Методическое пособие 575

Рис. 21

Т, 0С

Л.э., %

-стабилизатор Рис. 22

29

Как видно из данного рисунка (рис. 22), в сплавах происходит полиморфное превращение, температура которого зависит от концентрации легирующих элементов.

Сплавы, с концентрацией легирующих элементов меньше точки а, называются -сплавами. В этих сплавах превращение завершается полностью. -сплавы характеризуются однофазной структурой. Они не упрочняются термической обработкой (подвергаются только отжигу или химико-термической обработке - азотированию). Повышение их прочности достигается холодной пластической деформацией. Основной легирующий элемент в -сплавах – алюминий.

Псевдо -сплавы (концентрация легирующих элементов между точками а и с) могут закаливаться с образованием титанового мартенсита /, представляющего собой пересыщенный твердый раствор замещения легирующих элементов в -титане с гексагональной решеткой. Мартенсит в псевдо -сплавах имеет малую степень пересыщения. Упрочнение сплава при этом незначительно.

+ -сплавы (концентрация легирующих элементов между точками с и d) подвергают упрочняющей термической обработке, состоящей из закалки и старения. При охлаждении со скоростью выше критической (закалка) сплавов, нагретых до области -фазы, протекает мартенситное превращение в интервале температур Мн – Мк. Во избежание сильного роста зерна закалку проводят от температур, соответствующих области (+) –фазы, чаще от 850 – 950 0С. При закалке из двухфазной области + -фаза не испытывает фазовых превращений, а - фаза претерпевает те же превращения, что и -фаза того же состава, как и при закалке из -области.

В зависимости от содержания - стабилизаторов, в закаленном сплаве возможно образование мартенситных фаз / и// (мартенситная фаза с ромбической решеткой), а также метастабильной фазы . При высоком содержании - стабилизаторов и при малых и средних скоростях охлаждения

30

может образоваться фаза , сильно охрупчивающая сплав. Появления этой фазы стремятся не допускать. При последующем старении закаленных сплавов при 500 – 600 0С происходит распад закалочных структур ( /, //, метастабильной фазы ). Конечные продукты -дисперсные и -фазы, близкие к равновесному состоянию, образование которых вызывает дисперсионное упрочнение (твердение) сплава.

При закалке псевдо -сплавов фиксируется метастабиль- ная /-фаза. При старении из / выделяется тонкодисперсная - фаза, повышающая прочность и твердость сплава.

-сплавы при всех температурах имеют структуру - фазы. Термической обработкой не упрочняются.

Магний и сплавы на его основе

В ряду технических легких металлов (Al, Be, Mg, Ti) наиболее легким является магний. Он в 1,6 раза легче алюминия, в 4,5 раза легче железа и в 5 раз легче меди, что обеспечивает высокую удельную прочность магниевых сплавов. Магниевые сплавы хорошо поглощают механические вибрации, что имеет важное значение при их применении в авиации, ракетной технике и транспорте.

Плотность магния - около 1740 кг/м3, температура плавления 651 0С. Магний обладает ГПУ кристаллической решеткой, поэтому значительно уступает алюминию по пластичности и технологичности, особенно при температурах, близких к комнатной и ниже ее. Низкая пластичность магния объясняется тем, что в металлах с гексагональной кристаллической структурой при температуре, близкой к нормальной, скольжение происходит только по базисным плоскостям и лишь при нагреве появляются дополнительные плоскости скольжения и двойникования.

Магний - активный металл, энергично взаимодействующий с кислородом воздуха. Тонкая пленка оксида MgO при температуре ниже 450 0С предохраняет поверхность от дальнейшего окисления, однако, при более высоких температурах

31

защитные свойства оксида нарушаются, и при 623 0С магний сгорает ослепительно ярким пламенем. Магний обладает весьма, низким, особенно в литом состоянии, комплексом механи-

ческих свойств: в = 115 МПа, 0,2 = 25 МПа, = 8 %, 30 HB. Прочностные свойства в значительной мере зависят от зерни-

стости и дефектности литой структуры.

К достоинствам магниевых сплавов относятся высокие удельные механические свойства, хорошая обрабатываемость резанием, отличные демпфирующие свойства, высокая коррозионная стойкость в щелочах, керосине, бензине, минеральных маслах (для предотвращения воздушной коррозии магниевые сплавы оксидируют или покрывают лакокрасочными пленками, эпоксидной смолой).

