- •Введение
- •Часть I Материаловедение
- •1. Строение и свойства материалов
- •1.1. Классификация материалов
- •Плазма газ жидкость твердое тело
- •1.2. Кристаллическое строение материалов
- •1.3. Дефекты кристаллического строения
- •1.3.1. Точечные дефекты
- •1.3.2. Линейные дефекты
- •1.3.3. Поверхностные и объемные дефекты
- •2. Крсталлизация металлов и сплавов
- •2.1. Межатомное взаимодействие
- •2.2. Гомогенная и гетерогенная кристаллизация
- •2.3. Строение металлического слитка
- •2.4. Аморфные металлические сплавы
- •3. Деформация и разрушение металлов
- •3.1. Упругая и пластическая деформация
- •3.2 Деформация моно- и поликристаллов
- •3.3. Влияние нагрева на структуру деформированного металла
- •3.4. Свойства материалов и методы их испытаний
- •4. Основы теории двойных сплавов
- •4.1. Строение сплавов
- •4.2. Диаграммы состояния двойных сплавов
- •5. Железоуглеродистые сплавы
- •5.1. Компоненты и фазы
- •5.2. Превращения в сплавах системы железо–цементит
- •5.2.1. Первичная кристаллизация сталей
- •5.2.2. Вторичная кристаллизация сталей
- •5.2.3. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали
- •5.2.4. Кристаллизация белых чугунов
- •5.3. Превращения в сплавах системы железо–графит
- •6. Основы термической обработки сталей
- •6.1. Основные превращения в стали
- •6.2. Отжиг стали
- •6.3. Закалка и отпуск
- •7. Поверхностное упрочнение деталей
- •7.1. Упрочнение методом пластической деформации
- •7.2. Упрочнение методом поверхностной закалки
- •7.3. Химико-термическая обработка
- •8. Легированные стали
- •8.1. Маркировка легированных сталей
- •8.2. Классификация легированных сталей
- •8.2.1. Конструкционные стали
- •8.2.2. Инструментальные стали
- •8.2.3. Стали и сплавы с особыми свойствами
- •9. Цветные металлы и сплавы
- •9.1. Титан и его сплавы
- •9.2 Алюминий и его сплавы
- •9.3. Магний и его сплавы
- •9.4. Медь и ее сплавы
- •9.5. Другие цветные металлы и сплавы
- •10. Неметаллические и композиционные материалы
- •10.1. Полимеры
- •10.2. Пластмассы
- •10.3. Композиционные материалы
- •10.3. Керамические материалы
- •Часть 2 Технология конструкционных материалов
- •11. Металлургическое производство
- •11.1. Основные сведения о производстве чугуна
- •11.2. Производство стали
- •11.3. Разливка стали
- •12. Литейное производство
- •12.1. Литейные свойства сплавов
- •12.2. Литье в песчано-глинистые формы
- •12.3. Плавильные печи
- •12.4. Специальные способы литья
- •12.5. Сплавы для изготовления отливок
- •13. Обработка металлов давлением
- •13.1. Прокатка
- •13.2. Волочение и прессование
- •13.3. Ковка
- •13.4. Штамповка
- •14. Обработка металлов резанием
- •14.1. Основы резания металлов
- •14.2. Обработка на токарных станках
- •14.3. Обработка на сверлильных станках
- •14.4. Обработка на фрезерных станках
- •14.5. Обработка на строгальных и долбежных станках
- •14.6. Обработка на шлифовальных и отделочных станках
- •14.7. Точность и качество поверхности при обработке
- •15. Сварка, резка и пайка
- •15.1. Сварка металлов плавлением
- •15.2. Сварка металлов давлением
- •15.3. Термическая резка металлов
- •Области применения способов термической резки
- •15.4. Пайка металлов
- •16. Электрофизические и электрохимические способы обработки материалов
- •16.1. Электрофизические способы
- •16.2. Электрохимические способы
- •17. Основы рационального выбора материалов
- •17.1. Выбор материала
- •17.2. Основные направления экономии материалов
- •Литература
- •Оглавление
- •Евгений Петрович Чинков
- •Андрей Геннадьевич Багинский
- •Материаловедение и технология
- •Конструкционных материалов
- •Подписано к печати.
