Материаловедение

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

дартные алюминиевые сплавы, в том числе высокопрочные (В95), и сплавы, специально предназначенные для работы при высоких температурах (АК4—1), что нагляднр представлено на рис. 13.35. Высокая демпфирующая способность материала обеспечивает вибропрочность изготовленных из него конструкций. Плотность сплава равна 2650 кг/м3, а удельная прочность-45 км. Это значительно выше, чем у высокопрочных сталей и титановых сплавов.
...
Расчеты показали, что замена сплава В95 на титановый сплав при изготовлении лонжерона крыла самолета с подкрепляющими элементами из ВКА-1 увеличивает его жесткость на 45% и дает экономию в массе около 42%.
...
Композиционные материалы на алюминиевой основе, армированные углеродными волокнами (ВКУ), дешевле и легче, чем материалы с борными волокнами. И хотя они уступают последним по прочности, обладают близкой удельной прочностью (42 км). Однако изготовление композиционных материалов с углеродным упрочнителем связано с большими технологическими трудностями вследствие взаимодействия углерода с металлическими матрицами при нагреве, вызывающего снижение прочности материала. Для устранения этого недостатка применяют спе-
...
прочные алюминиевые сплавы и выходит на уровень соответствующих свойств титановых сплавов. При этом плотность композиций находится в пределах 3900-4800 кг/м3.
...
Упрочнение алюминия и его сплавов более дорогими волокнами В, С, А12Оэ повышает стоимость композиционных материалов, но при этом эффективнее улучшаются некоторые свойства: например, при армировании борными волокнами модуль упругости увеличивается в 3-4 раза, углеродные волокна способствуют снижению плотности. На рис. 13.34 и ниже показано влияние объемного содержания волокон бора на прочность и жесткость композиции алюминий - бор.
...
Бор мало разупрочняется с повышением температуры, поэтому композиции, армированные борными волокнами, сохраняют высокую прочность до 400-500 °С. Промышленное применение нашел материал, содержащий 50 об.% непрерывных высокопрочных и высокомодульных волокон бора (ВКА-1). По модулю упругости и временному сопротивлению в интервале температур 20-500 °С он превосходит все стан-
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
кон, так и композиционных материалов в целом. И, кроме того, высокие температуры приводят к рекристаллизации и разупрочнению многих армирующих материалов, что снижает эффект упрочнения от армирования. Поэтому для упрочнения материалов с титановой матрицей используют проволоку из бериллия и керамических волокон тугоплавких оксидов (А1203), карбидов (БіС), а также тугоплавких металлов, обладающих большим модулем упругости и высокой температурой рекристаллизации (Мо, Причем целью армирования является в основном не повышение и без того высокой удельной прочности, а увеличение модуля упругости и повышение рабочих температур. Механические свойства титанового сплава ВТ6 (6% А1, 4% V, остальное А1), армированного волокнами Мо, Ве и БіС, представлены в табл. 13.9. Как видно из таблицы, наиболее эффективно удельная жесткость повышается при армировании волокнами карбида кремния.
...
Армирование сплава ВТ6 молибденовой проволокой способствует сохранению высоких значений модуля упругости до 800 °С. Его величина при этой температуре соответствует 124 ГПа, т. е. снижается на 33%, тогда как временное сопротивление разрыву при этом уменьшается до 420 МПа, т. е. более чем в 3 раза.
...
прочность > 50 км. Хорошая совместимость магния и его сплавов с борным волокном, с одной стороны, позволяет изготовлять детали методом пропитки практически без последующей механической обработки, с другой-обеспечивает большой ресурс работы деталей при повышенных температурах. Удельная прочность этих материалов повышается благодаря применению в качестве матрицы сплавов, легированных легким литием, а также в результате использования более легкого углеродного волокна. Но, как было указано ранее, введение углеродного волокна осложняет технологию и без того нетехнологичных сплавов. Как известно, магний и его сплавы обладают низкой технологической пластичностью, склонностью к образованию рыхлой оксидной пленки.
...
При создании композиционных материалов на титановой основе встречаются трудности, вызванные необходимостью нагрева до высоких температур. При высоких температурах титановая матрица становится очень активной; она приобретает способность к газопоглощению, взаимодействию с многими упрочнителями: бором, карбидом кремния, оксидом алюминия и др. В результате образуются реакционные зоны, снижается прочность как самих воло-
...
Основная задача при создании композиционных материалов на никелевой основе (ВКН) заключается в повышении рабочих температур выше 1000 °С. И одним из лучших металлических упрочнителей, способных обеспечить хорошие показатели прочности при столь высоких температурах, является вольфрамовая проволока. Введение вольфрамовой проволоки в количестве от 40 до 70 об. % в сплав никеля с хромом обеспечивает прочность при 1100°С в течение 100 ч соответственно 130 и 250 МПа, тогда как лучший неармиро-ванный никелевый сплав, предназначенный для работы в аналогичных условиях, имеет прочность 75 МПа. Использование для армирования проволоки из сплавов вольфрама с рением или гафнием увеличивает этот показатель на 30-50%.
...
Композиционные материалы применяют во многих отраслях промышленности и прежде всего в авиации, ракетной и космической технике, где особенно большое значение имеет снижение массы конструкций при одновременном повышении прочности и жесткости. Благодаря высоким удельным характери-
...
стикам прочности и жесткости их используют при изготовлении, например, горизонтальных стабилизаторов и закрылков самолетов, лопастей винтов и контейнеров вертолетов, корпусов и камер сгорания реактивных двигателей и др. Использование композиционных материалов в конструкциях летательных аппаратов уменьшило их массу на 30-40%, увеличило полезную нагрузку без снижения скорости и дальности полета.
...
В настоящее время композиционные материалы применяют в энергетическом турбостроении (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 композиционных материалов позволяют использовать их в качестве электроизоляционных материалов (органоволокниты), радиопрозрачных обтекателей (стекловолокниты), подшипников скольжения (карбоволок-ниты) и других деталей.
...
Конструкционные материалы при эксплуатации в коррозионной среде должны обладать не только определенными механическими свойствами, но также высокой коррозионной стойкостью. Процессу коррозии наиболее подвержены металлы и сплавы, что объясняется их большой химической активностью и высокой электропроводимостью.
...
Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Коррозионно-стойкими называют металлы и сплавы, которые способны сопротивляться коррозионному воздействию
...
Пока коррозионный элемент разомкнут, на анодных и катодных участках реакции в прямом и обратном направлениях идут с одинаковой скоростью-обратимо. Изменение термодинамического потенциала этих реакций Ав-р определяет обратимый электродный потенциал Кобр.
...
среды, т. е. процесс коррозии в них развивается с малой скоростью. Отмечают два вида коррозии: электрохимическую и химическую.
...
Необратимые электродные потенциалы определяют экспериментально. По сравнению с обратимыми они менее отрицательны для анода и менее положительны для катода.
...
Разница значений обратимого и необратимого потенциалов пропорциональна величине тока в коррозионном элементе. Коэффициенты пропорциональности Рд и Рк называют поляризуемостью
...
Некоторые металлы в определенных условиях коррозии имеют большую анодную поляризуемость Рд, и их называют пассивирующимися.
...
где К-омическое сопротивление коррозионного элемента. Приведенная формула используется для качественной оценки и выявления контролирующего фактора, определяющего коррозионную стойкость металла. Количественную оценку получают экспериментально в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным.
...
