Классификация сплавов

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ТКМ)

ТКМ – дисциплина, изучающая способы получения различных металлов и неметаллических материалов, а также технологические методы формообразования заготовок и деталей литьем, сваркой обработкой давлением и резанием.

МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

Все известные в настоящее время химические элементы (более 100 наименований) по совокупности свойств подразделяют на металлы и неметаллы. Примерно 80 % общего числа элементов относится к металлам. Некоторые из них (мышьяк, сурьму и др.) иногда называют полуметаллами, так как по одним свойствам их можно отнести к металлам, а по другим – к неметаллам.

Металлы (от греческого металлон – копи, рудники) – вещества неорганического происхождения, многие из которых обладают характерным блеском, высокой плотностью, прочностью и твердостью, пластичностью, хорошей электро- и теплопроводностью.

Классификация металлов

Все существующие металлы условно принято подразделять на черные и цветные.

Черные металлы – промышленное название железа и его сплавов (чугун, сталь, ферросплавы и др.). Черные металлы составляют более 90 % всего объёма, используемых в экономике металлов, из них основную часть составляют различные стали.

Цветные металлы – все остальные, например: K (калий), Na (натрий), Ca (кальций), Al (алюминий), Mg (магний); Ni (никель), Cu (медь), Pb (свинец), Zn (цинк), Sn (олово), W(вольфрам), Ti (титан), Mо (молибден), V (ванадий), Nb (ниобий), Zr (цирконий), Au (золото), Ag (серебро), Pt (платина) и т.д.

Цветные металлы в свою очередь подразделяются на следующие группы:

- легкие цветные , например: K (калий), Na (натрий), Ca (кальций), Al (алюминий), Mg (магний);

- тяжелые цветные с плотностью более 5 г/см3, например: Ni (никель)i, Cu (медь), Pb (свинец), Zn (цинк), Sn (олово);

- благородные , например: Au (золото), Ag (серебро), Pt (платина);

- редкие.

Редкие металлы в свою очередь подразделяют на:

Тугоплавкие (с температурой плавления выше 1875 °С), например: W(вольфрам), Ti (титан), Mо (молибден), V (ванадий), Nb (ниобий), Zr (цирконий), Та (тантал);

Легкие, например: Sr (стронций), Sc (скандий), Rb (рубидий), Cs (цезий);

Радиоактивные, например: U (уран); Ra (радий), Ae (актинидий), Pd (палладий);

Редкоземельные, например: Ge (германий), Ga (галлий), Hf (гафний), In (индий), La (лантан), Tl (таллий), Се (церий), Re (рений).

Классификация сплавов

Технически чистые металлы обладают низкой прочностью и поэтому применение их ограничено. В промышленности, как правило, применяются сплавы металлов.

Сплавом (металлов) называют твёрдые и жидкие системы, образованные главным образом сплавлением двух или более металлов, а также металлов с различными неметаллами. Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов. Среди них наибольшее значение имеют сплавы на основе железа и алюминия. В технике применяется более 5 тыс. сплавов.

По характеру металла (основы) различают:

Черныеили железоуглеродистые сплавы - стали, чугуны (основа - Fe);

Цветные сплавы (основа - цветные металлы), в т.ч. :

• сплавы на основе цветных металлов, таких как K (калий), Na (натрий), Ca (кальций), Al (алюминий), Mg (магний) называются легкими цветными сплавами;
• на основе цветных металлов, таких как Ni (никель)i, Cu (медь), Pb (свинец), Zn (цинк), Sn (олово) называются тяжёлыми цветными сплавами;
• на основе тугоплавких металлов, таких как W(вольфрам), Ti (титан), Mо (молибден), V (ванадий), Nb (ниобий), Zr (цирконий), и т.д. называются тугоплавкими сплавами;

- сплавы радиоактивных металлов (основа – радиоактивные металлы);

- сплавы редкоземельных металлов (основа – радиоактивные металлы).

В зависимости от количества основных компонентов, входящих в состав сплава, различают сплавы двойные (бинарные) и сложные (тройные, четверные и т. д.)

Примеси сплавов.

Помимо основных компонентов в состав сплавов входят примеси:

Случайные (попадают в сплав во время его приготовления);

Специальные (вводятся в сплав в виде добавок для придания ему необходимых эксплуатационных свойств)

Введение в сплав специальных добавок называется легированием, а сама добавка – лигатурой. Составляющими лигатуры могут быть как отдельные элементы (легирующие элементы), так и сплавы этих элементов (например: ферросплавы FeTi: FeV; FeCr и т.д.).

Помимо этого различают примеси вредные (S, P, O 2 , H 2 , N 2), ухудшающие свойства материалов, и полезные, улучшающие их свойства - (легирующие элементы).

Структура сплавов.

По структуре сплавы разделяют на твердые растворы, механические смеси и химические соединения.