9.5. Другие цветные металлы и сплавы
Бериллий и его сплавы. Бериллий – легкий (1,845 г/см3), пластичный (δ = 140 %) металл светло-серого цвета. Температура плавления – 1287 С. До 1250 С имеет ГПУ решетку, выше – ОЦК. Бериллий чрезвычайно токсичен. Механические свойства бериллия зависят от чистоты металла, технологии производства, размера зерна. Пластичный бериллий (содержание примесей 10-4 %) получают электролизом с последующей зонной плавкой. Бериллий обладает уникальным сочетанием физических и механических свойств. По удельной прочности и жесткости, удельной теплоемкости он превосходит все другие металлы. Бериллий отличается высокой электро- и теплопроводностью. Недостатки – высокая стоимость, сложность переработки, а также низкая хладостойкость и ударная вязкость (ниже 5 Дж/см2). Бериллий плохо обрабатывается резанием. Поэтому для производства заготовок применяют метод порошковой металлургии. Соединения деталей из бериллия получают с использованием пайки, дуговой сварки в аргоне или в вакууме, для предотвращения взаимодействия металла с кислородом.
Сплавы бериллия. Размеры атома бериллия очень малы – 0,226 нм. Поэтому введение даже небольшого количества примесей (например, 0,001 % Si) приводит к значительным искажениям кристаллической решетки бериллия и сильному охрупчиванию металла. Поэтому легирование бериллия возможно только элементами, которые образуют с бериллием механические смеси с минимальной взаимной растворимостью. В сплавах бериллия с алюминием (24–43 % Al) твердые частицы бериллия равномерно распределены в пластичной алюминиевой матрице. Например, сплав локеллой (62 % Be) фирмы «Локхид» (США) имеет следующие механические свойства: в = 600 МПа, δ = 1 %. Для увеличения прочности в сплавы Be–Al дополнительно вводят магний и серебро – элементы, растворимые в алюминиевой матрице. Сплавы бериллия с серебром (до 60 %) дополнительно легируют литием и лантаном.
Цинк и его сплавы. Цинк – синевато-белый металл, температура плавления 419 С, плотность 7,13 г/см3, решетка – ГПУ. Полиморфных превращений не имеет. Чистый цинк обладает высокой пластичностью (δ = 50 %), низкой прочностью (в = 150 МПа). При 100–150 С цинк пластичен и легко прокатывается в листы и фольгу толщиной до сотых долей миллиметра. При 250 С становится хрупким. Основные примеси – свинец, железо, кадмий. Половина производимого цинка расходуется на защитные антикоррозионные покрытия для сталей.
Сплавы на основе цинка характеризуются невысокой температурой плавления, хорошей жидкотекучестью, легко обрабатываются давлением и резанием, хорошо паяются и свариваются. Основные примеси – алюминий (до 5–10 %) и медь (до 5 %). Маркируются буквами Ц (цинк), А (алюминий), М (медь) и цифрами, показывающими содержание элементов в процентах. Сплав ЦАМ4-3 содержит 4 % Al и 3 % Cu.
Свинец и его сплавы. Свинец – металл голубовато-серого цвета, температура плавления 327 С, плотность 11,3 г/см3, решетка ГЦК. Полиморфных превращений не имеет. Свинец обладает высокой пластичностью (δ = 60 %) и очень низкой прочностью (в = 13 МПа). Чистый свинец хорошо поглощает гамма и рентгеновские лучи, поэтому его широко применяют для изготовления защитных экранов и контейнеров для хранения радиоактивных веществ. Много свинца расходуется на защитные оболочки электрических кабелей, для производства аппаратуры, стойкой в агрессивных средах.
Сплавы на основе свинца. Введение Fe, Te, Cu, Sb, Sn, Cd и Ca в небольших количествах, не снижает коррозионную стойкость свинца, но увеличивает его прочность, твердость и антифрикционные свойства, а при нагреве – предел ползучести и длительную прочность.
Сплавы с теллуром (0,03–0,06 %), медью (0,04–0,08 %) и сурьмой (0,5–2 %) используются как материалы для облицовки кислотоупорной аппаратуры и трубопроводов.
Для оболочек электрических кабелей применяют сплавы с теллуром (0,04–0,06 %), кальцием (0,03–0,07 %), оловом (1–2 %) и сурьмой (0,4–0,8 %). Благодаря хорошим литейным свойствам свинцовые сплавы применяются для отливок малого сечения и сложной формы. Для перфорированных пластин свинцовых аккумуляторов используют сплав свинца с сурьмой повышенной прочности (6–9 %).
Олово и его сплавы. Олово – пластичный, ковкий и легкоплавкий блестящий металл серебристо-белого цвета, характеризуется высокой пластичностью (δ = 90 %) и низкой прочностью (в = 17 МПа). Температура плавления 232 С. Белое олово (-олово) с тетрагональной решеткой и плотностью 7,3 г/см3 устойчиво до 18 С, ниже – начинается полиморфное превращение белого в серое олово (-олово) с решеткой подобной решетке алмаза и плотностью 5,85 г/см3. Олово применяется в чистом виде или в сплавах с другими металлами.