По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяют на литейные и деформируемые (литейные маркируют буквами МЛ, деформируемые - МА).

По уровню прочности магниевые сплавы разделяют на:

-малопрочные;

-средней прочности;

-высокопрочные.

По плотности магниевые сплавы разбивают на легкие и сверхлегкие. К сверхлегким относятся сплавы, легированные литием (МА21, МА18), а к легким – все остальные.

По чувствительности к упрочняющей термической обработке различают термически упрочняемые и термически неупрочняемые сплавы.

По применению сплавы классифицируют на конструкционные (большинство сплавов) и сплавы со специальными свойствами (например, МА17 применяют для изготовления звукопроводов ультразвуковых линий задержки). Сплавы, легированные значительным количеством иттрия (ИМВ5, ИМВ7) отличает высокая прочность и пластичность при температурах выше 250 °С.

Сплавы магния легируют марганцем, алюминием, цинком, цирконием, литием, бериллием, редкоземельными элемен-

32

тами. Марганец повышает коррозионную стойкость сплава и одновременно увеличивает его прочность. Алюминий и цинк увеличивают прочность и модифицируют (измельчают) структуру литых сплавов. Наиболее интенсивно измельчает зерно цирконий, кроме того, он увеличивает пластичность. Значительно увеличивает пластичность литий, к тому же он снижает плотность сплава. Введение малых количеств бериллия (0,005

... 0,02 %) почти полностью исключает воспламенение магния при нагреве. РЗЭ увеличивают сопротивление ползучести сплава при высоких температурах (до 250 °С).

Деформируемые магниевые сплавы По основным легирующим элементам деформируемые

магниевые сплавы подразделяют на несколько групп.

К первой группе относятся сплавы, в которых легирующим элементом является марганец (МА1, МА8). Основная цель легирования марганцем – улучшение коррозионной стойкости и свариваемости.

Ко второй группе относятся сплавы, в которых легирующими элементами являются алюминий и цинк (МА2, МА5). Они обеспечивают достаточно большой эффект растворного упрочнения. При понижении температуры растворимость алюминия и цинка в магнии уменьшается, поэтому сплавы системы Mg-Al-Zn упрочняются при закалке и старении.

Ктретьей группе относятся сплавы, в которых легирующими элементами являются цинк и цирконий (МА14, МА19). Сплавы этой группы отличаются высокими механическими свойствами, что обусловлено упрочняющим действием цинка в сочетании с модифицирующим действием циркония.

В четвертой группе главными легирующими элементами являются редкоземельные металлы, в частности неодим (МА12). Неодим обеспечивает высокую жаропрочность.

Кпятой группе относятся сплавы, легированные иттрием (ВМД10). Сплавы отличаются высокой технологичностью и относятся к высокопрочным магниевым сплавам.

33

К шестой группе относятся сплавы, в которых легирующим элементом является литий (МА21, МА18). Легирование магния еще более легким металлом литием с плотностью всего 0,53 г/см3 приводит к значительному уменьшению их плотности и увеличению удельных характеристик механических свойств, в частности жесткости конструкций.

На рис. 23 показана микроструктура сплава МА2-1 после деформации в оптимальном режиме.

Рис. 23

Литейные магниевые сплавы Химический состав многих литейных магниевых сплавов

близок к составу деформируемых. Основные легирующие элементы в литейных сплавах – алюминий, цинк, марганец, кремний, церий, цирконий.

Механические свойства литейных магниевых сплавов в сильной степени зависят от величины зерна в отливках. Для измельчения зерна сплавы модифицируют цирконием.

Литейные магниевые сплавы принадлежат в основном к трем системам: Mg-AL-Zn, Mg-Zn-Zr и Mg-РЗМ-Zr.

Наиболее распространены сплавы системы Mg-AL-Zn (МЛ4, МЛ6). Основной упрочняющий элемент в этих сплавах –

34

алюминий; цинк оказывает значительно меньшее действие. Все сплавы этой системы легированы также марганцем, который повышает коррозионную стойкость.

Сплавы системы Mg-Zn-Zr (МЛ12, МЛ18) отличаются более высокими прочностными характеристиками и лучшими литейными свойствами.

Сплавы системы Mg-РЗМ-Zr (МЛ9, МЛ19) отличаются высокой жаропрочностью.

На рис. 24 показана структура литейного магниевого сплава с 7,8% Al.

