Доклад: Анализ влияния химического состава и технологии получения на жаропрочность металлов и сплавов

Несмотря на это, жаропрочные магниевые сплавы, благодаря их легкости, высокой вибрационной прочности, жесткости и достаточной удельной жаропрочности могут применяться ц конструкциях ответственных летательных аппаратов (авиационная и ракетная техника и др.) - По удельной прочности и жаропрочности наилучшие магниевые сплавы превосходят жаропрочные алюминиевые сплавы. Немаловажное значение имеют большие запасы магния в земной коре [2,1% (по массе), и его сравнительно невысокая стоимость.

Правда, жаропрочные магниевые сплавы заметно уступают алюминиевым по технологичности (при плавке,. литье, обработке давлением и термической обработке),. коррозионной стойкости и прочностным свойствам при г комнатной температуре [аи==320 - 330 Мн/м2 (32 - 33 кГ/мм2)]. Коррозионную стойкость магниевых сплавов повышают методами химической и лакокрасочной защиты.

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Алюминий в отличие от магния имеет г. ц. к. решетку и более высокий модуль нормальной упругости Е=73800 Мн/м² (7380 кГ/мм²), поэтому алюминиевые сплавы при нормальной температуре более прочны и пластичны, чем магниевые. При повышенных же температурах (например, 300° С) алюминиевые сплавы по удельной жаропрочности несколько уступают магниевым сплавам, так как удельный вес алюминия примерно в 1,5 раза больше, чем у магния (2,7 против 1,74 г/см).

Температура плавления алюминия на 10 град выше, чем у магния (660 вместо 650° С). Длительная твердость при 300° С у алюминия также несколько выше чем у магния: 40 вместо 30 Мн/м (4 вместо 3 кГ/мм), что, по-видимому, и определяет более высокий уровень рабочих температур алюминиевых сплавов (350-400° С) по сравнению с рабочими температурами магниевых сплавов (300-350° С).

По распространенности в природе алюминий занимает второе место (после кремния). Содержание алюминия в земной коре составляет около 8,8% (по массе), что свидетельствует о больших запасах алюминиевого сырья. По стоимости алюминий примерно на 40% дешевле меди.

Характерная особенность алюминиевых сплавов по сравнению с магниевыми-высокая технологичность. В отличие от магниевых сплавов алюминиевые сплавы не нуждаются в специальной защите при плавке, литье, термической обработке и других технологических операциях. Плотная окисная пленка из AI2O3, образующаяся на алюминиевых сплавах, хорошо защищает их от окисления при комнатнойи повышенных температурах.

Из-за высокой тепло - и электропроводности чистого алюминий составляющих примерно 65% от этих свойств меди, некоторые жаропрочные малолегированные алюминиевые сплавы в настоящее время применяют вместо меди как проводниковые материалы.

ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ

Современные жаропрочные титановые сплавы, так же как магниевые и алюминиевые сплавы, относятся к легким конструкционным материалам (плотность титана 4,5 г/см). Благодаря высокой удельной прочности и жаропрочности, коррозионной стойкости в различных средах и хорошей свариваемости их применяют в авиационной, ракетной и других областях техники (обшивка сверхзвуковых самолетов, детали реактивных двигателей и др.).

Рабочие температуры жаропрочных титановых сплавов пока составляют 450-500° С. По пределу длительной прочности при 300-350°С они превосходят лучшие жаропрочные алюминиевые сплавы в 8-10 раз, а при более высоких температурах алюминиевые и тем более магниевые сплавы вообще неприменимы.

Кратковременно современные жаропрочные титановые сплавы могут работать при температурах 600 - 650°С и выше. Длительное же использование (сотни часов и более) их в окислительных средах при температурах выше 500°С невозможно из-за сильного окисления; покрытий, обеспечивающих надежную защиту титановых сплавов от окисления, пока нет.

В последние годы некоторые жаропрочные титановые сплавы стали применять не только в деформированном, но и литом состоянии (сплавы типа ВТ5 и др.). Многие деформируемые титановые сплавы благодаря узкому интервалу кристаллизации обладают хорошими литейными свойствами и сохраняют достаточную пластичность в литом состоянии при комнатной температуре δ >=5 - 7% и ψ>=10-15%).

МЕДНЫЕ СПЛАВЫ

Медь является одним из важнейших дефицитных цветных металлов, удачно сочетающим в себе высокую электро - и теплопроводность с достаточной прочностью.

До недавнего времени механические свойства меди и ее сплавов изучали лишь при комнатной температуре.

Систематических данных о влиянии легирующих элементов на физико-механические свойства меди при повышенных и тем более высоких температурах до пятидесятых годов практически не было.

Между тем, с развитием новых областей техники возникла острая потребность в медных сплавах, которые наряду с высокой прочностью и жаропрочностью одновременно обладали бы высокой тепло - и электропроводностью. Если та или иная деталь хорошо отводит тепло и проводит ток, то она меньше нагревается и при наличии необходимой жаропрочности длительнее сопротивляется пластическим деформациям при повышенных температурах. Именно такие медные сплавы в настоящее время представляют наибольший практический интерес.

Благодаря высокому теплоотводу (при интенсивном охлаждении) теплопроводные жаропрочные медные сплавы могут работать в таких условиях, которых не выдерживают жаропрочные сплавы на основе железа и другие малотеплопроводные сплавы.

Таким образом, стойкость и работоспособность медных сплавов при повышенных температурах в основном зависит от оптимального сочетания жаропрочности и тепло - или электропроводности.

НИКЕЛЕВЫЕ И КОБАЛЬТОВЫЕ СПЛАВЫ

В настоящее время жаропрочные никелевые сплавы по своему значению вышли на одно из первых мест и находят широкое применение в различных областях техники (авиационное двигателестроение, стационарные газовые турбины, химическое аппаратостроение и др.), Объясняется это тем, что жаропрочные никелевые сплавы удачно сочетают высокую жаропрочность, окалиностойкость и технологичность.

Только за последние 15--20 лет рабочие температуры жаропрочных никелевых сплавов возросли примерно с 750 до 1000-1030°С. Это оказалось возможным за счет:

· использования для приготовления жаропрочных сплавов более чистых шихтовых материалов, свободных от вредных легкоплавких примесей (свинец, висмут, олово, сурьма, сера и др.);

· легирования жаропрочных сплавов значительными количествами вольфрама, кобальта, молибдена и ниобия (вводимых раздельно или совместно), которые существенно затормаживают диффузионные процессы разупрочнения в сплавах и повышают их жаропрочность;

· увеличения до оптимального уровня содержания легирующих элементов, вызывающих упрочнение жаропрочных никелевых сплавов при термической обработке (в первую очередь алюминия и титана);

· введения в сплавы небольших добавок бора, циркония и других аналогичных легирующих элементов, способствующих упрочнению границ зерен и приграничных областей за счет образования боридов и др.;

· наконец, усовершенствования технологии производства и обработки жаропрочных никелевых сплавов (плавка в вакууме или среде инертного газа, различные варианты упрочняющей термической или термомехапической обработки и др.).

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ. ИХ СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ

Для современной высокотемпературной техники требуются конструкционны