1. Если атомы входящих в состав сплава компонентов имеют незначительные различия в размерах и строении электронной оболочки, то они, как правило, образуют общую кристаллическую решетку. Такая структура называется твердым раствором.
2. Механическая смесь получается в том случае, когда компоненты сплава не могут образовать общую решетку и каждый из них кристаллизуется самостоятельно.
3. Если при химическом взаимодействии компонентов сплава получается новое вещество, свойства которого резко отличаются от свойств исходных компонентов, то такой сплав называют химическим соединением.

В одном сплаве могут одновременно присутствовать все три структуры.

Металлическим сплавом называется вещество, полученное сплавлением двух или более исходных веществ, преимущественно металлических. Помимо сплавления сплавы получают спеканием, электролизом и другими способами.

Вещества, из которых образован сплав, называются компонентами сплава. В качестве компонентов сплавов могут быть как чистые элементы, так и устойчивые химические соединения. При кристаллизации сплавов могут образоваться следующие основные твердые фазы: твердые растворы; химические соединения; механические смеси из сплавляемых компонентов.

Твердые растворы

Твердые растворы являются наиболее распространенной фазой в металлических сплавах. Являются кристаллическими веществами.

Химический или спектральный анализ показывает в твердых растворах наличие двух элементов или более, тогда как по данным металлографического анализа такой сплав, как и чистый металл, имеет однородные зерна (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Микроструктура твердого раствора

Рентгеновский анализ обнаруживает в твердом растворе, как и у чистого металла, только один тип решетки.

Следовательно, твердый раствор является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку; существует в интервале концентраций компонентов.

Строение твердых растворов на основе одного из компонентов сплава таково, что в решетку основного металла-растворителя входят атомы растворенного вещества. При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из элементов, и этот элемент называется растворителем . Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки растворителя. При образовании растворов внедрения и замещения атомы растворенного компонента распределяются в решетке растворителя беспорядочно.

Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий свойства вещества. В общем независимо от вида металла относительное упрочнение при образовании твердого раствора пропорционально относительному изменению параметров решетки, причем уменьшение параметра решетки ведет к большему упрочнению, чем ее расширение.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные . Для образования неограниченных твердых растворов в соответствии с исследованиями Юм-Розери необходимы:

1) изоморфность (однотипность) кристаллических решеток сплавляемых компонентов;

2) близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться больше чем на 8…13 %;

3) близость физико-химических свойств компонентов.

Однако соблюдение этих условий не всегда является достаточным, чтобы сплавляемые компоненты образовали неограниченные твердые растворы. В реальных сплавах чаще наблюдаются твердые растворы с ограниченной растворимостью.

Химические соединения

Характерными особенностями химических соединений являются:

1) постоянство состава , которое может быть выражено формулой химического соединения;

2) наличие нового типа кристаллической решетки , отличного от типа решеток сплавляемых компонентов;

3) ярко выраженные индивидуальные свойства ;

4) постоянство температуры кристаллизации , как у чистых компонентов.

Химические соединения металлов делятся на две группы . Одна группа – это соединения с нормальной валентностью, т.е. соединения металлов с типичными неметаллами (О, S, Cl и т.д.). Такими соединениями являются оксиды, сульфиды, хлориды. В сплавах эти соединения присутствуют в виде так называемых неметаллических включений.

Другая группа – металлические соединения . Из этой группы наиболее важными являются фазы внедрения и электронные соединения. Металлические соединения отличаются разнообразием типов межатомных связей (металлической, ковалентной, ионной) с преобладанием металлической связи. Благодаря этому металлические соединения характеризуются металлическим блеском, электропроводностью и в отдельных случаях сверхпроводимостью.

Металлическими соединениями являются также соединения переходных металлов с углеродом (карбиды), азотом (нитриды), водородом (гидриды), бором (бориды). Эти соединения могут иметь как очень сложную, так и простую решетку типа ГЦК, ГПУ, реже ОЦК. Химические соединения обозначаются формулой соединения, например: A m B n .

Механические смеси

При сплавлении компонентов с большим различием атомных радиусов и значительным различием электрохимических свойств их взаимная растворимость очень мала, и образуется механическая смесь из кристаллов исходных компонентов (например, сплавы: Рb – Sb, Zn – Sn, Pb – Bi и др.). Между тем, следует помнить, что абсолютное отсутствие взаимной растворимости в реальных сплавах не встречается. Компоненты в сплаве обозначают символами их элементов.

Если компоненты механической смеси А и В достаточно крупного размера, то они отчетливо выявляются на микроструктуре (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Микроструктура механической смеси (схема)

Рентгенограмма сплава покажет наличие двух решеток компонентов А и В . Если бы исследовать в таком сплаве отдельно свойства кристаллов А и кристаллов В , то они были бы тождественны свойствам чистых металлов А и В . Механические свойства полученного вещества зависят от количественного соотношения компонентов, а также от размера и формы зерен.

Алюминиевые сплавы имеют более широкое применение в качестве конструкционного материала, чем технический алюминий. Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Си, Zn, Mg, Мп, Si, Ni, Fe. Эти элементы образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости, формируют упрочняющие зоны и промежуточные фазы с алюминием и между собой - Ф (CuAl2, Mg2Si, Al2CuMg, Al6CuMg4 и др.).

>

Мп и Mg оказывают положительное влияние на коррозионную стойкость, однако снижают тепло- и электропроводность алюминиевых сплавов. В литейных сплавах основным легирующим элементом выступает кремний, образующий с алюминием эвтектику. Ni, Ti, Cr, Fc образуют стабильные сложнолстироваиныс упрочняющие фазы, тормозят диффузионные процессы и тем самым повышают жаропрочность алюминиевых сплавов. Литий в сплавах на основе алюминия повышает их модуль упругости. Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления полуфабрикатов и изделий из них, по способу упрочняться термической обработкой и свойствам (табл. 9.3).

Таблица 93

Классификация алюминиевых сплавов

Марка сплава	Упрочня- емость/ нсупрочня- емость (+/-) термической обработкой		Основные характеристики группы сплавов
		нормируемые сплавы
			Коррозионностойкие, повышенной пластич- ности
АМг5, АМгб
АВ, АД31, АД33
			Пластичные при комнатной температуре
			Среднепрочные
			Высокопрочные
			Малой плотности, высокомодульные
			Ковочные, пластичные при повышенных температурах
		Al-Си-Mg-Fe-Ni	Жаропрочные
		Литейные сплавы
			Герметичные
АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9), АК8л (АЛ34)
			Высокопрочные и жаро- прочные
АМгЗМц (АЛ28)			Коррозионностойкие
АЦ4Мг (АЛ 24)
Спеченные сплавы
			Высокомодульные с пониженной плотностью
			С низким коэффициентом л и ней ного рас ш и ре н и я
			Высокопрочные
САП-1, САП-2			Жаропрочные
		Al-Cu-Mg- A1 2 0 3

Алюминиевые сплавы подразделяют в основном на деформируемые и литейные, а также спеченные алюминиевые порошки (САП) и сплавы (САС) и композиционные, при производстве которых широко используются процессы пластической деформации и литья.

В соответствии с диаграммой состояния «алюминий - легирующий элемент» (рис. 9.2) сплавы, расположенные левее точки Е, при высокой температуре имеют однофазную структуру а-твердого раствора, низкую прочность и высокую пластичность. Поэтому эти сплавы легко обрабатываются давлением и относятся к категории деформируемых сплавов. Сплавы литейные по содержанию легирующих элементов расположены правее точки?, содержат в структуре эвтектику и обладают высокими литейными свойствами: жид- котекучестыо и высокой концентрацией литейной пористости. Сплавы эвтектического состава кристаллизуются при постоянной

Рис. 9.2.

Д - деформируемые сплавы; Л - литейные сплавы; I - сплавы, не упрочняемые термической обработкой; II - сплавы, упрочняемые термической обработкой; Ф -

промежуточная фаза температуре, отличаются наиболее высокой жидкотекучестыо, пониженными механическими свойствами из-за наличия в их структуре большого количества эвтектической составляющей.

Точка М на диаграмме, соответствующая пределу насыщения твердого раствора при комнатной температуре, является границей между сплавами, не упрочняемыми и упрочняемыми термической обработкой.

Упрочняющая термическая обработка алюминиевых сплавов сводится к закалке с 435-545°С, естественному старению при 20°С или искусственному при 75-225°С в течение 3-48 ч. Не упрочняемые сплавы подвергают гомогенизационому (480-530°С, 6-36 ч), рекристализационному (300-500°С, 0,5-3 ч) и (закаченные и состаренные сплавы) разупрочняющему (350-430°С, 1-2 ч) отжигу.

Маркировка алюминиевых сплавов. Для маркировки алюминиевых сплавов принята смешанная буквенная и буквенно-цифровая система. Деформируемые сплавы обозначают буквами АД, Д, АК, AM, АВ, литейные - АЛ. Буквы АД в начале марки означают алюминий технический, последующая цифра указывает на чистоту алюминия. Буквой Д обозначают деформируемые сплавы системы (А1-Си-Mg) - дуралюмины, буквами АК - алюминиевый ковочный сплав. Буквы АВ обозначают сплав алюминия с магнием и кремнием - авиаль. Буквы АМг и АМц обозначают сплав алюминия с магнием (Мг) и с марганцем (Мц), цифры, следующие за буквами (АМг1, АМг5, АМгб), соответствуют примерному содержанию магния в сплавах. Буква В в начале марки означает высокопрочный алюминиевый сплав.

