплавы наиболее эффективно применяются в летательных аппаратах. Это связано с тем, что они имеют более высокую стоимость, но при этом более низкую плотность и более высокий модуль упругости по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами систем Al-Cu-Mg и Al-Zn-Mg-Cu.

Оптимальное сочетание прочностных свойств, коррозионной стойкости, характеристик трещиностойкости и вязкости разрушения обеспечивается получением полуфабрикатов с заданной регламентированной структурой и применением термомеханической обработки, включающей закалку, определенную холодную деформацию и старение.

Алюминий-литиевые сплавы занимают особое положение среди других стареющих алюминиевых систем, что обусловлено их более высоким модулем упругости и меньшей плотностью, свойствами, открывающими новые возможности применения металлических легких материалов, в частности для аэрокосмической техники. Однако при этом им свойствен один недостаток - низкая пластичность в состоянии максимальной прочности. Для его преодоления проведено много исследований влияния различных факторов на пластичность и характеристики разрушения алюминий-литиевых сплавов. Выяснено, что причинами пониженной пластичности и вязкости разрушения являются неоднородность деформации; наличие зон, свободных от выделений упрочняющей фазы, связанных с зарождением различных фаз, содержащих литий, по границам зерен; появление пор возле крупных частиц и наличие естественных примесей, таких как K, Na, S, H₂, Fe, Si, образующих или легкоплавкие эвтектики по границам зерен, или выделение по ним фаз. Перечислю основные меры, которые были предложены для решения этой проблемы (повышения пластичности). В первую очередь это легирование алюминий-литиевых сплавов медью и магнием, которые образуют тройные фазы с литием и вызывают твердорастворное упрочнение. Эти фазы наряду с промежуточной способствуют упрочнению сплавов при старении, и более однородной его деформации. Этой же цели служит и легирование алюминий-литиевых сплавов цирконием и скандием. Еще есть метод двухступенчатого старения. Такое старение вызывает более равномерное распределение фаз выделения и стабилизацию дисперсной структуры. Однако следует сказать, что еще не исчерпаны все возможные способы улучшения пластичности сплавов Al-Li.

Исследованию алюминий-литиевых сплавов, усовершенствованию технологии производства различных полуфабрикатов, разработке новых композиций сплавов и оценке перспективности их применения, особенно в авиационной технике, уделяется большое внимание во многих странах.

Применение титановых сплавов

В промышленных масштабах лёгкие титановые сплавы начали применять в авиастроении в 50-х гг. Эти сплавы обладают высокой прочностью в широком интервале температур -- от криогенных (--250 °С) до умеренно высоких (300--600 °С) -- и отличной коррозионной стойкостью.

Чистый титан характеризуется невысокой прочностью (_в250-450 МПа), высокой пластичностью (=50-60 %, =70-90 %) и технологичностью при обработке давлением, включая холодную штамповку В связи с невысокой плотностью (4,5 г/см3) он обладает преимуществами перед многими материалами по удельным прочностным характеристикам. Титан отличается высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах (щелочах, кислотах, щелочных и кислотных растворах) и других активных средах. Важные области его применения определяет высокая коррозионная стойкость в естественных средах, в том числе морской атмосфере и морской воде. Титан обладает рядом привлекательных теплофизических свойств, что обусловливает его применение в некоторых специфических областях техники.

Эффективность применения титана во многих назначениях можно значительно повысить легированием и методами термической обработки. Эти направления во многом определяются его полиморфизмом: как известно, до температуры 882,5 °С титан обладает ГПУ-структурой (-фаза), выше 882,5 °С до температуры плавления - ОЦК-структурой (-фаза).

По влиянию на полиморфизм титана С.Г. Глазунов разделил все легирующие элементы на три группы.

Первая группа представлена -стабилизаторами - элементами, повышающими температуру полиморфного превращения титана (рис. 1.8, а). Из металлов к числу -стабилизаторов относятся алюминий, галлий и индий; из неметаллов - углерод, азот и кислород.

Во вторую группу входят -стабилизаторы -- элементы, понижающие температуру полиморфного превращения титана. Их можно разбить на три подгруппы. В сплавах титана с элементами первой подгруппы при достаточно низкой температуре происходит эвтектоидный распад -фазы + (рис. 1.8, б); к числу таких элементов относятся кремний, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь -- их называют эвтектоидообразующими -стабилизаторами. В сплавах с эвтектоидообразующими -стабилизаторами, представленными переходными элементами, -фаза довольно устойчива и сохраняется длительное время при температурах ниже эвтектоидной. В сплавах титана с непереходными элементами -фаза мало устойчива и ее не удается зафиксировать даже закалкой с температур выше эвтектоидной.

