Файл: Учебное пособие Пермь, 2011 удк 621. 791 Рецензенты др техн наук, проф. Ю. Д. Щицын.doc

Магниевые сплавы хорошо работают на продольный или поперечный изгиб. Удельная жесткость магниевых сплавов при изгибе и кручении выше, чем алюминиевых сплавов, на 20 % и сталей на 50 %. Магний и сплавы на его основе немагнитны и не дают искры при ударах и трении. Магниевые сплавы представляют особый интерес для конструкций, где масса является решающей (авиация, космическая и ракетная техника, транспортное машиностроение и др.). Они применяются в приборостроении, радиотехнике, текстильной и полиграфической промышленности.

7.3. Титан и его сплавы

Титан  металл серебристо-белого цвета с плотностью 4,5 Мг/м³ и температурой плавления 1672 С. Имеет две аллотропические модификации: -низкотемпературную с плотноупакованной гексагональной кристаллической решеткой и -высокотемпературную (выше 882 С) с кубической объемно-центрированной решеткой.

Титан легкий, прочный, тугоплавкий, более коррозионностойкий, чем нержавеющие стали за счет образования оксидной пленки TiO₂. Титан обрабатывается давлением в холодном и горячем состояниях, хорошо сваривается, но плохо обрабатывается резанием.

Механические свойства титана прежде всего определяются составом: чем он чище (меньше примесей), тем ниже прочность и выше пластичность.

Азот, кислород и водород снижают пластичность; углерод  ковкость и обрабатываемость резанием; углерод и кислород  коррозионную стойкость.

Высокий уровень механических свойств, хорошая технологичность, низкая плотность и коррозионная стойкость определяют области применения титана. Он используется в качестве раскислителя при выплавке сталей, модификатора чугунов, в литейных алюминиевых и магниевых сплавах, при производстве твердых сплавов.

По структуре (после охлаждения на воздухе) титановые сплавы подразделяются на три группы: первая группа  -сплавы; вторая  +-сплавы; третья  -сплавы. В практике, главным образом, используются - и +-титановые сплавы.

Сплавы первой группы ВТ4, ВТ5, ОТ4, ВТ18 и другие в основном легируются алюминием, в некоторых из них содержится марганец, молибден, ниобий, кремний, олово, цирконий. Сплавы отличаются повышенной прочностью при комнатной и повышенных температурах, термически стабильны, обладают низкой технологической пластичностью, особенно при содержании алюминия более 5 %. Сплавы термически не упрочняются, их подвергают рекристаллизационному отжигу (650…850 С). Механические свойства сплавов следующие: 

---

_в = 650…880 МПа,  = 15…40 %.

Сплавы второй группы ВТ6, ВТ8, ВТ14 и другие содержат алюминий, ванадий, молибден. Они характеризуются более высокой прочностью, которую можно повысить за счет закалки и старения; меньшей склонностью к водородной хрупкости, чем -сплавы. Следует отметить, что главный эффект упрочнения сплавов достигается легированием. Механические характеристики сплавов: _в = 800…1150 МПа,  = 8…15 %.

Сплавы третьей группы ВТ3-1, ВТ22, ВТ15 и другие наиболее пластичны, но наименее прочны.

Титановые сплавы применяются в химической промышленности, судостроении, машиностроении, авиации, ракетной технике, энергомашиностроении, в машинах и оборудовании легкой и пищевой промышленности. Они успешно используются в криогенной технике (аммиачные компрессоры, холодильные установки, центробежные насосы магистральных газопроводов для северных нефтедобывающих районов, емкости для хранения жидкого водорода, азота, гелия и т.д.).

7.4. Медь и ее сплавы

Медь  металл красного (светло-розового) цвета с плотностью 8,9 Мг/м³ и температурой плавления 1083 С; имеет кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку; не имеет аллотропических превращений.

Широкое применение меди обусловлено рядом ее ценных свойств и прежде всего высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью, хорошей жидкотекучестью и др. Медь и ее сплавы хорошо обрабатываются давлением, свариваются всеми видами сварки и легко поддаются пайке.

Механические характеристики чистой меди (прокатанной и отожженной): _в = 250…270 МПа;  = 40…50 %;  = 75 %; 45 НВ.

На структуру и свойства меди существенное влияние оказывают примеси. Алюминий, железо, мышьяк, фосфор и сурьма снижают электро- и теплопроводность меди. Примеси, нерастворимые в меди, отрицательно сказываются на механических и технологических свойствах. Так, висмут вызывает хладноломкость меди, кислород понижает пластичность и коррозионные свойства; водород делает ее хрупкой и при деформировании вызывает растрескивание. Это явление известно под названием «водородной болезни»; свинец, взаимодействуя с медью, образует легкоплавкую эвтектику (326 С) и приводит к горячеломкости меди. Кислород с медью образует соединение Cu₂O, которое отрицательно влияет на пластические свойства, технологичность и коррозионные свойства. Сера с медью образует соединение Cu₂

---

S, которое приводит к хладноломкости и снижает пластичность при горячей и холодной обработке давлением. Фосфор повышает механические свойства и жидкотекучесть, он способствует сварке и широко применяется как раскислитель. Селен и теллур образуют с медью соединения Cu₂Se и Cu₂Te, которые ухудшают свариваемость, снижают пластичность, но значительно улучшают обрабатываемость резанием.

Медь применяется для изготовления электрических проводов и кабелей, используется в качестве легирующей добавки в различные металлические сплавы; в машиностроении идет на изготовление теплообменников, сварочной проволоки, деталей и узлов подвижного состава железных дорог, судов, самолетов и т.д. На основе меди созданы важные промышленные сплавы (латуни, бронзы, медно-никелевые и др.).

Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы меди, основным легирующим элементом которых является цинк. Цвет (от красноватого до светло-желтого) и механические свойства латуни изменяются при увеличении содержания в них цинка. Их маркируют буквой Л, за которой ставится цифра, указывающая процентное содержание меди, например латунь марки Л68 содержит 68 % меди, остальное  цинк. Если латунь помимо цинка содержат другие элементы (Al, Mn, Si и др.), то после буквы Л ставят условное обозначение этих элементов (А  алюминий, Ж  железо, Н  никель, К  кремний, Т  титан, Мц  марганец и т.д.), а затем цифры, указывающие на среднее содержание элемента. Например, латунь марки ЛАЖМц66-6-3-2 содержит 66 % меди, 6 % алюминия, 3 % железа и 2 % марганца, остальной  цинк.

По назначению латуни разделяются на деформируемые (листы, ленты, проволока, трубы и т.д.), и литейные (отливки, слитки и т.п.).

Латунь, содержащая около 15 % Zn, имеет золотистый цвет, хорошую стойкость против атмосферной коррозии, и ее используют вместо золота для изготовления медалей и художественных изделий. При добавке к латуни олова (до 15 %) она приобретает стойкость в морской воде (морская латунь).

При содержании цинка более 20…30 % латунь склонна к коррозионному растрескиванию. Это явление известно под названием сезонной болезни, так как коррозионное растрескивание связано с периодами года, когда воздух насыщен влагой. Во избежание растрескивания латунь подвергается отжигу (250…300 С), который снимает внутренние напряжения.

Механические свойства латуни зависят от содержания цинка: сопротивление при растяжении возрастает от 30…32 %

---

Zn, затем падает. Твердость латуни по мере увеличения содержания цинка до 40…45 % увеличивается незначительно, а затем резко повышается.

Механические характеристики деформируемых двойных латуней марок Л96, Л90, Л80, Л70, Л68, Л59: _в = 450…600 МПа,  = 2…5 % (в нагартованном состоянии) и _в =240…380 МПа,  = 52…44 % (в отожженном состоянии).

Специальные деформируемые многокомпонентные латуни характеризуются почти такими же механическими свойствами.

Литейные латуни (ЛК80-3, ЛАЖМц66-6-3-2; ЛМцНЖА60-2-1-1-1 и др.) по прочности не уступают соответствующим деформируемым латуням, но несколько хуже их по пластичности.

Бронзами называют сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, бериллием, кадмием, хромом и другими элементами. Бронзы называют по основным легирующим элементам: оловянные, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и т.д. Обозначают бронзы буквами Бр, затем ставят первые буквы основных легирующих элементов (О  олово, Ж  железо, Ф  фосфор, Б  бериллий, Х  хром и т.д.) и цифры, показывающие их процентное содержание. Так, например, БрОФ10-1 содержит 10 % олова и 1 % фосфора, остальное  медь.