В настоящее время водится единая четырехцифровая маркировка алюминиевых сплавов (рис. 9.3). Первая цифра обозначает основу всех сплавов. Алюминию присвоена цифра один. Вторая цифра соответствует главному легирующему элементу или группе главных легирующих элементов. Третья цифра или третья со второй повторяют старую маркировку. Четвертая цифра указывает, что сплав деформируемый, если она нечетная или 0. Опытные сплавы

Рис. 93. Цифровая маркировка алюминиевых сплавов обозначают цифрой 0, стоящей впереди единицы (пятизначная маркировка допустима только для опытных сплавов). Цифра 0 исключается из пятизначной маркировки, когда сплав становиться серийным.

Буквенно-цифровая маркировка литейных алюминиевых сплавов (по ГОСТ 1583-93) базируется на принципе маркировки легированных сталей.

Первая буква А указывает основу сплава - А1, последующие буквы соответствуют первым буквам названий основных легирующих элементов (К - кремний, М - медь, Мг - магний, Мц - марганец, Н - никель, Ц - цинк). Числа, следующие за буквами, показывают усредненное содержание соответствующего компонента (в % по массе). При содержании в сплаве легирующего элемента меньше 1% буква, обозначающая данный элемент, в маркировке не указывается. Чистота сплавов обозначается буквами, стоящими после маркировки сплава: Ч, ОЧ - соответственно чистый или очень чистый но примесям железа и кремния. ГОСТ 1583-93 предусматривает возможность использования обозначения литейных алюминиевых сплавов буквенно-цифровой маркой с указанием в скобках старой марки (см. табл. 9.3).

Буквенно-цифровая система маркировки технологической обработки качественно отражает механические, химические и другие свойства сплава (табл. 9.4).

Таблица 9.4

Буквенно-цифровая маркировка технологической обработки деформируемых и литейных сплавов

Обои на- чение
	деформируемые сплавы	литейные сплавы
	Мягкий, отожженный	Модифици рованн ы й
	Закаленный и естественно состаренный
	Закаленный и искусственно состаренный на максимальную прочность	Искусственно состаренный без предварительной закачки
	Закаленный и искусственно состаренный но смягчающему режиму для повышения сопротивления коррозии под напряжением
		Закаленный
		Закаленный и кратковременно (не полностью) искусственно состаренный
		Закаленный и полностью искусственно состаренный

	Вид обработки, характеристика свойств материала
	деформируемые сплавы	литейные сплавы
		Закаченный с последующим стабилизирующим отпуском
		Закаленный с последующим смягчающим отпуском
	Нагартованный (5-7%)
	11олу нагартованный
	Усиленно нагартованный (20%)
	Закаленный, естественно состаренный и нагартованный
	Закаленный, нагартованный и искусственно состаренный
	Закаленный, естественно состаренный, повышенной прочности
	Горячекатаные (листы, плиты)
	Нормальная плакировка
	Утолщенная плакировка (8% на сторону)

Деформируемые алюминиевые сплавы. Химический состав и механические свойства деформируемых сплавов приведены в табл. 9.5.

К деформируемым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы на основе систем А1-Мп (АМц) и А1-Mg (АМг), отличающиеся пониженной прочностью, но повышенными пластичностью и коррозионной стойкостью. Сплавы хороню свариваются. Более широкое применение получили сплавы АМг из-за меньшей плотности. Из сплавов изготавливают изделия, получаемые методом глубокой вытяжки и сварки, способные работать в различных корозионно-активных средах (сварные баки, сосуды, трубопроводы для масла и бензина, корпуса, мачты речных судов). Сплавы АВ, АД31, АД 33 системы А1-Mg-Si обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошей пластичностью в холодном и горячем состоянии, свариваются с помощью точечной, шовной и аргоно-дуговой сварки. Сплавы удовлетворительно обрабатываются резанием в термообработанном состоянии. Сплавы упрочняют закалкой (510-530°С) и искусственным старением (160-170°С, 12-15 ч). Наиболее высокие показатели прочности после искусственного старения имеет сплав АВ, но он подвержен в этом состоянии межкристаллитной коррозии, которая вызвана выделением кремния по границам зерен при искусственном старении. Сплавы АД31 и АДЗЗ по прочности уступают сплаву АВ, но превосходят

Таблица 9.5

Химический состав и механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов

Режим технологической обработки

Механические свойства

элементы

Li = 2,1 Zr = 0,12

Fe - 1,1 Ti - 0,1

2сч ©° и? pN

Ti = 0,06 Zr - 0,17 V = 0,1 Fe

его по коррозионной стойкости. Сплавы ЛВ, ЛД31, АДЗЗ выпускают в виде листов, труб, прутков, профилей различного сечения и других полуфабрикатов, применяемых для изготовления лопастей винтов вертолетов, рам, корпусов и переборок судов, корпусов электромоторов, сварных баков, трубопроводов.

