Файл: Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ.pdf

скольжения в ГП решетке являются плоскости призмы и пирамидальные плоскости, что обеспечивает таким металлам, как титан и цирконий, хорошую пластичность. Однако критическое напряжение, необходимое для сдвига в плоскости призмы, у бериллия при 20 ° С так велико (рис. 14.12), что скольжение при деформации идет только по плоскости базиса.

Этим отчасти и объясняется высокая хрупкость бериллия. На хрупкость бериллия большое влияние оказывают примеси. Бериллий имеет небольшой атомный радиус (0,113 нм), и поэтому почти все примеси, многие из которых ограниченно растворимы в бериллии (Fe, Ni, Сг и др.), искажают его кристаллическую решетку и снижают пластичность. Исключение составляет нерастворимый в бериллии алюминий, который улучшает пластичность и поэтому используется для легирования сплавов на основе бериллия. Согласно зарубежным данным, бериллий, полученный методом зонной плавки за восемь проходов, имеет чрезвычайно высокую пластичность (δ = 140 %). Введение в зонно-очишенный бериллий всего 0,001 % Si вызывает его хрупкость.

Бериллий, полученный порошковой технологией, имеет мелкозернистую структуру и более высокие механические свойства, в том числе и пластичность. Чем мельче зерно, тем выше временное сопротивление, предел текучести и пластичность при 20 ° С, а также кратковременная прочность при повышенных температурах (рис. 14.13).

Увеличение прочностных свойств объясняется измельчением зерна и наличием неизбежно присутствующих в порошковом материале дисперсных включений оксида бериллия ВеО, повышающих сопротивление пластической деформации. Рост пластичности вследствие измельчения зерна настолько значителен, что перекрывает ее снижение из-за повышения содержания оксида при измельчении исходного порошка. Для того чтобы увеличить пластичность порошковых полуфабрикатов, размол порошков бериллия ведут в безокислительной среде. Чистый спеченный бериллий с чрезвычайно

мелкозернистой структурой (d = 1.. .3 мкм) обладает склонностью к сверхпластичности: при 600 — 700 ° С и малых скоростях деформации пластичность δ = 300 %. Более высокая пластичность спеченных из порошков блоков позволяет подвергать их не только горячей обработке давлением, но и теплой обработке при 400 - 500° С. Эта температура ниже температуры рекристаллизации бериллия (tpeK = 700° С), поэтому позволяет сохранить наклеп и получить высокую прочность (σв = = 650... 700 МПа).

Пластичность полуфабрикатов из порошкового бериллия в большой степени зависит и от технологии горячей обработки давлением. В настоящее время разработана технология получения текстурованных прутков методом горячего выдавливания порошкового бериллия. Прутки бериллия имеют текстуру базисной плоскости и пластичность δ — 20 %. На листах бериллия, полученных поперечной прокаткой этих прутков, текстура базисной плоскости сохраняется, и такой бериллий имеет пластичность 6 — 30... 40%.

В том и другом случае базисная плоскость ориентируется вдоль оси прутка или в плоскости листа, поэтому при растяжении касательные напряжения в них равны нулю. Скольжение идет по плоскостям призмы, число которых в ГП решетке поликристаллического бериллия значительно больше, чем базисных, что и обеспечивает хорошую пластичность. В направлении, перпендикулярном плоскости листа, пластичность уменьшается до нуля.

Недостатки:

- изделия из бериллиевых блоков можно также изготовлять на металлорежущих станках, однако вследствие плохой обрабатываемости резанием необходимо применять твердосплавный инструмент. Сваривается бериллий дуговым методом в аргоне, гелии или вакууме.

Помимо высокой стоимости, малой пластичности, низкой технологичности и анизотропии свойств к недостаткам следует отнести токсичность бериллия. Попадая в легкие, он вызывает тяжелое легочное заболевание (бериллиоз). На коже бериллиевая пыль, мелкие частицы бериллия вызывают зуд, а попадая в ранки — опухоли и язвы. В связи с этим обработку бериллия на металлорежущих станках проводят в специальных помещениях и в пылезащитных костюмах и масках. При работе с бериллием необходимо тщательно выполнять правила техники безопасности. В атмосфере производственных помещений не допускается содержание бериллия более 0,001 мг/м3. По удельным прочности (см. табл. 13.1) и жесткости (рис. 14.14) бериллий превосходит высокопрочные стали и все сплавы на основе легких металлов (Mg, А1 и Ti), а по удельной жесткости — и металлы, обладающие более высоким модулем упругости (W и Мо). К тому же, высокий модуль упругости бериллия (Е = 310 ГПа) мало изменяется при увеличении температуры до 450 ° С. Вот почему бериллий является одним из лучших материалов для деталей конструкций, где особо важны собственная масса конструкции, жесткость ее силовых элементов.