Обратимый потенциал возможных катодных реакций Кобр, влияющий на величину коррозионного тока и скорость коррозии, больше обратимого потенциала металла и зависит только от состава электролита и физических условий, в которых идет процесс коррозии. Состав электролита определяется соотношением концентрации ионов Н+ и ОН". Если концентрация ионов Н + меньше концентрации ионов ОН", среду называют щелочной; при равенстве концентраций- нейтральной, а если больше концентрация ионов Н+, среду называют кислой.
...
При коррозии в нейтральных средах (влажный воздух, речная и морская вода, хорошо аэрирующиеся почвы), а также в щелочной среде катодный процесс для большинства металлов идет по реакции (14.2). При коррозии в кислотах или плохо азри-
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
ми многофазными структурами, в которых площадь анодной фазы велика. В углеродистых сталях наименьшей коррозионной стойкостью обладает троостит.
...
Коррозионная стойкость многофазных сплавов определяется прежде всего электродными потенциалами основной и вторичной фазы.
...
Анодные вторичные фазы не изменяют коррозионную стойкость сплава, так как они растворяются в начале процесса коррозии, и поверхность становится однофазной. Примером этому являются латуни и бронзы.
...
Катодные вторичные фазы, если анод не пассивируется, наиболее опасны, потому что усиливают анодное растворение основной фазы. С увеличением дисперсности и площади катодных включений уменьшается Рк> а коррозионный ток растет. Именно поэтому отожженный дюралюминий не обладает коррозионной стойкостью.
...
Катодные вторичные фазы при пассивирующемся аноде облегчают переход в пассивное состояние и, тем самым, повышают коррозионную стойкость. Известно, что низколегированные стали при дополнительном легировании медью, образующей на поверхности катодные выделения, приобретают способность пассивироваться на воздухе.
...
Омическое сопротивление коррозионного элемента мало, так как металлы и электролит обладают высокой электрической проводимостью. Кроме того, анод непосредственно контактирует с катодом. Все это объясняет подверженность металлов электрохимической коррозии.
...
На коррозионную стойкость металлов оказывают влияние пленки продуктов коррозии, образующиеся на корродируемой поверхности. Их защитные свойства проявляются в увеличении омического сопротивления и поляризуемостей Рд и Рк [см. формулу (14.6)].
...
Электролит может растворять такие защитные пленки и тем самым ухудшать коррозионную стойкость. Растворимость таких пленок у различных металлов проявляется в различных электролитах.
...
Пассивирующие металлы (рис. 14.2) имеют коррозионную стойкость в нейтральных и кислых окисляющих средах, а также в щелочах (за исключением А1). Непассивирую-щиеся металлы стойки в нейтральных и щелочных средах, а в кислых средах, в особенности окисляющих, нестойки. Металлы белого цвета Хп, вп, РЬ обладают коррозионной
...
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
...
Коррозионное растрескивание - коррозионное разрушение от электрохимического воздействия среды и напряжений растяжения, возникающих при механической обработке металла либо в результате наводороживания при обработке и эксплуатации.
...
Скорость равномерной коррозии оценивают удельной потерей массы в единицу времени [мг/(м2-с)] или уменьшением размера за определенный период времени (мкм/год). При местной коррозии степень коррозионного разрушения оценивают по интенсивности изменения физико-механических, свойств.
...
Коррозионно-стойкие непассивирующие-ся металлы. В тех случаях, когда обратимый электродный потенциал в заданных условиях коррозии близок к обратимому потенциалу катодной реакции ^бр,
...
По этой причине электроположительные металлы Аи, Р1:, А§, Си, а также и РЬ, потенциал которых имеет небольшие электроотрицательные значения, обладают коррозионной стойкостью во многих средах; Аи, Р1:, Ag имеют коррозионную стойкость во всех средах, кроме некоторых концентрированных окисляющих кислот. Си, 8п, РЬ используют во влажной атмосфере, морской воде и многих органических кислотах.
...
Медные сплавы, в состав которых входят электроотрицательные металлы, имеют высокую коррозионную стойкость в условиях равномерной атмосферной и морской коррозии. Это является результатом того, что леги-
...
рующие металлы, растворяясь в меди, не изменяют потенциал основной фазы. В некоторых сплавах, кроме этого, легирующие металлы образуют анодные вторичные фазы. Растворяясь на поверхности в начале процесса коррозии, они не влияют на коррозионную стойкость сплава.
...
Латуни коррозионно-стойки при равномерной коррозии, но склонны к коррозионному растрескиванию во влажной атмосфере (в особенности при наличии сернистых газов), поэтому после их обработки давлением необходим отпуск для устранения внутренних напряжений. При большом содержании цинка латуни подвержены еще одному виду коррозионного разрушения - избирательному поверхностному электрохимическому растворению электроотрицательного цинка.
...
металлы. Для большинства металлов пассивность наступает в окислительных (кислородосодержащих) средах и даже самопроизвольно на воздухе.
...
Наибольшей склонностью к самопассивированию на воздухе обладают титан, алюминий и хром. Пассивное состояние в них сохраняется во многих средах, но исчезает в средах, содержащих мало кислорода и много ионов хлора (влажная плохо аэрируемая почва, морская вода, неокисляющие кислоты).
...
Титан в пассивированном состоянии по своей коррозионной стойкости уступает только золоту и платине. В отличие от остальных металлов он сохраняет пассивность во влажной атмосфере даже при нагреве, в неокислительных, окислительных и органических кислотах, в морской воде, а также в горячих щелочах. Титан обладает коррозионной стойкостью в морской воде в условиях, вызывающих даже у медных сплавов кавитационную коррозию. Титановые сплавы (см. п. 13.1) сохраняют высокую коррозионную стойкость титана.
...
Высокая коррозионная стойкость алюминия во влажной атмосфере, окислительных и органических кислотах связана с переходом в пассивное состояние. Однако в щелочах он корродирует с большой скоростью, а в морской воде, Кроме этого, подвержен коррозионному растрескиванию.
...
Все примеси и легирующие элементы алюминиевых сплавов уменьшают поляризуемость и, тем самым, ухудшают коррозионную стойкость. Наиболее опасны, так как устраняют пассивность, электроположительные металлы. Присутствие железа и меди в десятых долях процента заметно ухудшает коррозионную стойкость алюминия. Сплавы (см. п. 12.1), содержащие до 5%
...
судов и морских сооружений не обрастает морскими организмами из-за токсичности меди. Все это способствует широкому применению медных сплавов в судостроении.
...
Электродный потенциал медного сплава можно повысить, а скорость коррозии уменьшить путем легирования более благородным металлом, например, золотом (рис. 14.3). Объемное легирование золотом позволяет получать сплавы с однофазной структурой твердого раствора. При определенных концентрациях электродный потенциал, так же как и скорость коррозии, меняется скачкообразно. При содержании золота в сплаве более 25% скорость коррозии в воде становится равной скорости коррозии чистого золота. В связи с дефицитностью золота объемному легированию предпочитают поверхностные покрытия.
...
Коррозионно-стойкие пассивирующиеся металлы. Несмотря на большой отрицательный обратимый электродный потенциал металла вследствие большой анодной поляризации РА в коррозионном элементе устанавливается небольшой коррозионный ток, и металл разрушается с очень малой скоростью [см. формулу (14.6)]. Пассивное состояние связывают с образованием на поверхности защитных пленок.
...
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
...