Дуралюмииы. Сплавы Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17 системы А1-Си-Mg отличаются хорошим сочетанием прочности и пластичности. В результате термической обработки (закалки и старения) дуралюмииы упрочняются. Превращения в деформируемых термоупрочняемых сплавах рассмотрим на сплавах алюминия

с медью. Эго допустимо, поскольку легирование их другими элементами (Mg, Мп и др.) наряду с медью или вместо нее не вносит принципиальных изменений.

Из диаграммы Л1-Си (рис. 9.4) следует, что в равновесном состоянии микроструктура сплавов состоит из твердого раствора а (0,2%Си) и включений вторичной фазы CuAl 2 , содержащей около 55,4% Си. При закалке сплавы нагревают до температуры /: :j , обеспечивающей растворение интерметаллида СиА1 2 в алюминии (выше линии предельной растворимости ME на 6-8%) и получение максимально возможной концентрации меди в твердом растворе. В процессе закалки, при быстром охлаждении в воде, медь не выделяется из твердого раствора, и таким образом получают неравновесную структуру однородного пересыщенного твердого раствора меди в алюминии (закалка без полиморфного превращения). В закаленном состоянии сплавы имеют пониженную прочность. Так, сплав Д16 в свежезакаленном состоянии имеет следующие механические свойства: а„ = 24(Н260 МПа, 8 = 22%.

В пересыщенном a-твердом растворе избыточные атомы меди распределены статистически равномерно и стремятся выделиться из него. На этом явлении основан процесс старения. Старение - это термическая обработка, при которой в сплаве после закалки (без полиморфного превращения) происходит распад пересыщенного a-твердого раствора. В зависимости от температурных условий превращения различают естественное старение - без подогрева при температуре 20°С и искусственное старение - с подогревом до температуры 100-200°С (рис. 9.5).

При естес твен пом старении в результате диффузионного перераспределения атомов меди внутри твердого раствора образуются зоны с повышенной концентрацией меди (50-52%) - зоны Гинье - Престона (ГП-I), с тем же порядком расположения атомов, что и в неупорядочном a-твердом растворе. При температурах ниже

Рис. 9.4. Часть диаграммы состояния системы А1-Си и схема изменения структуры дуралюмина (к % Си) после закалки

Продолжительность, сут.

Рис. 95. Изменение прочности дуралюмина (к % Си) при различных температурах старения

нуля зоны ГП-1 не образуются. Зоны ГП-1 представляют собой пластины диаметром 4-10 нм и толщиной 0,5-1 нм. Параметры кристаллической решетки твердого раствора в зонах ГП-1 меньше, чем в обедненном a-твердом растворе (атомный диаметр алюминия - 0,128 нм). Поэтому зоны ГП-1 деформируют a-твердый раствор (рис. 9.6), создают большие напряжения в кристалле и тормозят движение дислокаций, что приводит к упрочнению сплавов. При естественном старении в a-твердом растворе образуются лишь зоны ГП-1.

В процессе искусственного старения диффузия протекает более интенсивно. Искусственное старение происходит постадийно. Первая стадия, как и при естественном старении, сводится к образованию зон ГП-1.

Зоны ГП-1, возникшие при искусственном старении, имеют большие размеры (20 нм при температуре 100°С и 80 нм при температуре 200°С, толщиной от 1 до 4 нм) но сравнению с зонами ГП-1 после естественного старения. Увеличение выдержки при температурах от 100 до 200°С вызывают изменение зон ГП-1 (II стадия)

Рис. 9.6.

Атомы Си; О - атомы А1

и преобразование их в ГП-П с упорядоченным расположением атомов меди в алюминии. Затем следуют изменения, приближающие сплав к равновесному состоянию, и это связано с образованием фазы СиА1 2 (0"), когерентно связанной с а-твсрдым раствором.

Фаза 0" имеет тетрагональную решетку.

Четвертая стадия превращений сводится к возникновению стабильной фазы СиЛ1 2 , обособленной от матричного a-твердого раствора, и переходу сплава к исходному (до закалки) равновесному состоянию. Со стадии выделения стабильной фазы СиЛ1 2 происходит заметное разупрочнение сплава. Дальнейший нагрев до 200- 250°С приводит к укрупнению (коагуляции) интерметаллида СиА1 2 (0-фазы).

Каждая из названных стадий может протекать независимо, или они могут накладываться друг на друга. Протекание той или иной стадии зависит от состава сплава и температуры старения. Максимальное упрочнение при искусственном старении связано с начальными стадиями старения. С увеличением температуры старения быстрее достигается упрочнение, но эффект упрочнения ниже и разупрочнение наступает в течении нескольких часов.

