ЛЕКЦИЯ 13.

СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

К этим сплавам относятся сплавы на основе металлов с малой плотностью: алюминий, магний, титан, бериллий. В исходном состоянии они имеют невысокую прочность. Однако, с учетом снижения веса конструкции при использовании подобных материалов, такие сплавы нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Для легких сплавов вводится понятие «удельной прочности» - отношение прочности к плотности: σ_{в / γ.}

Сплавы на основе алюминия

Алюминий имеет плотность, равную 2,7г/см3 и температуру плавления 660°С.

Алюминий и его сплавы обладают высокими электро- и теплопроводностью, подвержены обработке давлением, поэтому из сплавов алюминия изготавливают все виды полуфабрикатов, детали штамповкой и ковкой. Также изготавливают очень тонкие листы (вплоть до фольги толщиной 0,003 мм). Алюминий и его сплавы обладают хорошей коррозионной стойкостью. На воздухе алюминий окисляется и на поверхности образуется прочная оксидная пленка, защищающая поверхность металла. Алюминий имеет устойчивость в азотной кислоте, но разрушается при воздействии щелочей, серной и соляной кислот.

Алюминий и его сплавы обладают очень хорошими литейными свойствами и обрабатываемостью резанием. Чистый алюминий имеет невысокую прочность (σ_в = 50 ‑ 100МПа), однако сплавы алюминия упрочняются и σв повышается до уровня некоторых сталей (σ_в = 500 ‑ 600МПа). При этом увеличивается удельная прочность сплавов и уменьшение веса конструкций, что объясняет использование сплавов алюминия в ракето- и самолетостроении.

Основные легирующие элементы в сплавах алюминия: медь, магний, марганец, кремний, цинк. В исходном состоянии эти элементы, как правило, растворяются в твердом растворе алюминия или формируют интерметаллидные соединения.

Все сплавы алюминия подразделяются на 2 группы:

1. Деформируемые алюминиевые сплавы.

2. Литейные алюминиевые сплавы.

Деформируемые сплавы в свою очередь подразделяются на:

-- упрочняемые термической обработкой;

-- неупрочняемые термической обработкой.

1. Деформируемые сплавы, неупрочняемые термической обработкой

Основные легирующие элементы: магний, марганец.

Обозначение: АМг (сплав Аl – Mg); АМц (сплав Аl – Mn).

Свойства: невысокая прочность, хорошая пластичность и коррозионная стойкость.

Используются в отожженном состоянии, либо упрочняются деформацией, нагартовкой.

Эти сплавы хорошо обрабатываются и свариваются.

2. Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой

Относятся сплавы системы алюминий – медь (магний). Наиболее известные сплавы этой группы – дюралюмины.

Обозначение: Д1; Д16.

Термическая обработка для дюралюминов заключается в закалке и последующем старении.

Закалка проводится с температуры 500°С, в воде. После закалки структура сплавов: пересыщенный твердый раствор меди в алюминии. В закаленном состоянии сплавы имеют невысокую прочность при сохранении пластичности. Закаленные детали можно подвергать технологическим операциям.

После закалки с целью упрочнения проводится старение: естественное (при комнатной температуре) или искусственное (при температуре 150-250°С).

Старение – процесс распада пересыщенного твердого раствора легирующих элементов в металлической матрице с образованием дисперсных частиц интерметаллидных соединений с целью упрочнения сплавов.

Процесс старения включает несколько стадий:

1 стадия – образование зон Гинье-Престона ГП-1(образование прослоек повышенной концентрации меди размером 4 – 10 нм в растворе меди в алюминии);

2 стадия – рост зон Гинье-Престона (100нм) и образование зон ГП-2. При этом повышается прочность сплава;

3 стадия – образование самостоятельной тета - фазы Θ (CuAl₂) и дальнейший ее рост при увеличении температуры искусственного старения.

Естественное старение заканчивается образованием зон ГП-1 и ГП-2.

Искусственное старение заканчивается образованием Θ – фазы.

Структура сплавов после закалки и естественного старения – твердый раствор + зоны ГП.

Структура сплавов после закалки и искусственного старения – твердый раствор + Θ-фаза.

После термической обработки дюрали значительно упрочняются, причем эффект максимального упрочнения достигается после закалки и естественного старения. Кроме того, в дюралях увеличивается стойкость к усталостным и хрупким разрушениям.

Дюрали используют в самолетостроении, в пищевой, химической промышленности, для корпусов катеров, яхт.

Для повышения коррозионной стойкости дюрали плакируют. (поверхность листов из дюрали покрывают чистым алюминием и прокатывают).

В последнее время для снижения полетной массы в ракетной технике и самолетостроении используют легирование литием. Создаются сплавы системы Al – Mg – Li и Al – Cu – Li.

3. Литейные алюминиевые сплавы .