Рис. 1.8. Влияние легирующих элементов на температуру полиморфного превращения титана

В сплавах титана с элементами второй подгруппы при достаточно высокой их концентрации -раствор сохраняется до комнатной температуры, не претерпевая эвтектоидного распада (рис. 1.8, в). К числу этих элементов принадлежит ванадий, молибден, ниобий, тантал, вольфрам. Поскольку они образуют непрерывные растворы с -титаном, их называют (-изоморфными стабилизаторами. В сплавах этой подгруппы при низких температурах и больших выдержках может происходить монотектоидное превращение 1+2. В промышленных условиях производства титановых сплавов указанное превращение не реализуется и поэтому нс учитывается.

В сплавах третьей подгруппы равновесная -фаза также стабилизируется при комнатной температуре, но непрерывных -твердых растворов не образуется (рис. 1.8, г), так как не соблюдается принцип изоморфности взаимодействующих элементов. К элементам этой подгруппы относятся рений, рутений, родий, осмий, иридий. Их можно назвать квазиизоморфными -стабилизаторами.

Третья группа представлена легирующими элементами, мало влияющими на температуру полиморфного превращения титана. К ним принадлежат олово, цирконий, германий, гафний, торий. Эти элементы называют нейтральными упрочнителями.

Общая классификация легирующих элементов и примесей в титане приведена на рис. 1.9, па котором показано их распределение по различным группам. Кроме того, элементы разбиты на две группы по типу растворов, которые они дают с титаном: элементы замещения и элементы внедрения.

Рис. 1.9. Классификация легирующих элементов и примесей в титане (С.Г. Глазунов, Б. А. Колачев)

Почти все промышленные титановые сплавы содержат алюминий и поэтому система титан-алюминий в металловедении титана имеет такое же большое значение, как система железо-углерод для сталей. На рис. 1.10 приведен вариант диаграммы состояния этой системы, который считается наиболее достоверным. В богатой титаном области системы Ti-AI образуется два интерметаллида Ti3AI (2-фаза) и TiAl (-фаза). Фаза 2 (Ti3Al) имеет ГПУ кристаллическую решетку, близкую к структуре -фазы, но отличается от нее упорядоченным расположением атомов титана и алюминия. Фаза (TiAl) обладает упорядоченной тетрагонально-искаженной гранецентрированной решеткой, аналогичной сверхструктуре CuAu, в которой слои, упакованные атомами титана, чередуются со слоями, занятыми атомами алюминия.

Растворимость алюминия в -титане уменьшается с понижением температуры и составляет 10; 9; 8 и 7 % мае. при 900, 800, 700 и 600 °С соответственно.

Алюминий является основным легирующим элементом в титановых сплавах; он присутствует почти во всех сплавах. Алюминий имеет следующие преимущества перед остальными легирующими компонентами:

1) он широко доступен и сравнительно дешев;

2) плотность алюминия значительно меньше плотности титана, поэтому введение алюминия повышает удельную прочность сплавов;

3) алюминий эффективно упрочняет сплавы при сохранении удовлетворительной пластичности;

4) с увеличением содержания алюминия повышается жаропрочность сплавов;

5) алюминий повышает модуль упругости;

6) с увеличением содержания алюминия в сплавах уменьшается их склонность к водородной хрупкости.

Однако с увеличением содержания алюминия повышается чувствительность титановых сплавов к солевой коррозии, а также уменьшается их технологическая пластичность. Поэтому, если есть опасность контакта сплавов с поваренной солью при работе в интервале температур 250-550 °С или необходима высокая технологическая пластичность, содержание алюминия в титановых сплавах следует ограничивать.

Рис. 1.10. Диаграмма состояния системы Ti-Al

Другими наиболее распространенными легирующими элементами являются ванадий и молибден. Кроме этих трех металлов в промышленных титановых сплавах в качестве легирующих элементов встречаются еще девять металлов: Zr, Cr, Mn, Fe, Cu, Sn, Nb, W и Та.