Мп, М% не устраняют пассивность, поэтому простые силумины, не содержащие медь, сохраняют коррозионную стойкость во влажной атмосфере. Марганец оказывает даже положительное влияние, так как, образуя фазу (МпРе)А16, удаляет железо из решетки алюминия и, тем самым, устраняет его вредное действие. Коррозионная стойкость сплава АМц по этой причине даже выше коррозионной стойкости технически чистого А1. Магний образует с алюминием анодную фазу М§2А13, которая на поверхности сплава быстро растворяется, и поверхность становится однофазной. Это объясняет высокую коррозионную стойкость сплавов АМгб, АЛ8 и АЛ27, которая лишь немного уступает стойкости чистого алюминия.
...
Алюминий и его сплавы чувствительны к контактной коррозии. При контакте с более электроположительными металлами Ре, №, Си алюминий является анодом и разрушается. Для защиты алюминия стальные детали (болты) покрывают кадмием или цинком. Кадмий имеет такой же потенциал, как пассивированный алюминий, потенциал цинка более отрицателен. Алюминиевые сплавы, легированные медью, подвержены межкристаллитной коррозии. Для защиты от такой коррозии сплавы дополнительно легируют магнием, а листовые полуфабрикаты плакируют чистым алюминием.
...
Металлы, склонные к пассивированию, используют как легирующие элементы в сплавах. При определенном их содержании сплав приобретает склонность к пассивированию. Примером этому являются хромистые, хромонике-левые и хромомарганцевые коррозионно-стойкие стали.
...
При объемном и поверхностном легировании хромом ( > 12,5 %) железо, а также сталь становятся пассивными; коррозионный ток и скорость коррозии резко снижаются (рис. 14.4). При содержании свыше 17% Сг низкоуглеродистые стали приобретают однофазную
...
ферритную структуру. Это увеличивает коррозионную стойкость стали, но исключает возможность ее упрочнения термической обработкой.
...
Дополнительное легирование никелем или марганцем таких высокохромистых сталей позволяет получать в результате термической обработки однофазную аустенитную структуру высокой коррозионной стойкости, с повышенной прочностью и хорошей технологичностью. Кроме этого, хромистые и хромонике-левые стали обладают высокой коррозионной выносливостью (см. табл. 14.1), поэтому используются для циклически нагруженных деталей машин и приборов, работающих в коррозионной среде.
...
Хромистые стали коррозионно-стойки при температуре не выше 30 °С во влажной атмосфере воздуха, водопроводной и речной воде, в азотной (рис. 14.5) и многих органических кисло-
...
Материалы, применяемые є машино- и приборостроении
...
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
...
276 Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
опасный межкристаллитный характер. Склонность к межкристаллитной коррозии в аустенитных сталях появляется после нагрева при определенных температурах и выдержках в процессе обработки или в условиях эксплуатации.
...
Все способы борьбы с появлением склонности к межкристаллитной коррозии направлены на предотвращение выделений хрома из аустенита. С этой целью уменьшают содержание углерода в стали либо вводят более сильный карбидообразующий элемент, который связывает весь углерод в карбид, а хром остается в твердом растворе. К таким элементам относятся титан, содержание которого должно более чем в 5 раз превышать содержание углерода, а также ниобий.
...
Стали 04X18Н10, 08Х18Н10 и 12Х18Н10Т вследствие малого содержания углерода или дополнительного легирования титаном не склонны к межкристаллитной коррозии. Такие стали называют стабилизированными.
...
Сталь 17Х18Н9 склонна к межкристаллитной коррозии, поэтому после закалки ее нельзя нагревать выше 400 °С, в частности, нельзя сваривать. Эти стали поставляют в закаленном, а также наклепанном состоянии с <тв = = 1000-1200 МПа и 5
...
Более дешевыми являются коррозионно-стойкие аустенитные стали, в которых дефицитный никель частично или полностью заменен марганцем и азотом (см. табл. 14.3). В результате закалки они приобретают однофазную аустенит-ную структуру и не уступают по коррозионной стойкости хромоникелевым сталям. Стали, не содержащие титан, склонны к межкристаллитной коррозии.
...
Аустенитные хромоникелевые и хро-момарганцевые стали широко используют в конструкциях, изготовляемых из листовой стали штамповкой и сваркой (вакуумные камеры, оболочки, емкости, трубопроводы и т. п.), в самолето-, машине-, приборо- и судостроении, химической промышленности и др.
...
Коррозионно-стойкие покрытия. Металлические и неметаллические коррозионно-стойкие покрытия являются распространенным средством повышения долговечности изделий при работе в коррозионной среде.
...
Катодные покрытия изготовляют из более электроположительного металла. Они экранируют анодные участки металла и повышают электродный потенциал поверхности. Вследствие высокой коррозионной стойкости они долговечны, но не выносят механических повреждений. Если есть царапины, то основной металл при наличии покрытия-второго катода корродирует быстрее, нежели без покрытия.
...
Покрытия свинцом или оловом (лужение) для железа и низкоуглеродистой стали являются катодными. Свинец и олово более электроположительные металлы, чем железо в атмосфере воздуха, неорганических и органических не-окисляющих кислотах. Луженую сталь применяют в пищевой промышленности, а покрытие свинпом-в химической промышленности.
...
Анодные покрытия изготовляют из более электроотрицательного металла. Разрушаясь, он предохраняет металл от коррозии. При механических повреждениях такое покрытие выполняет роль дополнительного более электроотрицательного анода, который забирает большую долю коррозионного тока и тем самым защищает основной анод. Анодные покрытия применяют при атмосферной и морской коррозии. Например, анодными для железа и углеродистых сталей являются покрытия цинком или кадмием.
...
Неметаллические покрытия представляют собой вещества с ионным или молекулярным типом связи, являющимися по своим электрическим свойствам диэлектриками или полупроводниками. Вследствие большого омического со-
...
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
...
противления электрохимическая коррозия в них не развивается [см. формулу (14.6)]. Ионным типом связи обладают покрытия из оксидов, создаваемые на сталях при нагреве на воздухе или при анодировании алюминия. Высокомолекулярные соединения входят в состав покрытий из лаков, фторопластов, а также совместно с оксидами в состав красок и эмалей.
...
лярные покрытия во многих случаях легко отслаиваются, хрупки и разрушаются при относительно небольших нагрузках. В некоторых случаях предпочитают изготовлять детали и элементы целиком из полимеров и пластмасс, что обеспечивает конструкции долговечность в эксплуатации.
...
Конструкционные металлические материалы в процессе обработки и эксплуатации при нагреве в коррозионно-активных средах подвергаются химической коррозии и разрушению.
...
Химическая коррозия. Она развивается в сухих газах или жидких неэлектролитах. В большинстве случаев это кис-лородосодержащие газы: сухой воздух, углекислый газ, сухой водяной пар и чистый кислород. При химической коррозии поверхность металла окисляется.
...
Способность металла сопротивляться коррозионному воздействию газа при высоких температурах называют жаростойкостью.
...
Окисление включает несколько последовательно идущих этапов. Первым из них является адсорбция молекул кислорода из газовой фазы поверхностными атомами металла. При адсорбции выделяется теплота, которая вызывает диссоциацию молекул кислорода на атомы. Этот процесс сопровождается перераспределением электронов и ионизацией атомов: поверхностные атомы металла окисляются — теряют электроны (14.7); атомы кислорода восстанавливаются — захватывают электроны (14.8).
...
перемещение ионов обеспечивает диффузия вследствие разницы в концентрации ионов металла на внутренней С и внешней С0 поверхности. Скорость окисления в этом случае несколько больше, чем при миграции, но также невелика по сравнению со скоростью окисления рыхлых оксидов.