Для деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, структурные изменения характеризуют терминами зонного и фазового старения. Зонное старение (образование зон ГП-1 и ГП-П) не приводит к разупрочнению сплава при любой продолжительности выдержки. В этом случае сплавы имеют повышенный предел текучести (отношение а 02 /а в = 0,6-^0,7), повышенную пластичность и низкую чувствительность к хрупкому разрушению.

Фазовое старение может быть упрочняющим и разупрочняющим, если в процессе старения происходит каогуляция частиц упрочняющих фаз (0" и 0). В результате фазового старения сплавы имеют высокий предел текучести (отношение а 0>2 /ст в достигает 0,9-0,95), в то время как пластичность, вязкость, сопротивление хрупкому разрушению и коррозии под напряжением снижаются.

Эффект старения отмечают и применяют не только в системах цветных сплавов на основе алюминия, меди, магния, титана, но и в сплавах никеля и железа.

Для сплавов Д1, Д19 температура нагрева под закалку близка к температуре плавления эвтектик, по ниже их, и равна 505°С, а для сплавов Д16, ВД17, Д18 - 500°С. В закаленном состоянии дуралю- мины (за исключением Д18) интенсивно упрочняются (временное сопротивление разрыву после естественного старения в течение 4 суток составляет 450 МПа, пластичность - 18%). Искусственному старению подвергают изделия из сплавов Д16, Д19, работающие при 125-200°С. Режим искусственного старения закаленного сплава Д16 - 190°С, продолжительность 8-12 ч. В результате искусственного старения прочность дуралюмина Д16 мало отличается от прочности в состоянии после естественного старения, но при этом повышается предел текучести и снижается пластичность.

Дуралюмины отличаются пониженной коррозионной стойкостью во влажном воздухе, речной и морской воде, нуждаются в средствах защиты от коррозии. Дуралюминиевые листы подвергают плакированию, а трубы и профили - анодной поляризации. Плакирование заключается в горячей прокатке листов дуралюмина, покрытых чистым алюминием (А7, А8). При этом алюминий сваривается сосновой и надежно защищает дуралюминиевый лист от коррозии. Толщина слоя алюминия обычно составляет 2-5% от толщины листа. Анодная поляризация в 10%-ном растворе серной кислоты полуфабрикатов из дуралюмина вызывает выделение кислорода и образование на их поверхности защитной оксидной (AI2O3) пленки, предохраняющей сплав от коррозии.

Дуралюмины хорошо свариваются точечной сваркой и нс свариваются сваркой плавлением из-за образования трещин, удовлетворительно обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состояниях и хуже - в отожженном.

Наиболее прочный из дуралюминов сплав Д16 идет на изготовление обшивки лонжеронов, шпангоутов, стрингеров, тяг управления самолетов, силовых каркасов, кузовов автомобилей. В свежезакаленном состоянии из сплавов Д16 и Д1 изготавливают заклепки. Один из основных заклепочных сплавов - сплав Д18 в закаленном и естественно состаренном состоянии.

Высокопрочные сплавы В93, В95, В96Ц1 (см. табл. 9.5) системы А1-Zn-Mg-Си имеют повышенный предел прочности - 550-700 МПа. В качестве добавок содержат марганец, хром и цирконий, обеспечивающие неустойчивость твердого раствора, ускоряющие его распад и повышающие эффект старения. Упрочняющими фазами в сплавах являются MgZn 2 , Al 2 Mg3Zn3, Al 2 CuMg.

Высокопрочные алюминиевые сплавы подвергают закалке и искусственному старению. Сплавы закаливают с 460-470°С в холодной или горячей воде для исключения растрескивания крупногабаритных штамповок или поковок. При искусственном старении пересыщенный твердый раствор распадается с образованием дисперсных частиц упрочняющих фаз. Максимальная прочность сплавов отмечается при обработке по режиму Т1 (закалка; искусственное старение 120°С, 3-10 ч). После такой обработки сплавы имеют пониженную пластичность (7-10%) и склонны к коррозии под напряжением из-за неравномерного распада пересыщенного твердого раствора.

Старение высокопрочных сплавов по режимам Т2 и ТЗ при повышенных температурах (160-180°С) и продолжительности (10- 30 ч) увеличивает их вязкость, пластичность и сопротивление кор-

розни под напряжением. Чаще высокопрочные сплавы подвергают двухступенчатому старению при 100- 120°С, 3-10 ч (первая ступень) и 165- 185°С, 10-30 ч (вторая ступень). Первая ступень старения обеспечивает образование и равномерное распределение зон ГП. Па второй стадии при повышенных температурах и значительной продолжительности из зон ГП формируются и коагулируют частицы упрочняющих фаз. В результате двухступенчатого старения сплав В95пч имеет о н = 540-590 МПа, а 0 9= 410-470 МПа, 5 = = 10-13%.