В некоторых опытных сплавах можно встретить Ga, Sb, Bi, но широкого промышленного применения такие сплавы не получили. Палладий, рутений и платину добавляют к чистому титану для повышения его стойкости в сильных коррозионных средах. Титановые сплавы легируют также кремнием, который вводят для повышения жаропрочности. Элементы внедрения: углерод, кислород, азот, водород, являются вредными примесями. Вместе с тем кислород в небольших концентрациях может быть полезным легирующим элементом.

Некоторые отечественные титановые сплавы, их применение и характеристики.

Применение бериллиевых сплавов

Бериллий лишь сравнительно недавно занял свое место среди важных для промышленности металлов, число которых непрерывно увеличивается. Хотя ценные качества бериллия как компонента сплавов были обнаружены в 1926 г., его широкое промышленное применение началось лишь с 1941 г.

Основной бериллиевый минерал-- берилл--был известен еще за 5000 лет до открытия бериллия и применялся в качестве драгоценного камня уже в 1650 г. до н. э.. Старейшие из известных его разработок находились в горах Забара в Египте. Римский ученый Плиний-старший установил в 50 г. н. э., что берилл и изумруд сходны друг с другом. Изумруд, представляющий собой кристаллическую разновидность берилла зеленого цвета, ценится в настоящее время дороже алмаза. Другими разновидностями содержащих бериллий драгоценных камней является аквамарин (голубовато-зеленого цвета), морганит (розовый) и гелиодор, или золотой берилл. Честь открытия бериллия принадлежит французскому химику Луи-Николя Вокелену (1763-- 1829), который по просьбе французского минералога Гойи попытался в 1798 г. установить предполагавшуюся общность химического состава берилла и изумруда. Исследования Вокелена подтвердили эту общность и привели к открытию нового элемента, названного им сначала «берилловой землей». Редакторы журнала, в котором появилась первая публикация о вновь открытом элементе, предложили для него название «глюциний», вследствие того что его растворимые соли имели сладкий вкус и напоминали глюкозу. Впоследствии название глюциний и соответствующий ему химический символ Gl были заменены названием «бериллий» и символом Be.

Как и для некоторых других редких элементов, для бериллия характерен большой разрыв между временем открытия и началом его промышленного применения. Элемент бериллий был открыт Вокеленом еще в 1798 г., тогда как начало его промышленного применения в сплавах относится к 30-м годам текущего столетия.

Первые мелкие лепестки весьма грязного металла были получены в 1828 г. Вёлером в Германии и Бюссй во Франции, тогда как небольшие образцы более чистого металла, содержавшие до 99,8% бериллия, были получены французом Лебб только в 1898 г. при электролизе смеси фторидов калия, натрия и бериллия.

Причина столь длительного промежутка между датой открытия бериллия и его выходом на промышленную арену объясняется исключительными трудностями, лежащими как на пути выделения соединений этого элемента из концентрата, так и на пути получения металла из его химических соединений.

В самый последний период к бериллию проявляет заметный интерес и авиационная промышленность, рассматривающая этот металл и сплавы на его основе как потенциальный конструкционный материал для самолето и ракетостроения.

Широко известны также успешные попытки применения бериллия в качестве модифицирующих добавок к ряду сплавов, в том числе на магниевой и алюминиевой основах, которым он обычно придает большую прочность и в которых благодаря большому сродству к кислороду он играет роль активного раскислителя. Многочисленные исследования показали, что этот металл по плотности близок к магнию, имеет точку плавления, несколько более высокую, чем у марганца, коррозионно-устойчив на воздухе примерно так же, как алюминий, и не имеет аллотропических превращений. Впоследствии прямыми измерениями было установлено, что электропроводность бериллия составляет 40--44% от электропроводности меди; модуль Юнга для бериллия составляет 140% от модуля Юнга для железа, вследствие чего скорость звука в нём необычайно высока.

Вопрос о токсичности Бериллия приобрел значение в период с 1У43 по 1946 г. и с тех пор является предметом обширных медицинских исследований, продолжающихся и до настоящего времени. В результате этих исследований была установлена возможность организации контроля, необходимого для развития промышленности бериллия с соблюдением техники безопасности.

В промышленных масштабах бериллиевые сплавы начали применять в 50х годах. Основное направление в использовании бериллиевых сплавов -- создание конструкционных материалов для летательных аппаратов. Ряд бериллиевых сплавов системы бериллий -- алюминий (алюминия 24--43%), получивших название «локэллой», разработан американским концерном «Локхид». Эти сплавы обладают многими ценными свойствами: малой плотностью, высокой пластичностью, сравнительно небольшой чувствительностью к поверхностным дефектам. Сплавы не требуют химического травления после обработки резанием. Большой диапазон значений модуля упругости, прочности и пластичности, характерный для этих бериллиевых сплавов, обеспечивает широкую сферу их применения.