...
В координатах (^(й/г/йт)— 1/7) эта зависимость имеет вид прямой, наклон которой определяет энергию активации процесса окисления Е.
...
Для металлов, у которых при нагреве меняются химический состав и структура оксидов, температурная зависимость скорости окисления имеет несколько линейных участков с разным наклоном. Каждый из них определяется защитными свойствами оксидов в определенном температурном интервале. На рис. 14.9 показана температурная зависимость скорости окисления меди на воздухе. В интервале температур 200-400°С скорость окисления меди находится в пределах 10"7-10'3 г/(м2-ч). При 400°С начинается интенсивное окисление, что связывают с появлением оксида Си20, который имеет большую дефектность кристаллической решетки (недостаток ионов металла) и заменяет бездефектный оксид СиО.
...
Температурные зависимости скорости окисления металла определяют экспериментально в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным. По ним оценивают жаростойкость металла и максималь-
...
металла, но они имеют размерное и структурное соответствие. По мере удаления от поверхности металла кристаллографическая структура оксида все более отличается от решетки металла и на внешней поверхности приближается к решетке компактного оксида.
...
Оксиды металлов представляют собой промежуточные фазы с ионным типом связи. По сравнению со стехиометрическим составом, который отражает химическая формула, в решетке оксидов может быть избыток ионов металла или кислорода. Избыток создают либо ионы металла, расположенные в межузельных порах, либо вакансии в узлах решетки вследствие недостатка ионов металла или кислорода. Таким образом, кристаллографическая решетка оксидов переменного состава дефектна: чем больше вакансий или межузельных ионов, тем больше дефектность и хуже защитные свойства оксидов.
...
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
требованием ко всем элементам при жаростойком легировании является большее химическое сродство к кислороду, нежели сродство основного металла. Только в этом случае легирующий элемент может влиять на жаростойкость. В связи с этим металлы пятой группы Ag, Аи, Р1 (см. табл. 14.4) нельзя использовать при жаростойком легировании.
...
Повышенная жаростойкость низколегированных сталей и сплавов вызвана тем, что легирующий элемент В входит в решетку оксида основного металла А, уменьшая тем самым его дефектность. Образуется легированный оксид (АВ)тО„. Металлы, у которых оксид имеет избыток ионов в межузлиях (рис. 14.11, а), следует легировать элементами большей валентности. Для сохранения электронейтральности произойдет замена ЗА2+=2В3+ и уменьшится число меж-узельных ионов металла. Металлы, у которых оксиды имеют недостаток ионов металла в узлах решетки (рис. 14.11,6), следует легировать элементами меньшей валентности. При этом произойдет замена А2+ =2В+ и уменьшится число катионных вакансий.
...
Хорошую жаростойкость высоколегированных сталей и сплавов объясняют тем, что легирующий элемент образует собственный оксид ВтО„, обладающий лучшими защитными свойствами, нежели оксид основного металла АтО„. Для образования оксида легирующего элемента последний должен не
...
сительно высокие скорости окисления у металлов этой группы связывают с большой дефектностью образующихся при нагреве оксидов.
...
В процессе окисления железа и стали на поверхности растут несколько оксидов, у которых химический состав, кристаллографическая структура и защитные свойства различны.
...
Температурная зависимость скорости окисления железа на воздухе отражает изменения состава и структуры образующихся на поверхности оксидов (рис. 14.10). До 560 °С окисление идет медленнее, так как на поверхности образуются оксиды Ре304 и Ре2Оэ с хорошими защитными свойствами. При дальнейшем нагреве эти оксиды вследствие большого коэффициента объема Ф
...
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
...
только иметь большее химическое сродство к кислороду, а его количество и диффузионная подвижность должны обеспечить образование оксида на всей окисляемой поверхности. Сам оксид легирующего элемента должен быть плотным, не растрескиваться, иметь малую электрическую проводимость, но высокие температуры сублимации и плавления, не образовывать легкоплавких эвтек-тик и собственных фаз.
...
Высокая жаростойкость высоколегированных сталей и сплавов на основе переходных металлов связана с образованием двойных оксидов АО-А2Оэ, которые имеют кристаллическую решетку типа шпинели (см. п. 1
...
Жаростойкость промышленных алюминиевых сплавов, за исключением сплавов с магнием АМгЗ, АМгб, практически такая же хорошая, как у чистого алюминия, так как химическое сродство к кислороду алюминия больше, чем элементов Си, 7.п, $>\, Мп, входящих в эти сплавы. Некоторое ухудшение жаростойкости в сплавах, структура которых неоднофазная, вызвано неоднородностью оксида А1203 по составу и толщине. Алюминиевые сплавы типа АМг, содержащие магний, уступают чистому алюминию, так как в этих сплавах магний образует на внешней поверхности собственный рыхлый оксид М§0.
...
Жаростойкость магния удается повысить легированием. Небольшие добавки бериллия (0,02-0,05%) улучшают жаростойкость и устраняют самовозгорание при технологической обработке. Сплавы магния с Мп, Тп и А1 также более жаростойкие, чем магний.
...
медных сплавов-латуней и бронз-выше жаростойкости чистой меди. Легирующие элементы в медных сплавах-элементы четвертой группы (см. табл. 14.4) имеют большее химическое сродство к кислороду, чем медь, и при достаточном их количестве образуют при нагреве собственные оксиды, обладающие лучшими защитными свойствами, чем оксид Си20. Сплавы меди с Be, А1, Мп отличаются высокой жаростойкостью; несколько уступают им сплавы с Zn, Sn, Si.
...
Титановые сплавы поглощают кислород более активно, чем иодидный титан, поэтому защитные оксиды на поверхности не образуются, и жаростойкость титана при легировании не улучшается ни для ос-сплавов, ни для (а + Р)-сплавов. Повысить жаростойкость удается лишь применением жаростойких покрытий.
...
Жаростойкость железа и стали можно повысить легированием хромом, алюминием и кремнием. Наибольшее распространение при объемном и поверхностном легировании железа и сталей получил хром, содержание которого доходит до 30%. С увеличением содержания хрома в стали, а также с ростом температуры, выдержки и уменьшением парциального давления окислителя содержание хрома в оксиде растет. Легированные оксиды железа заменяются оксидами хрома, что ведет к повышению жаростойкости. Низкоуглеродистая сталь при большом содержании хрома приобретает однофазную ферритную структуру. В процессе длительной работы при высоких температурах кристаллы феррита растут, что сопровождается понижением сопротивления ударным нагрузкам-снижается ударная вязкость. Для предотвращения такого охрупчивания сталь дополнительно легируют карбидообразующими элементами (например, титаном). Карбиды затрудняют рост зерна феррита. Химический состав и свойства жаростойких сталей приведены в табл. 14.5.
...
282 Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
...
Жаропрочностью называется способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах.
...
Жаропрочность важна при выборе материала, когда рабочие температуры деталей превышают 0,3 Тпл. Многие детали современных паросиловых установок, металлургических печей, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин и других машин нагреваются до высоких температур и несут большие нагрузки. Условия работы деталей весьма разнообразны; решающее значение при выборе материала имеют температура, длительность работы под нагрузкой и величина напряжений. Например, паросиловые установки работают сотни тысяч часов, а ракетные двигатели-всего несколько минут. В одних случаях температуры участков деталей очень высоки и близки к температуре плавления сплава, в других-они лишь незначительно выше 0,3 ТПЛ. При высоких температурах ускоряются диффузионные процессы, изменяются исходная микроструктура и механические свойства материала.
