ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 57
Скачиваний: 0
ляемым к материалам конструкции, отвечает титан. Меха нические свойства титана и его сплавов изучены пока не достаточно, но на основании полученных данных уже можно предположить, что указанные температурные пре делы применения титана будут расширены. Вполне воз можно, что в конструкциях летательных аппаратов титан заменит не только алюминиевые сплавы, но и нержавею щие стали.
Основные преимущества титана как конструкционного материала заключаются в следующем:
—до температуры приблизительно 315° С титан имеет наибольшее по сравнению с другими металлами отноше ние прочности к весу;
—практически титан не поддается коррозии и эрозии
всреде морского воздуха;
—для обработки титана могут быть применены обыч ные технологические процессы, общепринятые методы и стандартное оборудование.
К недостаткам титана относятся:
— высокая стоимость сырья; ■— трудность быстрой обработки;
—трудность получения сварных швов достаточной пластичности;
—непостоянство физических свойств.
Остановимся коротко на свойствах титана. Температу ра плавления лежит в диапазоне 1400—1720° С в зависи мости от легирующих добавок. По этим же причинам удельный вес титана колеблется от 4400 до 4700 кг/м3, а твердость по Бринелю равна 190—270 кг/мм2. Упрочнение поверхности титана до твердости, примерно соответствую щей твердости азотированной стали, легко достигается не
обходимой обработкой. Модуль упругости титана |
равен |
1,1 • 106 кг!мм2, т. е. приблизительно половине |
модуля |
упругости стали. Холодная обработка титана изменяет ве личину его модуля упругости от 5 до 15% в зависимости от температуры. Титан очень хорошо сопротивляется дейст вию ударных нагрузок до температур 315—420° С и не очень чувствителен к надрезу. С понижением температуры титан обнаруживает плавное изменение свойств при пере ходе от пластичности к хрупкости.
Как технически чистый титан, так и его сплавы хорошо поддаются холодной обработке. Однако нагартовка титана приводит к падению пластичности.
43
Ковка титана, а также его сплавов может выполняться обычными способами, хотя для этого и требуются более мощные и тяжелые штамповочные прессы. Титановые ли сты подвергаются гибке, выдавливанию, волочению, реза нию, вытяжке, штамповке и другим видам обработки. Луч шие результаты получаются, если обработка ведется при температуре 260—650° С.
Титан может свариваться, но так как в этих условиях он активно взаимодействует с кислородом, азотом и водо родом, то дуговую сварку титана необходимо вести только в атмосфере защитных газов. Листы титана легко соеди няются самыми разными методами: посредством точечной сварки, сварки целым сварным швом, применяется также сварка плавлением в стык. Вполне возможна пайка титана
спомощью мягкого или твердого припоя.
Впоследнее время используют отливку мелких титано вых деталей в постоянные формы.
Для клепки деталей из титана обычно применяют за клепки из нержавеющей стали. Заклепок из титана все еще не удалось разработать.
В настоящее время имеется много видов стали, пер-' спективных для использования при повышенных темпера турах. Температурный предел их работы составляет при близительно 650° С. К таким сталям относятся мартенсит ные нержавеющие стали, низколегированные стали, аусте нитно-мартенситные стали, холоднокатаные аустенитные нержавеющие стали.
Весьма перспективным для использования в диапазоне
температур 425—650° С |
является бериллий. |
Удельный вес |
||
бериллия (1850 кг/м3) |
почти такой |
же, |
как |
у магния |
(1770 кг/м3). Температура плавления |
бериллия |
(1280°С) |
вдвое выше, чем алюминия, а модуль упругости пре восходит модуль упругости нержавеющей стали. Коэф
фициент удельной |
теплоемкости бериллия составляет |
0,46 ккал/кг-° С, |
коэффициент теплопроводности — при |
мерно 130 ккал/м ■час • ° С.
Перечисленные характеристики бериллия в сочетании с его высокой температурой плавления делают этот металл хорошим теплопоглотителем, что может быть использова но для решения задачи возвращения гиперзвуковых лета тельных аппаратов в плотные слои атмосфер'ы.
Существенным недостатком бериллия является его чув ствительность к концентрации напряжений и хрупкость, увеличивающаяся под влиянием различных примесей.
44
Кроме того, бериллий токсичен и-может вызвать острые легочные и кожные заболевания.
При более высоких температурах (Т > 800° С) широкое применение найдут кобальтовые и никелевые сплавы. Их
рабочий диапазон |
температур лежит |
в |
пределах |
20— |
|
1000° С. В эти сплавы в качестве лигатур |
добавляют |
бор, |
|||
хром. Кобальтовые сплавы с содержанием |
1% |
бора |
могут |
||
длительно работать |
до температур 850° С, а |
никелевые |
|||
сплавы с добавлением бора, хрома — до |
1000°С. |
|
|||
Для использования при температурах выше 900°С, а |
|||||
при малых нагрузках и при температурах |
свыше 1650°С |
весьма перспективен молибден. Молибден, обладающий большой жаропрочностью, может применяться либо в чи стом виде, либо в сплавах, в которых он является основ ным компонентом. Плавить и отливать молибден обычными методами нельзя. Используя электродуговую плавку, хими чески чистый молибденовый порошок можно спечь в бол ванки, удобные для обработки и получения нужных форм.
Молибден плавится при температуре 2620° С. Его удель |
|
ный вес |
10 200 кг/м3, удельная теплоемкость приблизитель |
но равна |
половине удельной теплоемкости стали. Коэффи |
циент линейного |
расширения молибдена |
составляет при |
|
температуре 20° С около |
Уз значения коэффициента линей |
||
ного расширения |
стали. |
Коэффициент |
теплопроводности |
молибдена равен |
80 ккал/м ■час С, т. е. |
в два с лишним |
раза больше, чем у стали. Эти положительные свойства молибдена позволяют ему сравнительно легко переносить тепловой удар.
Молибден имеет высокий модуль упругости, что делает его пригодным для использования в тех случаях, когда ос новным требованием является жесткость.
При комнатной температуре молибден обладает сравни тельно хорошей пластичностью, увеличивающейся с ростом температуры. Прочность молибдена при ползучести выше прочности других чистых металлов, применяемых в жаро прочных соединениях. Основной недостаток молибдена — быстрое окисление. Для устранения этого явления приме няют защитные покрытия в виде плакирования и различ ных керамик.
Механическую обработку молибдена производят в ос новном обычными способами. Однако такие процессы, как резание, изгибание, отбортовка, волочение и высадка, вы полняются при повышенной температуре (примерно 200°С) всего материала во избежание появления трещин. Листы
45
малой толщиньи прокатывают при температуре примерно 150° С, большой толщины — при температуре около 500° С.
Детали, изготовленные из молибдена, можно соединять молибденовыми заклепками или при помощи пайки мед ными и серебряными припоями. Для пайки деталей из молибдена, предназначенных для работы в условиях высо ких температур, в качестве припоя применяется танталовая фольга, причем ВО' избежание окисления тантала -пайку вы полняют под водой. Для пайки деталей из молибдена, пред назначенных для работы до температур 1100° С, исполь зуют сплав никеля с хромом и с 2—3% бора. Молибден легко сваривается. Однако в местах сварки металл обычно получается хрупким, поэтому при штамповке эти места усиливают.
При еще более высоких температурах конструкции воз можно использование тантала, вольфрама.
Термостойкие неметаллические материалы
В настоящее время наряду с созданием термостойких материалов из металлов и сплавов, выдерживающих боль шие температурные нагрузки и сохраняющих при этом не обходимые механические свойства, проводятся широкие работы по получению новых термостойких органических материалов.
Поскольку за последнее время широкое распростране ние получают клееные конструкции, то большое внимание уделяется разработке нитрилфеноловых клеев. Эти клеи, как и силиконовые склеивающие вещества, могут работать до температур 260° С. Разрабатываемые керамические клеи способны выдерживать температуры до 400° С.
Для уплотнения соединений конструкций летательных аппаратов широко используются различные сорта полиуре тановой резины, стойкие до температур около 200° С.
Большие работы ведутся в области получения термо стойких стекол. В условиях высоких температур приходит ся отказываться от органических стекол и переходить к си ликатным, способным выдерживать высокую тепловую на грузку. Так, стеклокерамические изделия как прозрачный материал можно использовать до температуры примерно
1000° С.
Хорошим материалом для некоторых частей конструк ции являются также пластики, используемые обычно в форме слоистых заполнителей. Здесь слои материалов
46
стекловолокна спрессовываются с жаропрочной смолой. Такие пластики • образуют заготовки, обладающие требуе мыми механическими свойствами.
В настоящее время слоистые пластики выпускаются нескольких видов. Они состоят из стеклянного волокна и фенольной смолы с достаточно высоким отношением проч ности к весу и с температурным диапазоном до 250° С. Ли сты из таких пластиков поддаются формовке и соединению в сложные конструктивные узлы.
Одним из основных ограничений применения деталей, изготовленных из пластиков и подвергаемых воздействию воздушного потока, является склонность их к расслаива нию в результате эрозии в динамическом потоке воздуха. По жесткости при равных весах волокнистые фенольные пластики сравнимы' с титаном и нержавеющей сталью.
Материалы из пластиков удобны в эксплуатации и име ют высокую сопротивляемость действию масел, применяе мых в гидравлических системах, электролитов аккумуля торных батарей, соленой воды и вообще влаги.
В условиях высоких температур находят широкое при менение фтороорганические соединения (например, теф лон), обладающие большой стойкостью против действия сильных кислот и щелочей, а также влаги, различных ат мосферных осадков, бактерий и света.
Тефлон хорошо выдерживает нагрузки примерно до температуры 325° С. С повышением температуры структу ра тёфлона начинает изменяться, и при температуре около 400° С он начинает разлагаться. Тефлон сохраняет гиб
кость до температуры ниже минус 60° С. |
Предел прочности |
||
на растяжение тефлона приблизительно |
равен 1,26 кг/мм2, |
||
а модуль упругости — 7 кг/мм2. Средний |
коэффициент ли |
||
нейного расширения |
тефлона |
в диапазоне температур |
|
20—60° С составляет |
9,9 • 10-5 |
см/° С. |
|
Тефлон можно использовать для изготовления гермети ческих уплотнений или газонепроницаемых изоляторов, таккак он является уплотнителем и идеальным изолятором электропроводов в широком диапазоне рабочих температур и сохраняет эти свойства при резких толчках и вибрациях.
Кроме перечисленных материалов, в настоящее время находят широкое использование силиконовые слоистые пластмассы, а также пластмассы, армированные стеклово локном. Пластмассы, усиленные металлическими волокна ми, способны хорошо выдерживать температуру до 1500° С.
47
Для работьи при температурах выше 1000° С из неметал лических материалов применяют техническую керамику, В частности, керамика и керметьи (керамические металлы) идут на изготовление теплостойких покрытий, способных выдерживать температуры от 800 до 3300° С. Нитрид крем ния идет на изготовление антенн. Покрытия, нанесенные распылением в пламени окиси алюминия, двуокиси цирко ния, окиси титана, способны защитить конструкцию от окисления и коррозии до температуры! 3300° С.
Термостойкие жидкости
Работы по изысканию высокотемпературных жидкостей в настоящее время ведутся в основном по линии примене ния синтетических продуктов, главным образом кремнийсрганических.
В результате длительных исследований создано новое углеродное топливо для турбореактивных двигателей са молетов, рассчитанных на полет со сверхзвуковой скоро стью, соответствующей числу М = 3—5.
Это топливо обладает хорошей термической устойчиво1 стыо до температуры 200—260° С.
В качестве термостойких гидросмесей используют так же силиконовые жидкости, позволяющие использовать обычные гидросистемы до температур приблизительно
300° С.
Силиконовые вещества являются кремнийорганическими соединениями. Молекулы кремнийорганических соеди нений наряду с другими элементами содержат обязатель но углерод и кремний.
Кремнийорганические смолы применяются для изготов ления теплостойких (до 300°С) пластических масс и моро зостойких консистентных смазок с температурой замерза ния до минус 80° С, а также используются в качестве теп лостойких смазок, допускающих работу агрегатов при тем
пературах |
до 250° С. |
Предполагается, что силиконовые |
жидкости |
в сочетании |
с органо-металлическими смесями, |
с другими различными полимерами и полярными органи ческими композициями смогут обеспечить удовлетвори тельную смазку примерно до температур 400° С.
Г л а в а 3
ОСОБЕННОСТИ ПРОЧНОСТИ к о н с т ру к ц и й ПРИ ПОВЫШЕННЫХ тем п ера ту ра х
Общие замечания
При расчетах конструкций сверхзвуковых летательных аппаратов «а прочность прежде всего учитывают сниже ние механических свойств материалов под влиянием высо ких температур и те особенности, которые присущи кон струкциям, работающим в этих условиях. Эти особенности связаны с появлением температурных перепадов (гради ентов) в элементах конструкции, вызывающих температур ные напряжения.
Перепад температур в конструкции планера летатель ного аппарата возникает, например, при полете с ускоре нием, когда в результате более быстрого нагрева наруж ных частей, находящихся в непосредственном контакте с источником тепла, в них возникают сжимающие напряже ния. Это объясняется тем, что внутренние, менее нагретые части препятствуют свободному расширению внешних ча стей. По этой же причине возникают температурные на пряжения в местах контакта обшивки с подкрепляющими ребрами, лонжеронами и т. п.
Если соединяются детали из разных материалов, име ющих различный коэффициент линейного расширения, температурные напряжения появляются даже при нагреве до одинаковой температуры.
Совместные действия внешних нагрузок, температур ных напряжений и изменения механических свойств метал лов при высоких температурах приводят к изменению кон струкции в прочностном отношении. Кроме того, длитель ное действие повышенных температур в элементах кон
49