Сплав В95 из всех высокопрочных сплавов является наиболее универсальным конструкционным материалом и находит широкое применение в авиации: для тяжелонагруженных деталей конструкций, работающих в основном в условиях сжатия (облицовка, шпангоуты, стрингеры, лонжероны самолетов).

Сплав В96Ц содержит повышенное количество основных легирующих элементов (цинка, магния, меди) и является самым прочным их всех деформируемых алюминиевых сплавов. Однако но сравнению со сплавом 1395 сплав В96Ц имеет пониженную пластичность, коррозионную стойкость. Сплав чувствителен к коррозии и различным концентраторам напряжений. Из сплава В96Ц методами горячего деформирования производят полуфабрикаты в виде труб, профилей различного сечения, поковок. Высокопрочные сплавы имеют удовлетворительную свариваемость при контактной сварке и плохую при сварке плавлением. Рабочая температура высокопрочных сплавов не превышает 120°С, так как при более высоких температурах отмечается резкое снижение их прочности, более интенсивное, чем у дуралюминов.

Высокомодульный сплав 1420 системы Al-Mg- Li обладает пониженной плотностью (2,5 г/см 3) и повышенным модулем упругости (75 000 МПа), что на 4% превышает модуль упругости сплава Д16. Сплав 1420 сваривается всеми видами сварки и обладает высокими коррозионными свойствами, близкими к характеристикам сплава АМгб.

Сплав 1420 подвергают закалке с 450°С (охлаждение на воздухе) и последующему искусственному старению при 120°С в течение 12-24 ч.

В результате закалки структура сплава состоит из пересыщенного твердого раствора магния и лития в алюминии. При искусственном старении образование зон ГП нс наблюдается. Упрочнение связано с выделением упрочняющей фазы AlLi, что не приводит к обеднению матричного твердого раствора магнием.

Сплав 1420 используют для замены в аэрокосмических изделиях дуралюминов, тем самым снижают их массу на 10-15%.

Ковочные сплавы АК6, АК8 (см. табл. 9.5) системы Al-Mg- Si-Си отличаются повышенной пластичностью при горячем деформировании и идут на изготовление поковок и штамповок. Ковка и штамповка сплавов производятся при температурах 450-470°С. В структуре сплавов наряду с твердым раствором присутствуют фазы CuAl 2 , CuMgAl 2 и Mg 2 Si. Сплавы АК6 и АК8 подвергают закалке и искусственному старению (режим Т1). Температура закалки сплавов АК6 и АК8 равна 520 и 500°С соответственно. Искусственное старение сплавов проводят по режиму 160-170°С, 12-15 ч. В результате такой обработки сплав АК8, содержащий 4,3% меди, имеет более высокие показатели прочности (см. табл. 9.5), чем сплав ЛК6, содержащий 2,2% меди. Для сплава ЛК6 характерно сочетание хорошей пластичности в горячем и холодном состояниях и достаточно высокой прочности. По вязкости разрушения сплав АК6 превосходит сплав АК8. Сплавы удовлетворительно свариваются, хорошо обрабатываются резанием. Сплавы АК6 и АК8 склонны к коррозии под напряжением и межкристаллитной коррозией. Коррозионную стойкость сплавов повышают электрохимическим оксидированием (анодированием) или путем нанесения лакокрасочных покрытий.

Сплав АК6 используют для изготовления средненагруженных деталей сложной формы (фитинги, крыльчатки, крепежные детали, подмоторные рамы). Сплав АК8, менее технологичный, чем АК6, рекомендуют для изготовления тяжслонагружснных деталей (подмоторные рамы, стыковые узлы, лонжероны, лопасти винтов вертолетов).

Жаропрочные алюминиевые сплавы Д20, 1201 (см. табл. 9.5) системы А1-Си-Мп и АК4-1 системы А1-Си-Mg-Fe-Ni способны работать при температурах до 300°С. В результате легирования сплавов цирконием, ванадием, титаном, железом и никелем тормозятся диффузионные процессы, образуются мелкодисперсные упрочняющие фазы Al 12 MnCu в сплавах Д20, 1201, Al 9 FeNi - в сплаве АК4-1, устойчивые к коагуляции при нагреве. Сплавы применяются в состоянии после закалки с температурой 535°С и искусственного старения при температуре 190°С в течение 10-18 ч. При комнатной температуре прочность жаропрочных алюминиевых сплавов мало отличается от прочности дуралюмина (420-450 МПа). При 300°С сплав Д20 обнаруживает более высокую жаропрочность (а ню = 80 МПа) по сравнению со сплавом АК4-1, для которого afoo = = 45 МПа. Сплавы Д20, 1201 свариваются хорошо, а сплав АК4-1 удовлетворительно аргоно-дуговой и контактной сварками. Коррозионная стойкость сплавов невысокая, и для защиты от коррозии на поверхность деталей из них наносят лакокрасочные покрытия или анодируют детали. Особенно тщательно необходимо защищать сварные соединения. Из сплавов АК4-1, Д20, 1201 изготавливают полуфабрикаты в виде листов, плит, профилей, используемых для деталей и сварных изделий: поршней двигателей, головок

цилиндров, крыльчаток, сварных емкостей, лопаток и дисков осевых компрессоров турбовинтовых двигателей, обшивок сверхзвуковых самолетов.