...
Пределом длительной прочности называют напряжение, которое вызывает разрушение материала при заданной температуре за определенное время. В обозначении предела длительной прочности указывают температуру и время до разрушения. Например, а1оооо
...
Ползучесть металлов вызывает релаксацию напряжений в предварительно нагруженных деталях. При высокотемпературных условиях работы постепенно уменьшаются напряжения в болтах и других крепежных деталях, ослабляются натяги и т. п. Деформация нагруженной детали представляет собой сумму упругой и пластической деформации. В начале эксплуатации пластической деформации нет, и напряжение, например, в затянутой шпильке, равно а0 = £,е0 (где Е,
...
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды 285
...
Зернограничное скольжение представляет собой сдвиг зерен друг относительно друга вдоль общих границ в узкой пограничной области. Скольжение развивается под действием касательных напряжений. Деформация скольжения тем больше, чем мельче зерна.
...
Диффузионный перенос связан с перемещением вакансий вдоль границ и внутри зерен. Под действием растягивающих напряжений уменьшается энергия образования вакансий. На границе между двумя растянутыми зернами (рис. 14.15) концентрация вакансий увеличивается и они перемещаются в зоны, где их концентрация меньше. Потоку вакансий соответствует встречный поток атомов, поэтому у растянутых границ количество атомов увеличивается и зерна удлиняются. Перенос атомов происходит и по объему зерен, однако вклад объемной диффузии незначителен и играет роль лишь при высоких температурах около 0,9 Тпл, а действие зерно-граничной диффузии существенно уже при температурах 0,4-0,6 Тпл.
...
Когда между перемещением дислокаций, зернограничным скольжением и диффузионным переносом нет соответствия, на границах зерен появляются поры и быстро наступает разрушение.
...
Рис. 14.15. Схема диффузионной ползучести: заштрихованные области — удлинение зерна под влиянием направленной диффузии вдоль границ зерен
...
стигается повышением прочности межатомных связей, созданием препятствий для перемещения дислокаций внутри зерен и на их границах, увеличением размеров зерен.
...
Основной путь повышения жаропрочности-создание в материалах крупнозернистой структуры с однородным распределением мелких частиц упрочняющих фаз внутри зерен и на их границах.
...
Многофазная структура с мелкими частицами упрочняющих фаз в сталях получается при помощи закалки и отпуска, а во многих жаропрочных сплавах-после закалки и старения. Для получения оптимальной структуры в жаропрочных сталях и сплавах используют комплексное легирование, и по химическому составу эти материалы сложнее обычных легированных сталей и сплавов.
...
Прочность межатомных связей у большинства металлов недостаточная для обеспечения жаропрочности. Легирование твердого раствора увеличивает жаропрочность, но эффективность растворного упрочнения небольшая и сохраняется до температур около 0,6 — 0,65 Гпл. Материалы со структурой твердого раствора по жаропрочным свойствам уступают материалам, упрочненным дисперсными частицами.
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
оксиды ТЪ02 или НЮ2 в никеле, фазы Лавеса и некоторые другие промежуточные фазы. Эффективность упрочнения определяется свойствами частиц и их распределением. Чем они мельче и чем ближе находятся друг от друга, тем выше жаропрочность.
...
Крупнозернистость - характерная особенность структуры жаропрочных материалов. Чем крупнее зерна, тем меньше протяженность межзеренных границ и слабее зернограничное скольжение и диффузионный перенос. В этом отношении идеалом являются монокристаллы, у которых совсем нет границ зерен. Однако производство деталей со структурой монокристалла сложно, освоено лишь для отдельных деталей, и практически приходится иметь дело с поликристаллическими материалами. Для улучшения их жаропрочности требуется упрочнение границ зерен. С этой целью в жаропрочные стали и сплавы вводят малые добавки (0,1-0,01%) легирующих элементов, которые концентрируются на границах зерен. Эти элементы замедляют зернограничное скольжение и нейтрализуют действие вредных примесей. Особенно часто для упрочнения границ используют бор, церий и другие редкоземельные металлы. Границы зерен в никелевых жаропрочных сплавах упрочняют карбидами, добавляя с этой целью в сплавы около 0,1% С.
...
Дополнительными мерами повышения жаропрочности служат: 1) термомеханическая обработка; 2) увеличение прочности межатомной связи в сталях, когда благодаря легированию ОЦК решетка заменяется ГЦК решеткой; 3) создание анизотропной структуры.-
...
Термомеханическую обработку применяют для получения структуры поли-гонизации. Такая структура устойчива при нагреве в отличие от структуры наклепанного металла. Полигонизация повышает сопротивление ползучести, так как малоугловые границы в зернах мешают передвижению дислокаций. Одна-
...
ко такая обработка эффективна лишь в изделиях простой формы (например, трубы), где удается обеспечить однородную деформацию и одинаковые свойства во всем изделии.
...
У железа межатомные связи в ГЦК решетке прочнее, чем в ОЦК решетке. В частности, при температуре ~911°С коэффициент самодиффузии железа в ОЦК решетке в 300 раз больше, чем в ГЦК решетке. Аустенитные стали имеют ГЦК решетку и по жаропрочности немного превосходят жаропрочные стали с ОЦК решеткой.
...
Анизотропную структуру в изделиях из жаропрочных сплавов получают направленной кристаллизацией или теми же способами, какими получают композиционные материалы.
...
Основные группы жаропрочных материалов. Перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали используются при температурах 450-700 °С и по масштабам применения занимают ведущее место. Ниже 450 °С вполне пригодны обычные конструкционные стали и нет необходимости заменять их жаропрочными сталями.
...
Жаропрочные сплавы на основе алюминия, магния и титана легче сталей, однако они менее жаропрочны и используются при следующих температурах (табл. 14.7): сплавы алюминия-до 300^350 °С (исключением являются сплавы САП, их можно применять до 500-550 °С); сплавы магния-до 300-350°С; сплавы титана-до 500-600 °С. Указанные сплавы, несмотря на более высокую стоимость, применяют там, где из-за повышенных эксплуатационных температур невозможно использовать обычные сплавы этих металлов и нельзя применить стали из-за более высокой плотности.
...
Сплавы на основе никеля или кобальта жаропрочнее сталей. Сплавы на основе никеля применяют при температурах 700^ 1000 °С, а кобальтовые сплавы не получили широкого применения из-за дефицитности.
...
Материа/ы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
...
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
...
Мартенситные стали. Эти стали предназначены для изделий, работающих при температурах 450-600 °С, и от перлитных сталей отличаются повышенной стойкостью к окислению в атмосфере пара или топочных газов. По своей жаропрочности они немного превосходят перлитные стали. Критерий жаропрочности мартенситных сталей предел ползучести с допустимой деформацией 0,1% за 104 ч или 1% за 105 ч.
...
Различают две группы мартенситных сталей: с содержанием 10-12% Сг, добавками Мо, V, 1МЬ, \У и низким, в пределах 0,10—0,15%, содержанием углерода; сильхромы с содержанием 5-10% Сг, добавками кремния в количестве до 2-3 % и повышенным содержанием углерода до 0,4%.
...