Основное промышленные применения олова – безопасное, нетоксичное, коррозионностойкое покрытие в белой жести (луженое железо) и оловянно-свинцовый и оловянно-цинковый припои для электроники. Важнейший сплав олова с медью – бронза. Олово один из главных компонентов при получении конструкционных сплавов титана. Около 33 % добываемого олова используется для изготовления тары пищевых продуктов (посудное олово). Сплав олова (85–99 %) с такими металлами, как медь, сурьма, висмут, свинец называется пьютер (от англ. pewter). Температура плавления (170–230 °C) зависит от процентного содержания компонентов.
Олово марок О1 (99,9 % Sn) и О2 (99,56 % Sn) используется для лужения, О3 (98,35 % Sn) и О4 (96,25 % Sn) – для пайки.
Баббиты названы в честь изобретателя I. Babbitt (1839 г.). Баббиты – антифрикционные сплавы на основе олова или свинца. Используются для изготовления тяжело нагруженных подшипников скольжения. Для получения антифрикционных свойств в баббиты добавляют сурьму, медь, никель, мышьяк, кадмий, теллур, кальций, натрий, магний и др. Баббиты имеют низкие температуры плавления (300–440 °C), хорошую прирабатываемость. Высокие антифрикционные свойства обусловлены гетерогенной структурой баббита, характеризующейся наличием твердых частиц в мягкой пластичной основе сплава.
Баббиты на оловянной основе применяют для подшипников ответственного назначения, когда от антифрикционного материала требуются повышенная вязкость и минимальный коэффициент трения. Оловянный баббит по сравнению со свинцовым обладает более высокой коррозионной стойкостью, износоустойчивостью и теплопроводностью, а также меньшим коэффициентом линейного расширения.
Свинцовые баббиты могут работать при более высокой температуре подшипника, чем оловянные. Свинцовый баббит применяют для заливки подшипников двигателей автомобилей, тракторов, прокатных станов. Свинцово-кальциевый баббит используют для заливки подшипников подвижного состава железнодорожного транспорта.
Тугоплавкие металлы и сплавы. Тугоплавкими называют металлы с температурой плавления выше 2200 С: вольфрам (3410 С), рений (3180 С), тантал (2996 С), молибден (2623 С), ниобий (2468 С), гафний (2222 С), рутений (2334 С) и др. Металлы имеют, в основном, ОЦК решетку и не претерпевают полиморфных превращений.
Тугоплавкие металлы и их сплавы применяют как жаропрочные материалы в авиационной и космической технике. Они имеют низкую жаростойкость, поэтому возникает необходимость использования различных защитных покрытий. Металлы получают плавкой в электродуговых и электронно-лучевых печах; методами порошковой металлургии (с использованием операций прессования и спекания).
Вольфрамовую проволоку диаметром до 15 мм получают предварительной проковкой заготовок с последующим волочением через алмазные фильеры. Конечный диаметр уменьшают до 5 мкм путем протравливания проволоки в кислоте. Вольфрам и молибден используют для изготовления нитей накаливания и электрических контактов. Рений применяется при производстве сверхточных навигационных приборов. Тантал нужен для изготовления пластин и проволоки в костной хирургии. Сплавы вольфрама с 5–20 % рения применяют для изготовления термопар, измеряющих температуру до 3000 С. Карбиды вольфрама, ниобия, тантала обладают высокой твердостью и износостойкостью. Изделия из сплава ниобия и тантала эксплуатируют в агрессивных средах серной или азотной кислот 2–3 года, коррозионно-стойкой стали – всего 2–3 месяца.
Для специальных конструкционных элементов используют псевдосплавы, состоящие из взаимно нерастворимых компонентов с большой разницей в температурах плавления. Спеченный из порошка вольфрама пористый каркас пропитывают при 1200–1500 С второй жидкой составляющей (фазой) – медью или серебром.
Легкоплавкие сплавы – сплавы с температурой плавления ниже температуры плавления их основного компонента – олова (232 С). Металлы с низкой температурой плавления (Pb, Cd, Bi, Zn) образуют с оловом сложные эвтектики. Маркируются такие сплавы буквой Л и цифрой, показывающей температуру плавления сплава в градусах Цельсия: (например, Л199: 8,9 % Zn и Sn).
Широко распространен сплав Вуда на основе висмута Л68 (12,5 % Sn, 25 % Pb, 12,5 % Cd и 50 % Bi). Легкоплавкие сплавы используют в качестве конструкционного материала при изготовлении тепловых предохранителей, небольших отливок в пластмассовых формах и т. д.