Широкое применение в промышленности находят оловянные бронзы для изготовления водяной и паровой аппаратуры, подшипников, зубчатых колес, пружин и др.

Бронзы обладают малой усадкой, а также высокой химической стойкостью. Олово весьма значительно изменяет свойства бронзы, уже при содержании 5 % олова резко снижается пластичность бронз.

В оловянные бронзы водят добавки: цинк (5…10 %)  для удешевления, свинец (3..5 %)  для лучшей обрабатываемости, фосфор ( 1 %)  для придания пластичности.

Чаще всего используются оловянные бронзы следующих марок: литейные бронзы БрО10 (_в 250 МПа,  = 5 %), БрОЦС5-5-5 (_в = 170 МПа,  = 8 %) и др.; деформируемые бронзы БрОЦ4-3 (_в = 320 МПа,  = 40 %), БрОЦС4-4-2,5 (_в =325 МПа,  = 40 %) и др. Безоловянные бронзы широко применяются в промышленности.

Самыми распространенными являются алюминиевые (двойные и сложные) бронзы, превосходящие оловянные по механическим свойствам.

Так, БрА7 в отожженном состоянии имеет следующие механические характеристики: _в = 420 МПа,  = 70 %, а БрАЖН10-4-4  _в = 650 МПа,  = 40 %. Из этих бронз изготовляют мелкие ответственные детали машин.

Отливки из кремнистых бронз отличаются более высокой коррозионной стойкостью, механическими свойствами и плотностью. Поэтому бронзы марки БрКЦ4-4 являются заменителями бронз марки БрОЦС5-5-5.

---

Бериллиевые бронзы (БрБ2 и др.) характеризуются высокой прочностью (_в = 1200 МПа в закаленном и состаренном состояниях) и упругостью, химической стойкостью, свариваемостью и обрабатываемостью резанием. Из них делают мембраны, пружины.

Свинцовистые бронзы (например, БрС30) являются хорошими антифрикционными материалами для подшипников.

Кроме латуней и бронз находят применение медно-никелевые сплавы, обладающие высокими электрическими и термоэлектрическими свойствами. К ним относятся сплавы, содержащие кроме меди от 18 до 30 % никеля, 0,8 % железа и 1 % марганца (мельхиор); 13,5…16,5 % Ni и 18…22 % Zn (нейзильбер); 39…41 % Ni и 1…2 % Mn (константан); 2,5…3,5 % Ni и 11,5…13,5 % Mn (манганин) и др.

8. Неметаллические материалы

Неметаллические материалы (пластмасса, резина, керамика, стекло, клей, лакокрасочные покрытия, древесина, ткань и др.) в качестве конструкционных материалов служат важным дополнением к металлам, в ряде случаев с успехом заменяют их, а иногда неметаллические материалы сами являются незаменимыми. Двигатели внутреннего сгорания из керамики обходятся без водяного охлаждения, что невозможно при изготовлении их из металла; обтекатели ракет делают только из неметаллических материалов (графита, керамики). Трудно представить домашнюю утварь, аудио- и видеотехнику, компьютеры, спортивное снаряжение, автомобили и другую технику без неметаллических материалов  пластмасс, ламинатов, керамики, резины, стекла и др.

Достоинством неметаллических материалов является сочетание требуемого уровня химических, физических и механических свойств с низкой стоимостью и высокой технологичностью при изготовлении изделий сложной конфигурации. Трудоемкость при изготовлении изделий из неметаллических материалов в 56 раз ниже, и они в 45 раз дешевле по сравнению с металлическими. В связи с этим непременно возрастает использование неметаллических материалов в машиностроении, автомобилестроении, авиационной, пищевой, холодильной и криогенной технике и др.

8.1. Пластмассы

Пластическими массами (пластмассами) называют материалы, основу которых составляют высокомолекулярные соединения, состоящие из большого числа низкомолекулярных соединений (мономеров) одинакового строения, связанных между собой силами главных валентных связей. Соединения, большие молекулы (макромолекулы) которых состоят из одинаковых структурных звеньев, называют полимерами.

---