Стали первой группы используют в термически обработанном состоянии. Оптимальная термическая обработка заключается в закалке или нормализации после нагрева до 950-1100 °С (для растворения карбидов) и отпуске при 600-740 "С. Структура термически обработанной стали-смесь легированного феррита и мелких карбидов - обеспечивает необходимую жаропрочность, сопротивление коррозии и релаксационную стойкость. Благодаря высокому содержанию легирующих элементов стали глубоко прокаливаются даже при нормализации (до 120-200 мм) и поэтому более пригодны для деталей крупных сечений, чем перлитные стали. При высоком содержании хрома (10-12%) и других ферритообразующих элементов и низком содержании углерода стали становятся мартенситно-фер-ритными. Количество неупрочняемого при термической обработке феррита невелико, по жаропрочным свойствам мартенситные и мартенситно-фер-ритные стали близки. При длительной эксплуатации они могут применяться до температуры 600 "С. Мартенситные ста-
...
ли данной группы имеют разнообразное применение в паровых турбинах: из них изготовляют диски, лопатки, бандажи, диафрагмы, роторы, а также трубы и крепежные детали.
...
Сильхромы характеризуются повышенной жаростойкостью в среде горячих выхлопных газов и используются для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания. Оптимальные свойства сильхромы имеют после обработки на сорбит. Так, сталь 40Х10С2М закаливают после нагрева до 1030 °С и отпускают при 720-780 °С. Чем больше содержание хрома и кремния в стали, тем выше ее рабочая температура. Жаропрочность сильхромов позволяет применять их при температурах не выше 600-650 °С; при более сложных условиях эксплуатации клапаны мощных двигателей изготовляют из аустенитных сталей. Сильхромы не содержат дорогих легирующих элементов и используются не только для клапанов двигателей, но и для крепежных деталей моторов. Технологические свойства сильхромов хуже, чем у перлитных сталей. Особенно затруднена сварка, требуются подогрев перед сваркой и последующая термическая обработка.
...
Аустенитные стали. Эти стали по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали и используются при температурах выше 600 °С. Основные легирующие элементы-хром и никель. Соотношение между ними и железом выбирают так, чтобы получить устойчивый аустенит, не склонный к фазовым превращениям. Иногда никель заменяют другими аустенитообра-зующими элементами—марганцем, азотом. Ферритообразующие элементы Мо, 1МЬ, Т1, А1, \¥ и др. вводят в стали для повышения жаропрочности: они образуют карбиды или промежуточные фазы. Аустенитные стали содержат, как правило, ~ 0,1 % С, лишь иногда его содержание повышено до 0,4%.
...
Однофазные стали имеют устойчивую структуру однородного аустенита с незначительным содержанием карбони-тридов титана или ниобия (для предупреждения межкристаллитной коррозии). Такая структура получается после закалки от 1020—1100°С. Стали этой группы применяют как жаропрочные в теплоэнергетике (например, 12Х18Н10Т).
...
Жаропрочность однофазных сталей увеличивают при помощи наклепа, пользуясь тем, что температура рекристаллизации аустенитных сталей высока (~
...
Аустенитные стали с карбидным упрочнением обычно содержат несколько карбидообразующих элементов: XV, Мо, Т1,
...
Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением-самые жаропрочные. Для повышения жаропрочности аустенита стали легируют Сг, Мо, XV, добавки А1, Т1, ТЧЬ и Та служат для формирования выделений упрочняющей фазы типа М3А1. Их упрочняют закалкой и старением. Например, сталь 10Х11Н20ТЗР закаливают от
...
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
...
Частицы у'-фазы имеют размеры 20-40 нм, а ее содержание, в зависимости от легирования, доходит до 20-50%. Переход метастабильной у'-
...
Никелевые жаропрочные сплавы широко применяют благодаря их высокой прочности, коррозионной стойкости и жаропрочности. Помимо основного назначения — изготовления лопаток и других ответственных деталей современных газотурбинных двигателей, эти сплавы применяют для изготовления штампов и матриц горячего деформирования металлов. Они используются при температурах от 750 °С, а температура 950 1000 °С является для них максимальной. В наиболее жаропрочных сплавах, содержащих около 10% Сг, недостаток жаростойкости исправляется химико-термической обработкой деталей, в частности, алитированием и хро-моалитированием. Жаропрочные никелевые сплавы с трудом подвергаются горячему деформированию и резанию. Как и аустенитные стали, эти сплавы имеют низкую теплопроводность и значительное тепловое расширение.
...
Наибольшее применение получили металлы VA подгруппы-ванадий, ниобий, тантал и металлы VIA подгруппы — хром, молибден, вольфрам. Тугоплавкие металлы имеют прочные межатомные связи и отличаются высокими температурами плавления, малым тепловым расширением, небольшой теплопроводностью, повышенной жесткостью.
...
Однако при высоких температурах все важнейшие тугоплавкие металлы (за исключением хрома) быстро окисляются. Низкая жаростойкость-большой недостаток тугоплавких металлов.
...
сплавы относят к труднообрабатываемым материалам. Все виды горячей обработки затруднены большим сопротивлением пластическому деформированию, недостатком технологической пластичности у ряда металлов и сплавов, опасностью загрязнения примесями внедрения. Во избежание загрязнения нагрев и обработку заготовок проводят в защитных средах или вакууме и применяют для этих целей специальное, более сложное и дорогое, чем обычное, об оруд ование.
...
Тугоплавкие металлы активно взаимодействуют с примесями внедрения: кислородом, азотом, углеродом, а металлы VA подгруппы—еще и с водородом, с которым они легко образуют гидриды.
...
Примеси внедрения охрупчивают тугоплавкие металлы с ОЦК решеткой. В металлах технической чистоты допускается несколько сотых процента примесей. Этого достаточно, чтобы металлы VIA подгруппы при 25 °С оказались хрупкими. Температурный порог хладноломкости у вольфрама находится около 300°С, а у молибдена и хрома-в пределах 90-250 °С в зависимости от марки металла.
...
Металлы VA подгруппы имеют более высокую растворимость примесей внедрения, поэтому при допустимом уровне примесей технически чистые металлы остаются пластичными и вязкими от 25 °С вплоть до -196°С. При увеличении содержания примесей охрупчиваются и эти металлы. Так, тантал после нагрева на воздухе при 400-600 °С становится хрупким. Когда содержание примесей внедрения превышает пределы их растворимости, рекристаллизация увеличивает хрупкость металла. Избыток примесей внедрения сверх предела растворимости при рекристаллизации выделяется в виде хрупких прослоек второй фазы по границам зерен. Этот недостаток проявляется у молибдена и вольфрама, имеющих низкую растворимость примесей внедрения, при горячей обра-
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
Механические свойства тугоплавких металлов зависят от способа производства и содержания примесей. Повышение пластичности вольфрама, молибдена и хрома является актуальной задачей. Добавки титана и циркония, а также редкоземельных металлов используются как основная мера повышения пластичности тугоплавких сплавов. Этн добавки активно соединяются с примесями внедрения и выводят их из твердого раствора. Образовавшиеся частицы соединений вредного влияния на пластичность не оказывают. Легирование молибдена или вольфрама рением резко понижает температуру хрупкости, сплавы вольфрама с рением пластичны при температуре 25 °С. Однако рений— очень дефицитный металл.
...
Наклеп понижает температуру перехода в хрупкое состояние благодаря изменению тонкой структуры и характера взаимодействия примесей с кристаллической решеткой в наклепанном металле. По сравнению с хрупкими отожженными металлами-молибденом и вольфрамом - высокопрочные наклепанные проволоки и ленты из этих металлов не хрупки и при 25 °С сохраняют пластичность, достаточную для их успешной навивки и гибки при изготовлении изделий.
...
В табл. 14.9 приведены свойства отожженных тугоплавких металлов. Разброс значений вызван изменением содержания примесей и различием в размерах зерен.
