Конструкционные материалы

1. Сплавы на основе алюминия.

Алюминий – элемент 3 группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, порядковый номер 13, атомная масса 26,98, температура плавления 660ºС. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность. Алюминий обладает высокой электропроводностью. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты (99,999%), высокой чистоты (99,995%) и технической чистоты (99%).

В качестве примесей в алюминии присутствуют Fe, Si, Cu, Mn, Zn. Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на его поверхности тонкой прочной пленки Al2O3. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость.

1.1 Классификация алюминиевых сплавов.

Все сплавы алюминия можно разделить на три группы:

1. Деформируемые сплавы, предназначенные для получения полуфабрикатов, а также поковок и штамповок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки.

2. Литейные сплавы, предназначенные для фасонного литья.

3. Сплавы, получаемые методом порошковой металлургии.

Деформируемые сплавы по способности упрочняться термической обработкой подразделяют на сплавы, не упрочняемые термической обработкой, и сплавы, упрочняемые термической обработкой.

Сплавы алюминия широко применяют в тех случаях, когда важно снижение массы машины (конструкции).

1.2 Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой.

Дуралюмины. Дуралюминами называют сплавы Al – Cu – Mg, в которые дополнительно вводят марганец. Марганец повышает стойкость дуралюмина против коррозии, а, присутствуя в виде дисперсных частиц фазы Т (Al12Mn2Cu), повышает температуру рекристаллизации и улучшает механические свойства. В качестве примесей в дуралюмине присутствуют железо и кремний. Железо, понижает прочность и пластичность дуралюмина. Кроме того, железо образует соединение Al7Cu2Fe, нерастворимое в алюминии. Железо связывает медь в этом соединении, вследствие чего снижается эффект упрочнения при старении, поэтому содержание железа не должно превышать 0,5 – 0,7%.

Кремний образует фазы Mg2Si и W(AlxMg5Cu4Si4), которые растворяются в алюминии и при последующем старении упрочняют сплав.

Дуралюмин хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях. При закалке дуралюмина важно обеспечить высокую скорость охлаждения, поэтому ее проводят в холодной воде. Дуралюмины после закалки подвергают естественному старению, так как оно обеспечивает получение более высокой коррозионной стойкости. Понижение температуры тормозит старение, а повышение ее, наоборот, увеличивает скорость процесса, но понижает пластичность и сопротивление коррозии.

Дуралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состояниях и плохо – в отожженном состоянии, хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются сваркой плавлением вследствие склонности к образованию трещин. Из дуралюминов изготавливают обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей.

Сплавы авиаль. Эти сплавы уступают дуралюминам по прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и горячем состояниях. Авиаль удовлетворительно обрабатывается резанием и сваривается контактной и аргонодуговой сваркой. Сплав обладает высокой общей сопротивляемостью коррозии, но склонен к межкристаллитной коррозии.

Из авиалей изготовляют различные полуфабрикаты, кроме того, лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери, для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состояниях.

Высокопрочные сплавы. Прочность этих сплавов достигает 55 – 70 кгс/мм2, но при меньшей пластичности, чем у дуралюминов.

При увеличении содержания цинка и магния прочность сплавов повышается. А их пластичность и коррозионная стойкость понижаются. Добавки марганца и хрома улучшают коррозионную стойкость. По сравнению с дуралюмином эти сплавы обладают большей чувствительностью к концентраторам напряжений и пониженной коррозионной стойкостью под напряжением. У них меньше предел выносливости и сопротивляемость повторным статическим нагрузкам.

Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем состоянии и сравнительно легко деформируются в холодном состоянии после отжига. Высокопрочные сплавы применяют в самолетостроении для нагруженных конструкций, для изготовления прессованных и кованых изделий. Они рекомендуются для сжатых зон конструкций, для деталей без концентратов напряжения.

Сплавы для ковки и штамповки. Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными свойствами, позволяющими получить качественные слитки.

Эти сплавы используют для деталей сложной формы и средней прочности, изготовление, которых требует высокой пластичности в горячем состоянии. Также рекомендуются для тяжело нагруженных штампованных деталей.

Сплавы хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются контактной и аргонодуговой сваркой. Сплавы склонны к коррозии под напряжением и межкристаллитной коррозии.

Жаропрочные сплавы. Эти сплавы используют для деталей, работающих при температурах до 300ºС (поршни, головки цилиндров, крыльчатки, лопатки и диски осевых компрессоров турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов). Жаропрочные сплавы имеют более сложный химический состав, чем рассмотренные выше алюминиевые сплавы. Их дополнительно легируют железом, никелем и титаном.

Высокая жаропрочность сплавов достигается благодаря высокому содержанию меди, а также марганца и титана, замедляющих диффузионные процессы. Кроме того, титан задерживает процесс рекристаллизации.

1.3. Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой.

К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем или с магнием.

Сплавы Al – Mg добавочно легируют марганцем, который, образуя дисперсные частицы Al6Mn, упрочняет сплав. Эффект от закалки и старения этих сплавов невелик, и их применяют в отожженном состоянии.

Повышение прочности при некотором уменьшении пластичности изделий простой формы достигается нагартовкой. Упрочнение, создаваемое нагартовкой снимается в зоне сварки.

Сплавы легко обрабатываются давлением. Хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью. Обработка резанием затруднена. Сплавы применяются для сварных и клепаных элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки и требующие высокого сопротивления коррозии.

1.4.Литые алюминиевые сплавы.