Используют для изготовления готовых литых деталей.

Литейные сплавы алюминия обозначаются: АЛ2; АЛ9; АЛ13; АЛ14 и т.д., где А – алюминиевый сплав, Л – литейный сплав, число – условный номер сплава.

Основные легирующие элементы: кремний (система Al – Si, силумины), магний, цинк, медь.

Сплавы на основе магния

Также как и алюминий, магний имеет малую плотность, низкую температуру плавления, высокую удельную прочность. Обладает высокой жесткостью при изгибе и кручении. Хорошо обрабатывается, шлифуется и полируется. Сплавы магния пластичны и имеют хорошие литейные свойства.

При окислении магний образует на поверхности пленку MgO, очень прочную и хрупкую. Она быстро разрушается и поэтому для увеличения коррозионной стойкости магниевых сплавов их легируют марганцем, титаном.

Магниевые сплавы применяют в авиационной промышленности, в ракетной и космической технике, электротехнике, приборостроении.

Магниевые сплавы подразделяются на:

• деформируемые (обозначение МА);

• литейные (обозначение МЛ).

Основные легирующие элементы: марганец, цинк, цирконий, алюминий.

Термическая обработка:

-- Отжиг (для снятия напряжений в литых деталях);

-- Закалка + старение (для упрочнения).

Титан и его сплавы

Титан имеет малую плотность и высокую температуру плавления , 1668°С (т.е. относится к тугоплавким металлам). Титан – полиморфный металл. Он имеет две модификации кристаллической решетки:

α – титан с ГПУ решеткой и

β – титан с ОЦК (высокотемпературная модификация).

Температура полиморфного превращения равна 882°С.

Механические свойства титана существенно зависят от его чистоты. Примеси в титане (кислород, азот, водород, железо, кремний) могут повышать прочность, но при этом значительно снижать пластичность. Титан и его сплавы имеют очень высокую удельную прочность, пластичность, легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются. Однако обладают плохой обрабатываемостью резанием.

В основе принципа легирования титановых сплавов лежит эффект повышения прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости.

Основные легирующие элементы: алюминий, хром, молибден, ванадий, марганец и др.

Легирующие элементы существенно изменяют температуру полиморфного превращения. Так алюминий, кислород, азот повышают температуру полиморфного превращения, расширяя при этом область твердых растворов на базе α – титана, Такие элементы называются α – стабилизаторами. Однако кислород и азот сильно охрупчивают титан, поэтому алюминий является основным упрочняющим легирующим элементом для α – сплавов.

Большинство легирующих элементов (Mo, V, Mn, Fe, Cr) понижают температуру полиморфного превращения и расширяют область твердых растворов на базе β – титана. Такие элементы называются β – стабилизаторами.

Термическая обработка для упрочнения сплавов титана, заключающаяся в закалке и старении, применима только для сплавов титана со структурой (α + β).

Сплавы с равновесной α – структурой нельзя упрочнить термической обработкой.

Кроме того, для титановых сплавов используется термическая обработка - рекристаллизационный отжиг, а также химико-термическая обработка (азотирование).

Промышленные титановые сплавы подразделяются на α – сплавы, β – сплавы и (α + β ) – сплавы.

Сплавы с α – структурой имеют невысокую прочность при нормальной температуре, низкую технологическую пластичность, но хорошую свариваемость и высокие механические свойства при отрицательных температурах.

Сплавы с β – структурой имеют высокую коррозионную стойкость, хорошо обрабатываются давлением, однако используются достаточно редко из-за необходимости легирования их большим количеством дорогостоящих элементов.

Сплавы с (α + β) –структурой характеризуются наилучшим сочетанием механических и технологических свойств.

Сплавы титана имеют хорошие литейные свойства, особенно жидкотекучесть, поэтому большая часть изделий и деталей из титановых сплавов изготавливается литьем.

Титановые сплавы широко используются в ракетной и космической технике, в авиационной промышленности, в судостроении. Обладая высокой коррозионной стойкости в морской воде, титановые сплавы используют для корпусов судов и морских сооружений.

Также титан используется в пищевой, химической промышленности, в медицине. Однако титановые сплавы остаются наиболее дорогими по сравнению с другими конструкционными материалами.

Сплавы на основе меди

Чистая медь имеет очень высокую электрическую проводимость, пластичность, коррозионную стойкость в воде, однако низкие прочностные характеристики, поэтому медь не используется как конструкционный материал, а применяется в электро- и радиотехнике.

Сплавы меди имеют хорошие характеристики механических свойств при низких температурах, хорошо деформируются, свариваются и паяются. Но плохо обрабатываются резанием.

-- По технологическим свойствам медные сплавы подразделяются на деформируемые и литейные.

-- По составу медные сплавы подразделяются на

1. латуни (сплав меди с цинком)