...
Сплавы на основе тугоплавких металлов подразделяют на две группы: сплавы со структурой твердого раствора и сплавы, упрочняемые закалкой и старением.
...
Сплавы первой группы термической обработкой не упрочняются, содержание легирующих элементов (титан, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам, тантал, рений) в них выбирают таким, чтобы при увеличении прочности не снизить пластичность и не ухудшить другие свойства.
...
Сплавы второй группы содержат повышенное количество углерода и карби-дообразующие элементы. При старении сплавов этой группы упрочняющей фазой являются карбиды, которые выделяются внутри зерен. Сплавы на основе ванадия и хрома-наименее жаропрочны. Тем не менее при температурах 800-1000 °С сплавы ванадия превосходят железные и никелевые сплавы, а сплавы на основе хрома благодаря жаростойкости применимы до температур 1000-1100°С.
...
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
Керамические материалы на основе 81С, Б^ЬЦ и системы Бг-Аг-СЫЧ! являются легкими, прочными и износостойкими веществами. В качестве конструкционных жаропрочных материалов они начинают применяться в двигателях внутреннего сгорания для изготовления поршней, головок блока цилиндров и других теплонапряженных деталей. Керамические детали способны работать при высоких температурах (&3Ы4-до 1500°С, БЮ-до 1800°С), стойки против коррозии и эрозии, не боятся перегрева и не нуждаются в принудительном охлаждении. В отличие от графита керамика меньше подвержена окислению и в несколько раз прочнее. Керамика изготовляется из недефицитных материалов. К недостаткам высокотемпературной керамики относятся хрупкость, сложность получения плотного беспористого материала и трудности изготовления деталей. В отличие от керамики, графит легче прессуется в горячем состоянии и хорошо обрабатывается резанием.
...
торые используются для получения, хранения и транспортировки сжиженных газов, охлаждаемых вплоть до температур жидкого гелия (-269 °С).
...
Критерии хладостойких материалов. Понижение температуры эксплуатации сопровождается увеличением статической и циклической прочности, снижением пластичности и вязкости, повышением склонности к хрупкому разрушению. Важнейшее требование, определяющее пригодность материала для низкотемпературной службы,- отсутствие хладноломкости. Хладноломкость-свойство материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладноломкость характерна для железа, стали, металлов и сплавов с ОЦК и ГПУ решетками. Хладноломкость этих материалов оценивается температурным порогом хладноломкости 1*50
...
Металлы и сплавы с ГЦК решеткой, а также титан и его сплавы с ГПУ решеткой не имеют порога хладноломкости; при охлаждении у них ударная вязкость уменьшается монотонно. Хладо-стойкость таких материалов оценивается температурой, при которой ударная вязкость не менее 0,3 МДж/м2 (1КСи=оз)
...
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
...
клировании. От теплоемкости и теплопроводности зависит быстрота захола-живания материала при термоциклиро-вании. При особо низких температурах, начиная от температуры жидкого азота (-196 °С), теплопроводность и теплоемкость уменьшаются более чем в 10 раз. Изменение этих свойств неодинаково влияет на быстроту захолаживания материалов при термоциклировании. Чем меньше теплоемкость и больше теплопроводность, тем легче захолаживается криогенное оборудование и быстрее выходит на рабочий режим.
...
Наиболее важные технологические свойства свариваемость и пластичность. Сварку широко применяют в производстве конструкций и герметичной криогенной аппаратуры. Пластичность необходима для изготовления тонких листов и тонкостенных элементов, менее склонных к хрупкому разрушению, чем массивные детали.
...
Совместимость с окружающей средой определяется взаимодействием материала с кислородом и водородом - наиболее распространенными средами в криогенной технике. В контакте с кислородом возможно воспламенение материалов (титана, алюминия и их сплавов). Водород растворяется во многих металлах и вызывает охрупчивание сталей с ОЦК решеткой и сплавов на основе титана.
...
Основные группы хладостойких материалов. Основными группами хладостойких, материалов являются низкоуглеродистые стали с ОЦК и ГЦК структурой, алюминий и его сплавы (АМц, АМг, АМг5 и др.), титан и его сплавы (ВТ1, ВТ5, ОТ4 и др.), некоторые пластмассы (фторопласт-4, полиамиды, пористые полистирол, полиуретан). Среднеуглеродистые улучшаемые стали, а также мартенситно-стареющие стали используют ограниченно, когда к отдельным деталям холодильного оборудования предъявляются требования повышенной прочности и твердости.
...
ские свойства, совместимость с окружающей средой, стоимость материала. Важным критерием хладостойкости является критерий К
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
Основное применение получили низкоуглеродистые стали, так как с увеличением содержания углерода повышается порог хладноломкости и ухудшается свариваемость стали.
...
Стали обыкновенного качества (табл. 14.11) — спокойные, полуспокойные и кипящие — применяют для разнообразных изделий, включая сосуды, работающие под давлением. Минимальная рабочая температура этих сталей без специальной обработки для низкотемпературной службы ограничивается
...
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
...
до -50 °С (см. табл. 14.11). Хотя стоимость стали при этом увеличивается, но она все же ниже стоимости легированных сталей. При использовании сталей при температурах ниже 0°С необходима отработка конструкции деталей— устранение опасных концентраторов, использование тонкостенных элементов, в которых облегчены температурные деформации. Для крупных конструкций используют свариваемые низколегированные стали повышенной прочности 09Г2С, 14Г2АФ и др. Кроме низкоугле-родистых сталей используют средне-углеродистые улучшаемые и пружинные стали (45, 40Х, 65Г, 60С2А). Минимальная рабочая температура для них установлена -50 °С.
...
Никелевые стали ОН6 и ОН9 содержат не более 0,05% С, их применяют в улучшенном состоянии (закалка или нормализация от 830-900 °С и отпуск при 600 °С). Стали имеют мелкозернистую структуру, вязки, пластичны, хорошо свариваются. По сравнению с аусте-нитными сталями они прочнее, лучше проводят теплоту и почти вдвое дешевле. Тепловое расширение никелевых сталей также меньше. Эти стали используют для крупных конструкций, включая танкеры для перевозки сжиженных газов. Посредственная стойкость против атмосферной коррозии-недостаток никелевых сталей.
...
кий предел текучести. Наряду со сталями 12Х18Н10Т применяют более прочные хромомарганцевые стали (03Х13АГ19) и специальные дисперсион-но-твердеющие стали (10Х11Н23ТЗМР, 10Х11Н20ТЗР).
...
Инвар 36Н (36 % №, остальное Ре) отличается малым тепловым расширением и стабильной ГЦК структурой. В изделиях из инвара при изменении температуры возникают малые термические напряжения, в конструкциях не требуются компенсаторы деформации Применение инвара ограничивается недостаточной коррозионной стойкостью и высокой стоимостью.
...
Мартенситно-стареющие стали (см. табл. 14.11) используются для деталей холодильных машин (подпятники, валики, клапаны и др.), когда необходимы повышенная прочность и высокая твердость.
...
несвариваемых изделий, работающих до температуры -253 °С, используют деформируемые термически упрочняемые сплавы Д16, АК6, АК8, а также литейные сплавы АЛ2, АЛ9.
...