Сплавы для фасонного литья должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами, сопротивлением коррозии.

Высокими литейными свойствами обладают сплавы, содержащие в своей структуре эвтектику. Эвтектика образуется во многих сплавах, в которых содержание легирующих элементов больше предельной растворимости в алюминии. Чаще применяют сплавы Al – Si, Al – Cu, Al – Mg, которые дополнительно легируют небольшим количеством меди и магния (Al – Si), кремния (Al – Mg), марганца, никеля, хрома (Al – Cu).

Сплавы Al – Si. Эти сплавы, получившие название силумины, близки по составу к эвтектическому и потому отличаются высокими литейными свойствами, а отливки – большей плотностью. Обладают высокой коррозийной стойкостью.

Из силуминов изготавливают крупные нагруженные детали (корпуса компрессоров, картеры и блоки цилиндров двигателей).

Сплавы Al – Si сравнительно легко обрабатываются резанием. Заварку дефектов можно производить газовой и аргонодуговой сваркой.

Сплавы Al – Cu. Эти сплавы после термической обработки имеют высокие механические свойства при комнатной и повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства сплавов низкие. Эти сплавы используют для отливки небольших деталей простой формы. Они склонны к хрупкому разрушению вследствие выделения по границам зерен грубых частиц CuAl2 и Al2Cu2Fe, поэтому сплавы Al – Cu применяют в закаленном состоянии, когда эти соединения переведены в твердый раствор. Если от отливок требуется повышенная прочность. То их после закалки подвергают искусственному старению при 150ºС.

Сплавы Al – Cu малоустойчивы против коррозии, поэтому отливки обычно анодируют.

Сплавы Al – Mg. Сплавы алюминий с магнием имеют низкие литейные свойства, так как не содержат эвтектики. Характерной особенностью этих сплавов является хорошая коррозийная стойкость, повышенные механические свойства и обрабатываемость резанием. Добавление к сплавам модифицирующих присадок (Ti, Zr) улучшает механические свойства, а бериллия уменьшает окисляемость расплава, что позволяет вести плавку без защитных флюсов.

Эти сплавы предназначены для отливок, работающих во влажной атмосфере, например в судостроении и авиации. Добавление к сплавам Al – Mg кремния улучшает литейные свойства в результате образования тройной эвтектики.

Жаропрочные сплавы. Структура этих сплавов состоит из α – твердого раствора, содержащего Cu, Mg и Ni, и избыточных фаз Al2CuMg и Al6Cu3Ni. Отливки применяют после закалки и кратковременного старения при 175ºС.

Добавочное легирование жаропрочных сплавов кремнием улучшает литейные свойства. Для увеличения жаропрочности и измельчания структуры сплавы легируют Fe, Ti, Cr и Mn. Для стабилизации размеров и снятия внутренних напряжений сплав подвергают отжигу при 300ºС. Для достижения максимальной жаропрочности отливки закаливают и подвергают старению при 230ºС. Жаропрочные сплавы применяют к деталям, длительно работающим при 250 - 270ºС.

1.5. Алюминиевые подшипниковые сплавы.

Из этих сплавов изготавливают подшипники. Основными компонентами сплавов являются Sn, Cu, Ni, Si, образующие с алюминием гетерогенные структуры.

Чем больше в сплавах олова, тем выше его антифрикционные свойства. Однако в литых сплавах содержание олова не должно превышать 10 – 12%, так как образующаяся грубая сетка оловянистой составляющей снижает износостойкость и сопротивление усталости при повышении температуры. В деформированных сплавах оловянистая составляющая располагается в виде отдельных включений внутри зерен, это дает возможность увеличить содержание олова и значительно улучшить антифрикционные свойства сплава.

При работе в тяжелонагруженных скоростных подшипниках на рабочую поверхность сплавов наносится слой олова или другого мягкого металла.

1.6. Спеченные алюминиевые сплавы.

Наиболее широко используют сплавы на основе Al – Al2O3, получившие название САП (спеченный алюминиевый порошок).

Эти сплавы получают путем холодного брикетирования алюминиевого порошка, вакуумной дегазации брикетов (отжига) и последующего спекания нагретых брикетов под давлением. Они состоят из алюминия и дисперсных чешуек Al2O3. Частицы Al2O3 эффективно тормозят движение дислокации и повышают прочность сплава.

По сравнению с другими алюминиевыми сплавами материалы САП обладают высокой жаропрочностью при длительном нагреве до 500ºС.

Некоторое применение нашли спеченные алюминиевые сплавы (САС). Чаще САС применяют, когда путем литья и обработки давлением трудно получить соответствующий сплав. Спеченные алюминиевые сплавы применяют для деталей приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20 - 200ºС. Которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности.

2. Сплавы на основе меди.

Медь – химический элемент 1 группы Периодической системы Д.И. Менделеева, порядковый номер 29, атомная масса 63,54. Медь – металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления 1083ºС. Медь обладает наибольшими (кроме серебра) электропроводностью и теплопроводностью. Медь хорошо сопротивляется коррозии в обычных атмосферных условиях, в пресной и морской воде и других агрессивных средах, но обладает плохой устойчивостью в сернистых газах и аммиаке.

Медь легко обрабатывается давлением, но плохо резанием, и имеет невысокие литейные свойства из-за небольшой усадки. Медь плохо сваривается, но легко подвергается пайке. Ее применяют в виде листов, прутков, труб и проволоки.

2.1 Классификация медных сплавов.

Различают две основные группы медных сплавов: