Конструкционные материалы с высокими удельной плотностью и удельной жесткостью

Глава 7. Конструкционные материалы с высокими удельной плотностью и удельной жесткостью

§1. Титан и его сплавы

В земной коре: Al, Fe, Mg, Ti.

1. Физико-химические свойства

t_пл. = 1670°С, при 882°С: ГПУ-решетка - Ti_α и ОЦК-решетка - Ti_β , Е ~ 112000 МПа, плотность d ~ 4,6 г/см³;

● не магнитный;

● электрическая проводимость низкая σ_Ti ~ 0,04 σ_Cu;

● теплопроводность крайне низкая λ_Ti ~ 0,05 λ_Cu;

● очень склонен к газопоглощениям: Н₂ при t ≥ 50°С, О₂ при t ≥ 400°С, все газы при t ≥ 500°С;

Рекомендуемые материалы

● имеет высочайшую коррозионную стойкость во всех средах, в том числе и биологических, не ржавеет в царской водке (TiO₂);

● восстанавливается мгновенно, т.к. имеет высокое сродство к О₂.

В природе TiO₂ имеет сильнейшие межатомные связи.

TiO₂ ―› термический способ ―› Ti – губка (полуфабрикат).

Из губки получают:

- порошок + спекание + прессование;

- многократный переплав.

Выводы:

1) цена 1кг – 15-20$;

2) примеси (получен грязный Ti), при условии получения самого чистого иодидного Ti число примесей 0,1-0,2%, в технических сплавах ВТ1-00 – 0,4-0,5%, ВТ1-0 – 0,5-0,7%;

3) склонен к схватыванию.

2. Механические свойства

● при одинаковой пластичности Ti в 2 раза прочнее и тверже железа;

● свойства Ti очень сильно зависят от количества примесей.

Нет явной хладноломкости, т.к. решетка ГПУ.

3. Технологические свойства

● пластичность хорошая, деформируется до тонкого листа;

● резание – крайне плохое;

● свариваемость (защита от газов);

● литейные качества (защита от газов).

4. Применение

● геттер (поглотитель газа) – губка;

● химическая промышленность;

● протезы;

● декоративные цели.

5. Сплавы Ti

1) легированный α-стабилизатор

Линия перемещения растворимости не применяется, т.к. Ti₃Al очень хрупкий.

При введении Al температура β―›α превращения повышается, значит, при любой скорости охлаждения превращение пойдет диффузионно, неравномерную структуру получить нельзя.

Ti + Al (до 6%) ―› α-сплавы Ti (твердый раствор, ГПУ)

● всегда прочнее Ti;

● всегда легче Ti;

● сильнее чувствительнее к Н₂.

ВТ5: Ti+Al(5%), σ_U = 750-950 МПа, δ = 10-14%, упрочняющей ТО нет, упрочнять можно только наклепом.

1) легированный β-стабилизатор

При введении таких элементов температура β―›α превращения понижается, значит, при использовании быстрого охлаждения можно в сплавах получить неравновесные структуры: вместо 2-х фаз получим одну, либо α’ мартенсит, либо β’ – нестабильную.

Нагрев до β-области:

Для таких сплавов существует упрочняющая ТО – закалка + старение.

4) Ti + β-стабилизаторы + Al – (α+β)-сплавы Ti

● псевдо-α-сплавы:

   ВТ4 (Ti + 4%Al + 1-2%Mn), %лег.эл. ≤ 5.

   Без ТО:

● мартенситные:

   %лег.эл. ~ 5-10%

   ВТ6 (Ti + 6%Al + 5%V)

   ВТ16 (Ti + 3%Al + 5%V + 5%Mo)

  Упрочняющая ТО:

● переходный класс:

    %лег.эл. ~ 10-15%

   ВТ22 (Ti + 5%Al + 5%V + 5%Mo + 1-2%Cr)

● псевдо-β-сплавы:

    %лег.эл. ~ 15-20%

   ВТ15 (Ti + 5%Al + 8%Mo + 11%Cr)

Итог:

1) цена;

2) более пластичны, т.к. β-фаза имеет 48 плоскостей скольжения, хуже сваривается, менее хладостойки, менее чувствительны к воздуху.