Расчеты показали, что самолет, изготовленный на 80 % из бериллия, будет в 2 раза легче, чем из алюминия; при этом на 40 % увеличивается его дальность полета и значительно повышается грузоподъемность. Бериллий применяют в консолях крыльев, элеронах, тягах управления и других деталях сверхзвуковых самолетов; в ракетной технике из него изготовляют панели обшивки, промежуточные отсеки, соединительные элементы, приборные стойки и др. Высокие удельные жесткость и особенно прочность проволоки диаметром десятки микрометров (σв > 1300 МПа) открывают еще одну область применения бериллия — армирование композиционных материалов (КМ) на основе Al, Ti и др., которые находят большое применение в ракетной и космической технике. Бериллий обладает большой теплотой плавления и очень высокой теплотой испарения. По удельной теплоемкости он в 2,5 раза превосходит алюминий, в 4 раза — титан и в 8 раз — сталь, по теплопроводности стоит за алюминием уступая ему в теплопроводности только ~ 12 %. Все эти свойства способствуют успешному применению бериллия в качестве теплозащитного материала в ракетной и особенно космической технике (головные части ракет, передние кромки крыльев сверхзвуковых самолетов, оболочки кабин космонавтов).

Хорошее сопротивление усталостным разрушениям, высокая скорость распространения звука (в 2,5 раза выше, чем в стали) открывает новые области применения бериллия — соответственно двигателестроение и акустическая техника. Поскольку бериллий имеет одновременно и очень высокие теплоемкость и теплопроводность, сопло из бериллия не разрушается при рабочей температуре около 3000 ° С. Использование бериллия в ракетных двигателях дало возможность почти в 2 раза увеличить тягу при значительном уменьшении массы двигателя.

Высокие удельные прочность и жесткость, теплопроводность в сочетании с размерной, геометрической и термической стабильностью, низким

коэффициентом термического расширения и хорошей отражательной способностью делают бериллий незаменимым материалом для зеркал оптических приборов, в том числе и космического назначения, деталей высокоточных приборов. Его применяют в инерциальных системах навигации для ракет, самолетов, подводных лодок. Из него изготовляют детали гиростабилизированных платформ и гироскопов.

Применение бериллия как конструкционного материала в атомной технике вызвано его способностью слабо поглощать тепловые нейтроны. Кроме того, бериллий используют как источник α-излучения, а также как конструкционный материал при изготовлении рентгеновских трубок. Бериллий очень слабо поглощает рентгеновские лучи (в 17 раз хуже, чем алюминий). Бериллий успешно используют для легирования сплавов на основе меди и алюминия.

Бериллиевые сплавы

Основные трудности при получении бериллиевых сплавов связаны с его недостатками: большой хрупкостью и высокой стоимостью.

Главная сложность при легировании бериллия, как было указано ранее, обусловлена малым размером атома бериллия. Большинство элементов, растворяясь в бериллии, искажают его кристаллическую решетку, в результате чего увеличивается его хрупкость. В связи с этим наибольшее распространение получили сплавы бериллия с практически нерастворимым в нем при 20 ° С алюминием. На диаграмме состояния AL -Be (рис. 14.15) видно, что при 20 ° С бериллий практически нерастворим в алюминии. Поэтому эвтектика, образующаяся при концентрации 2,5 % Be состоит из почти чистого алюминия с незначительным количеством вкраплений бериллия и характеризуется высокой пластичностью. Чем больше содержится в сплавах бериллия, тем выше их прочность и жесткость (рис.

14.16).

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Композиционные материалы (КМ) по удельным прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы (рис. 14.18). Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления материала. При этом КМ придают по возможности форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей и даже отдельных узлов конструкции.

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей.

Рис. 14.18. Удельная прочность и удельный модуль упругости некоторых неармированных материалов и КМ, армированных 50 % (об.) волокон:

1 - А1; 2 - Ti и сталь; 3 - Ti, армированный проволокой Be; 4 ~ Ti, армированный волокнами SiC; 5-Ti, армированный волокнами борсика; 6 - А1, армированный волокнами В; 7 - эпоксидная смола, армированная волокнами углерода; 8-эпоксидная смола, армированная волокнами В

Принцип создания КМ заимствован у природы. Примером естественных КМ могут служить стволы и стебли растений, кости человека и животных. В дереве волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином, в костях тонкие прочные нити фосфатных солей — пластичным коллагеном.

Свойства КМ в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью КМ является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем КМ присущи свойства, которыми не обладают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств композиций выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами.

Основой КМ (матриц) служат металлы или сплавы (КМ на металлической основе), а также полимеры, углеродные и керамические материалы (КМ на неметаллической основе).

Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения КМ и такие важные эксплуатационные характеристики, как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность. Созданы КМ с комбинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоев (двух или более) различного химического состава.

КМ с комбинированными матрицами называют полиматричными (рис. 14.19, а). Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность КМ в направлении, перпендикулярном оси волокон. Алюминиевые слои в матрице способствуют уменьшению плотности материала.

В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители).

Поскольку главную роль в упрочнении КМ играют наполнители, их часто называют упрочнителями. Упрочнители должны обладать высокими прочностью, твердостью и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу. С увеличением модуля упругости и временного сопротивления наполнителя повышаются соответствующие свойства КМ, хотя они и не достигают характеристик наполнителя. Наполнители называют еще армирующими компонентами. Это более широкое понятие, чем « упрочнитель ». Оно не конкретизирует роль наполнителя и поэтому показывает, что наполнитель вводится в матрицу для изменения не только прочности, но и других свойств.

Свойства КМ зависят также от формы или геометрии, размера, количества и характера распределения наполнителя (схемы армирования).

По форме наполнители разделяют на три основные группы (рис. 14.20, а): нуль-мерные (1), одномерные (2), двумерные (5).

Нуль-мерными называют наполнители, имеющие в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы). Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна). У двумерных наполнителей два размера соизмеримы с размером КМ и значительно превосходят третий (пластины, ткань).

По форме наполнителя КМ разделяют на дисперсно-упрочненные, слоистые и волокнистые.

Дисперсно-упрочненными называют КМ, упрочненные нуль-мерными наполнителями; волокнистыми — КМ, упрочненные одномерными или одномерными и двумерными наполнителями; слоистыми — КМ, упрочненные двумерными наполнителями.

По схеме армирования КМ подразделяют на три группы: с одноосным, двуосным и трехосным армированием (см. рис. 14.20, б-г).

Для одноосного (линейного) армирования используют нуль-мерные и одномерные наполнители (см. рис. 14.20, б). Нуль-мерные располагаются так, что расстояние между ними по одной оси (например, по оси х) значительно меньше, чем по двум другим. В этом случае содержание наполнителя составляет 1 - 5 % (об.). Одномерные наполнители располагаются параллельно один другому.

При двухосном (плоскостном) армировании используют нуль-, одно-и двумерные наполнители (см. рис. 14.20, е). Нуль-мерные и одномерные наполнители располагаются в параллельных плоскостях. При этом расстояние между ними в пределах плоскости значительно меньше, чем между плоскостями. При таком расположении нуль-мерного наполнителя его содержание доходит до 15 - 16 % (об.). Одномерные наполнители находятся также в параллельных плоскостях.

Рис. 14.20. Формы наполнителя (а) и схемы армирования (б - г) КМ

Рис. 14.21. Схемы армирования:

а - хаотическая; б - слоистая; в - розеточная; г - з - ортогональные; и - аксиально- радиально-окружная; к - аксиально-спиральная; л - радиально-спиральная; м - аксиально- радиально-спиральная

При этом в пределах каждой плоскости они расположены параллельно, а по отношению к другим плоскостям — под разными углами. Двумерные наполнители параллельны один другому.

При трехосном (объемном) армировании нет преимущественного направления в распределении наполнителя. Для армирования используют нульмерные и одномерные наполнители (см. рис. 14.20, г). Расстояния между нуль-мерными наполнителями одного порядка. В этом случае их содержание может превышать 15 - 16 % (об.). Одномерные наполнители располагаются в трех и более пересекающихся плоскостях (рис. 14.21).

Для расширения комплекса свойств или усиления какого-либо свойства при армировании КМ одновременно используют наполнители различной формы. Например, для увеличения прочности связи между одномерными наполнителями (стеклянным или углеродным волокном) и полимерной матрицей в нее вводят нуль-мерный наполнитель (частицы асбеста, карбида кремния и др.). С этой же целью применяют армирование наполнителями одной формы, но разного состава. Так, для повышения модуля упругости КМ с полимерной матрицей, армированной стеклянным волокном, дополнительно вводят волокна бора.

КМ, которые содержат два и более различных наполнителя, называют полиармированными (рис. 14.19, б).

Если КМ состоят из трех и более компонентов, они называются гибридными.

КМ применяют во многих отраслях промышленности. Благодаря высоким удельным характеристикам прочности и жесткости, их используют при изготовлении лопастей винтов и контейнеров вертолетов, корпусов и камер сгорания реактивных двигателей и т.д. Использование КМ в конструкциях летательных аппаратов уменьшило их массу на 30 - 40 %, увеличило полезную нагрузку без снижения скорости и дальности полета.

В настоящее время КМ применяют в энергетическом машиностроении (рабочие и сопловые лопатки турбины), автомобилестроении (кузова автомобилей и рефрижераторов, детали двигателей), машиностроении (корпуса и детали машин), химической промышленности (автоклавы, цистерны, емкости), судостроении (корпуса лодок, катеров, гребные винты) и др.

Особые свойства ряда КМ позволяют использовать их в качестве электроизоляционных материалов, радиопрозрачных обтекателей, подшипников скольжения и других деталей.

МАТЕРИАЛЫ, УСТОЙЧИВЫЕ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ТЕМПЕРАТУРЫ И РАБОЧЕЙ СРЕДЫ

КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Конструкционные материалы при эксплуатации в коррозионной среде должны обладать также высокой коррозионной стойкостью. Процессу