Титан и его сплавы не охрупчиваются при температурах от -196 до -269 °С (см. табл. 14.11) и из-за большой удельной прочности используются в космической технике. Широко применяют технически чистый титан и его однофазные сплавы ВТ5-1, ОТ4. Они пластичны, легко свариваются, и после сварки не требуется термическая обработка соединений. Более прочные, но менее пластичные сплавы ВТЗ-1 и ВТ6 с двухфазной (а + Р)-структурой применяют при температурах до -196 °С. Эти сплавы свариваются хуже однофазных сплавов, и для сварных соединений необходим отжиг.
...
Медь и ее сплавы (латуни, бронзы) пластичны, не имеют порога хладноломкости. Кроме того, вязкость разрушения у них повышается при охлаждении. Их применяют для трубных конструкций, крепежных деталей, сварных корпусов, работающих при температурах до -269 °С. Из-за более высокой стоимости по сравнению с алюминием медь и ее сплавы все больше заменяются сплавами алюминия.
...
Неметаллические материалы используют для изготовления тепловой изоляции, а также отдельных деталей и элементов конструкций. Для тепловой изоляции используют вспененные полистирол или полиуретан, отличающиеся особенно низкой теплопроводностью [X =
...
Материалы под действием облучения испытывают структурные превращения, которые приводят к нежелаемым изменениям свойств в эксплуатации. Наиболее сильное влияние оказывает нейтронное облучение. Влияние облучения а-ча-стицами, протонами, тем более легкими Р-частицами и у-излучения менее сильно. В связи с этим материалы, эксплуатирующиеся в условиях облучения, должны быть радиационно стойкими.
...
Радиационная стойкость — стабильность структуры и свойств в условиях облучения. Наибольшее влияние структурные изменения от облучения оказывают на механические свойства и коррозионную стойкость.
...
Влияние облучения на структуру и механические свойства. Облучение приводит к образованию точечных и линейных дефектов, микропор и других структурных повреждений материала.
...
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
...
Ф*, а также от температур облучения и рекристаллизации металла. При облучении число дефектов в металле возрастает с увеличением суммарного потока. По характеру влияния на механические свойства облучение напоминает холодную пластическую деформацию.
...
При облучении большими потоками нейтроны не только смещают атомы материала в межузлия, но возбуждают их, передавая часть своей энергии. При возбуждении усиливаются колебания атома и его соседей в узлах решетки, что сопровождается локальным повышением температуры в небольшом объеме кристалла. Нагрев вызывает радиационный отжиг. Вакансии и атомы межузлия взаимодействуют - аннигилируют, что уменьшает концентрацию дефектов. Одновременно идет процесс образования скоплений вакансий, которые при очень больших потоках превращаются либо в дислокационные петли, либо в микропоры, что приводит к разбуханию.
...
Кроме того, в некоторых материалах при облучении происходят ядерные реакции с выделением газообразных продуктов. Облучение органических материалов может приводить к разрушению связей в молекулах и образованию новых молекул с иным химическим составом и свойствами.
...
Облучение при температуре ниже температуры рекристаллизации низкотемпературное облучение влияет на структурные изменения и механические свойства металлов и сплавов так же, как при холодной пластической деформации: материал упрочняется, но теряет пластичность. Максимальная прочность углеродистых сталей при 20 °С достигается при облучении суммарным нейтронным потоком ф = 2-1023 м-2. Изменение временного сопротивления ств, предела текучести а0 2 и пластичности при 20 °С аустенитной хромоникелевой стали при увеличении суммарного ней-
...
Рис. 14.18. Изменение механических свойств при 20 °С аустенитной стали 12Х18Н10Т после низкотемпературного облучения нейтронами:
...
Облучение при температуре выше температуры рекристаллизации — высокотемпературное облучение сопровождается радиационным отжигом, который способствует восстановлению структуры и механических свойств. Перлитные стали при температуре облучения 250-450 °С мало изменяют свойства, а при температуре выше 450 °С свойства практически не изменяются, так как рекристаллизация проходит полностью. Аустенитные стали стабильны при температуре выше 600 °С. Алюминий и магний, имеющие низкие температуры рекристаллизации, радиационностойки при температуре выше 150 °С. Пластичность не меняется, а прочность даже увеличивается (рис. 14.19).
...
Упрочнение, полученное в результате низкотемпературного облучения, сохраняется при последующем нагреве до температуры ниже температуры рекристаллизации. В молибдене упрочнение, полученное при облучении (ф = 8 • 1024 м 2 при 20 °С), сохраняется при температуре до 300 °С, но при низкой пластичности. Восстановление пластичности начинается только с температуры 300 °С. Полностью структура и свойства
...
300 Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
...
Дополнительное легирование хромо-никелевых сталей Тл, Мо, ГЧЬ уменьшает разбухание. Возможно это результат уменьшения растворимости и скорости диффузии водорода в таком сложно-легированном аустените. Холодная пластическая деформация аустенитных сталей снижает разбухание, видимо, по той же причине.
...
Влияние облучения на коррозионную стойкость. Для многих конструкционных материалов, работающих в условиях облучения, коррозионной средой является вода, влажный или перегретый пар. В таких средах электрохимический процесс коррозии может сопровождаться химической коррозией.
...
При облучении стойкость металлов в условиях химической коррозии снижается из-за разрушения поверхностных защитных пленок. Облучение, вызывая структурные повреждения материалов, снижает электрохимический потенциал и ускоряет процесс коррозионного разрушения. В пассивирующихся металлах облучение разрушает поверхностные защитные пленки.
...
При облучении происходит изменение состава электролита вследствие радио-лиза: молекулы воды разрушаются и образуются ионы и атомы кислорода, водорода и группы ОН. Кислород окисляет металл, водород наводороживает его и, тем самым, охрупчивает. Оба процесса-окисление и наводорожива-ние-усиливают электрохимическое разрушение металла.
...
торых 1016 с"1-м-2, при 190°С увеличивается в 2-3 раза. Потеря коррозионной стойкости алюминия в таких условиях может быть вызвана увеличением концентрации ОН", что приводит к растворению поверхностных защитных оксидов.
...
Радиолиз воды уменьшает коррозионную стойкость циркониевых сплавов. При облучении тепловыми нейтронами, скорость потока которых 1017 с~1
...
Облучение аустенитных хромонике-левых сталей усиливает их коррозию. Во влажном паре оно способствует развитию местных видов коррозии: межкристаллической, точечной, а также коррозионному растрескиванию.
...
В конструкциях, подверженных облучению (оболочки урановых стержней, корпуса и трубопроводы реакторов, корпуса синхрофазотронов), в качестве конструкционных материалов, обладающих необходимым комплексом жаропрочности и коррозионной стойкости, используют высоколегированные стали перлитного, аустенитного класса и сплавы. Широкое применение сплавов на основе 7л, Ве, А1, М%
...
Необходимая радиационная стойкость конструкционного материала может быть обеспечена соответствующим химическим составом, структурой и оптимальными условиями эксплуатации: рабочей температурой, видом и энергией облучающих частиц, величиной потока облучения и свойствами коррозионной среды.
...
Все материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются. Намагничивание связано с наличием у составляющих материал атомов (или ионов, молекул) микроскопических магнитных моментов. Для единичного атома без внешнего магнитного поля магнитный момент суммируется из векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов, принадлежащих данному атому. Магнитным моментом ядра пренебрегают, так как он значительно меньше магнитных моментов электронов.
...

Азотирование и карбонитрирование
Оcновы сварки судовых конструкций
Материаловедение
Російсько-український словник зварювальної термінології. Українсько-російський словник зварювальної термінології.
Металловедение для сварщиков (сварка сталей)
Машиностроение. Энциклопедия Оборудование для сварки

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Материаловедение