Достаточно большое распространение получили конструкционные бериллиевые сплавы системы алюминий -- бериллий -- магний (АБМ), содержащие 10--70% бериллия и 2--9% магния; эти Б. с. разработаны И. Н. Фридляндером, Р. С. Амбарцумяном, К. П. Яценко совместно с А. В. Новосёловой. Сплавы АБМ в зависимости от содержания бериллия имеют плотность 2000--2400 кг/м³, модуль упругости 120--240 ГПа, характеризуются высокой удельной прочностью и жёсткостью, повышенным сопротивлением повторным, акустическим и ударным нагрузкам, малой чувствительностью к концентраторам напряжений.

Основной метод получения изделий и полуфабрикатов из бериллиевых сплавов -- порошковая металлургия; иногда для этой цели применяется литьё. Высокопрочные дисперсноупрочнённые бериллиевые сплавы получают обработкой горячепрессованных заготовок давлением в стальных оболочках при 1010--1175°С. Изделия из бериллиевых сплавов: прутки, трубы, конусы, листы, профили и т. д. Созданные материалы на основе бериллия способны работать длительное время при 1100--1550°С и короткое время при 1700°С; эти материалы представляют собой интерметаллические соединения бериллия (с ниобием, танталом, цирконием).

Бериллий используется также для изготовления слоистых и композиционных материалов бериллий -- алюминий, бериллий -- титан и другие, обладающих ценным сочетанием свойств.

Для радикального повышения E/ сплавы должны содержать значительное количество элементов, обладающих высоким значением Е/ и образующих в структуре сплавов самостоятельные фазы. Применительно к алюминиевым сплавам этим требованиям наиболее полно отвечают сплавы на основе системы А1-Ве эвтектического (или перитектического) типа (рис. 17), представляющие собой механическую смесь очень жесткой и хрупкой бериллиевой фазы с пластичной алюминиевой матрицей, в которых удачно сочетаются уникальный El бериллия с высокой пластичностью алюминия.

Для сплавов системы Ве-А1 характерно наличие обширной области первичной кристаллизации фазы (Be). Наиболее вероятно, что она распространяется от чистого бериллия примерно до состава,

близкого к 99 % А1, 1 % Be . Фаза (Be) представляет собой твердый раствор алюминия в бериллии и по своим свойствам мало отличается от чистого бериллия, так как содержание алюминия в нем невелико.

Результаты определения растворимости алюминия в бериллии сильно различаются* и значения растворимости колеблются в пределах от 0,156 ДО.8% . Наиболее вероятной следует считать величину, близкую к 1 % при 650 *С.

Однако, несмотря на удачное сочетание свойств бериллия, и алюминия, очень высокая жесткость и прочность бериллиевой фазы в двойных сплавах системы А1-Ве реализуются только частично из-за очень низкой прочности алюминиевой матрицы, разрушающейся под действием растягивающих напряжений при сравнительно низких нагрузках (табл. 39,40).

Библиографический список

• Ильин А.А., Колачёв Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства.М. ВИЛС - МАТИ, 2009. - 520 с.

• Цветные металы и сплавы. справочник. Нижний Новгород 2001 год

• Справочник «АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ» (Состав, свойства, технология, применение). В. М. Белецкий, Г. А. Кривов. Под общей редакцией академика РАН И. Н. Фридляндера-К. 2005.- 365 с.

• АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ. Металловедение алюминии и его сплавов. Справочное руководство. Изд-во «Металлургия», 1971. с. 352.

• Магний. Эйдензон М. А. Изд-во «Металлургия», 1969, 352 с.

• БЕРИЛЛИЙ Под редакцией Д.УАЙТА и ДЖ.БЕРКА Перевод с английского Под редакцией канд. хим. наук М, Б. РЕЙФМАНА ИЗДАТЕЛЬСТВО ИНОСТРАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Москва 1960

• Бериллий--материал_современной_техники:Справ, иэд.Фридляндер,ИЛЬИН,ЯценкоК.П.,Терентьева Т.Е.,Хелковский-Сергеев Н.А. -- М.: Металлургия, 1992. -128 с.

Размещено на Allbest.ru