Применение:

У.П. + коррозионная стойкость – авиация, ракетостроение, подводные лодки, химическая промышленность, инвалидные коляски, спортивный инвентарь.

Недостатки:

1) теплопроводность низкая (для закаливания сплавов могут быть применимы небольшие сечения);

2) E_низк, для несущих длинных деталей Ti сплавы не применимы, искусственно повышают жесткость.

§2. Берилий и его сплавы

1. Физико-химические свойства

t_пл. = 1284°С, ГПУ-решетка, Е ~ 310000 МПа, плотность d ~ 1,85 г/см³, У.Ж. ~ 16000 км;

Применим, где требуется стабильность размеров под нагрузкой (гироскопы).

● теплопроводность λ_Be ~ 0,5 λ_Cu;

● скорость распространения звука в аккустических системах 12600 м/с ;

● имеет очень высокую радиационную стойкость.

2. Механические свойства

Губка ―› многократное переплавление (очистка) ―› размалывание на порошок ―› спекание ―› горячее прессование ―› выдавливание.

3. Технологические свойства

● обрабатываемость давлением;

● резание (как Ti);

● сварка (с защитой от газов);

● литейные качества (отливки не получаются).

4. Сплавы Ве

R_Be ~ 1.13 Å

Be + 30%Al

δ_. = 5%, Е ~ 205000 МПа, плотность d ~ 2 г/см³, σ_U ~ 400-500 МПа, У.П. ~ 25 км, У.Ж. ~ 10000 км.

§3. Композиционные материалы

Материалы, в которых с помощью соответствующих технологий соединены разные составляющие. При этом каждый компонент сохраняет свой состав, структуру и свойства.

К.М.:

1) ДКМ (дисперсноупрочняемые КМ), наполнители – мелкие частицы, расположены по-разному;

2) ВКМ (волокнистые);

3) СКМ (слоистые).

1.ДКМ – матрица ориентированная дисперсными частицами.

Матрица – не несет нагрузку, частицы – тормозят движение дислокаций.

, f – объемная доля.

λ_min = 0.015 мкм – предел, ближе которого частицы не приближаются – потеря пластичности.

Реально:

d ~ 0.01-0.1 мкм

λ ~ 0.1-1 мкм

f ~ 2-15%

Вывод: свойства ДКМ зависит от размера и количества частиц, но не зависит от свойств самих частиц.

ДКМ: способ сохранения прочности при нагреве до температуры 0,95t_пл, т.е. они являются жаростойкими (t ≤ 700-750°С) или жаропрочными (t > 750°C) материалами.

При условии, что частицы Ме будут рассматриваться в матрице:

1) Al+Al₂O₃, t_экспл ≤ 500°С, σ_U ~ 400 МПа, δ_. = 4%, САП ~ 3-15%;

2) Ni+ThO₂(HfO₂), жаропрочные до 1200°С(950°С).

Идея ДКМ применима для создания материала высокой теплостойкости и жаропрочности.

2.ВКМ – волокна, несут нагрузку. Матрица – связывает и перераспределяют нагрузку между волокнами.

 - нагрузка, передаваемая на волокна.

 - max нагрузка при нагреве.

Max нагрузку можно передать только на «длинные» волокна, если волокно l < l_кр требует больших касательных напряжений, их не выдержит сцепление.

● свойства ВКМ зависят от размеров волокон, от прочности их сцепления, от количества волокон, от свойств самих волокон.

Пример: Al (легкая пластичная масса) + волокна В и С (40-50% по объему).

● при правильно подобранной матрице ВКМ обеспечивают достижение необычайно высоких удельных характеристик: У.П. и У.Ж.;

● ВКМ – самые надежные конструкционные материалы: у них не может быть внезапного хрупкого разрушения, они не чувствительны к концентраторам напряжений, не подвержены усталости.