Рис. 24

Магниевые сплавы подвергают гомогенизации, рекристализационному отжигу, отжигу для снятия напряжений, а также закалке и старению.

Закалка отличается рядом особенностей, которые обусловлены небольшой скоростью диффузионных процессов в магнии. Диффузионные процессы протекают чрезвычайно медленно, поэтому операции термообработки имеют большую продолжительность (время выдержки при температуре закалки доходит до 24 ч). Охлаждение при закалке ведут в горячей воде

35

или на воздухе. Естественное старение в магниевых сплавах не происходит.

Для упрочнения магниевых сплавов широко используется эффект дисперсионного твердения с выделением дисперсных фаз типа Mg4Al3, MgZn2 и др., протекающего при искусственном старении закаленных сплавов.

Основные виды термической обработки имеют определенные условные обозначения. Отжиг обозначают Т2, закалку - Т4, закалку и старение для получения максимальной твердости - Т6, закалку и стабилизирующий отпуск - Т7 и т.д

Например, МА11Т4 означает деформируемый магниевый сплав МА11, подвергнутый закалке.

Из всего производимого магния около половины используется для легирования алюминиевых сплавов, остальной магний расходуется для изготовления магниевых сплавов.

Магниевые сплавы нашли применение в конструкциях автомобилей, в приборостроении, для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов в атомных реакторах, в самолето- и вертолетостроении, ракетной технике и т.д.

Бериллий и сплавы на его основе Бериллий – металл серого цвета, обладающий полимор-

физмом. Низкотемпературная модификация -Ве существует до 1250 0С и имеет ГПУ решетку, высокотемпературная модификация -Ве (1250 – 1284 0С) имеет решетку ОЦК.

Бериллий относится к группе легких металлов (плотность 1800 кг/м ). У бериллия очень высокие удельные прочность и жесткость, а также модуль нормальной упругости (311 ГПа). По этим характеристикам, особенно по удельной жесткости, бериллий значительно превосходит высокопрочные стали и сплавы на основе алюминия, магния, титана. Бериллий обладает большой скрытой теплотой плавления и очень высокой скрытой теплотой испарения. Высокие тепловые и механические свойства позволяют использовать бериллий в качестве теплозащитных и конструкционных материалов космических

36

летательных аппаратов (головные части ракет, тормозные устройства космических челноков, оболочки кабин космонавтов, камеры сгорания ракетных двигателей и т.д.). Высокая удельная жесткость в сочетании со стабильностью размеров, высокой теплопроводностью и др. свойствами дают возможность использовать бериллий при создании высокоточных приборов (детали инерциальных систем навигации - гироскопов и др.).

Широкое применение бериллия сдерживается высокой стоимостью, связанной с малой распространенностью в природе, сложностью технологии переработки руд и изготовления деталей, токсичностью металла.

В настоящее время бериллий получают в основном методом порошковой металлургии. Из заготовок затем производят поковки, штамповки, листы, прутки, трубы, проволоку. Деформируемые полуфабрикаты получают также из слитков бериллия, но это менее распространенный способ по сравнению с порошковой металлургией.

На рис. 25 показана микроструктура монокристаллов бе-

риллия высокой чистоты после протяжки: а – при 425 0С; б – при 300 0С; в – при 250 0С.

Литой бериллий крупнозернистый и хрупкий. При температурах выше 700 0С бериллий «схватывается» с инструментом.

Механические свойства бериллия зависят от степени чистоты, технологии производства, размера зерна и наличия текстуры.

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 0С, а также кратковременная прочность при повышенных температурах.

Создание сплавов на основе бериллия представляет довольно сложную проблему. Подавляющее большинство эле-

37

ментов периодической системы обладают ничтожной растворимостью в бериллии или практически не растворяются в нем, так как атомы бериллия имеют очень небольшие размеры.

в

Рис. 25

Большой интерес представляют сплавы бериллия с 20..40% алюминия. Эти сплавы отличаются высокими механическими и технологическими свойствами при плотности не намного большей, чем у бериллия. Они обрабатываются значительно легче, чем чистый бериллий. Бериллий образует с алюминием диаграмму состояния эвтектического типа практически без взаимной растворимости (рис. 26). Структура этих сплавов представлена хрупкими сравнительно твердыми частицами бериллия и мягкой высокопластичной алюминиевой фазой. Алюминиевая фаза и придает сплавам достаточно высокую

38