Литейные алюминиевые сплавы. Литейные алюминиевые сплавы наряду с высокими литейными свойствами (жидкотекучестью, низкой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пор) обладают оптимальными механическими свойствами и сопротивлением коррозии в различных агрессивных средах. Этим требованиям в большей степени отвечают сплавы систем А1-Si, Al-Си, А1-Mg, в структуре которых присутствует эвтектика. Дополнительное легирование сплавов системы А1-Si медью и марганцем, системы А1-Си марганцем, никелем, хромом, системы Al-Mg цинком позволяет улучшать их механические свойства (табл. 9.6) и повысить эксплуатационные характеристики.

Сплавы системы Al-Si- Mg АК9ч (АЛ4), АК8л (АЛ34), АК7ч (АЛ9), именуемые силуминами, получили наиболее широкое рас-

Таблица 9.6

Химический состав и механические свойства литейных алюминиевых сплавов

							Состояние	Механические свойства
						элементы
АК8л (АЛ 34)
АМгбМц (АЛ 28)

Примечание : в графе «Состояние сплава» буква «М» обозначает, что сплав подвергнут модифицированию, буквы «3», «Д», «К» обозначают способ литья: соответственно в землю, под давлением, в кокиль.

пространение. Сплав АК12 (АЛ2) отвечает эвтектическому составу (10-13% Si). Эвтектическая структура этого сплава состоит из грубых игольчатых кристаллов кремния на фоне a-твердого раствора. В таком состоянии сплав АК12 (АЛ2) вследствие большой хрупкости кремния имеет пониженные механические свойства (а в = 130 МПа, 5 = 1-^-2%). Повышают прочность и пластичность сплава модифицированием, когда вводят в расплав смесь солей (67% NaF + 33% NaCl) в количестве 2-3% от массы сплава, равномерным тонким слоем на поверхность расплава при 780-830°С. Присутствие в расплаве натрия смещает линии диаграммы состояния системы А1-Si (рис. 9.7) и эвтектическую точку в сторону более высоких концентраций кремния. После модифицирования эвтектика состоит из мелких кристаллов кремния и а-твердого раствора. Рост кристаллов кремния в процессе затвердевания сдерживает пленка Na 2 Si, обволакивающая их. Помимо эвтектики в структуре модифицированного сплава АК12 (АЛ2) появляются избыточные кристаллы a-твердого раствора. В результате изменения структуры улучшаются механические свойства сплава (см. табл. 9.6). Модифицированию подвергают силумины (в том числе

Рис. 97. Диаграмма состояния системы А1-Si (а) и механические свойства сплавов этой системы (6):

1 - до модифицирования; 2 - после модифицирования и легированные), содержащие более 5-6% кремния. Легированные силумины АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9) дополнительно легированы магнием, а сплав АК8л (АЛ32) - магнием и медью (см. табл. 9.6). Эти сплавы упрочняются как модифицированием, так и термической обработкой. Упрочнение сплавов, легированных магнием, связано с образованием фазы Mg 2 Si, а одновременно медью и магнием - с фазами СиА1 2 и Al,.Mg-) Cu 1 Si4. Легированные силумины АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9), АК8л (АЛ34) упрочняются термической обработкой по режимам Т1, Т4, Т5, Тб (например, для АК8л (АЛ34) - Т5: закалка 535°С, старение 175°С, б ч; для АК9ч (АЛ4) - Тб: закалка 535°С, старение 175°С, 15 ч; для АК7ч (АЛ9) - Т4: за- калка 515°С).

Сплав АК12 (АЛ2) применяют для малонагруженных деталей сложной конфигурации, сплавы АК9ч (АЛ4) и АК7ч (АЛ9) для средних и крупных деталей (корпусов компрессоров, картеров и блоков цилиндров двигателей). Отливки из сплава АК7ч (АЛ9) в закаленном состоянии (Т4) отличаются повышенной пластичностью (см. табл. 9.6), а в состоянии Тб (закалка и старение) - повышенной прочностью. Сплав АК8л (АЛ34) превосходит по прочности сплавы АК9ч (АЛ4) и АК7ч (АЛ9). Сплавы АК8л (АЛ34) и АК8М (АЛ32) предназначены для литья под давлением. Большая скорость кристаллизации при литье под давлением, присутствие в составе сплавов Мп и Ti обеспечивают формирование мстаста- бильной структуры в отливке из этих сплавов. В результате искусственного старения при 175°С без предварительной закалки (режим Т1) происходят распад пересыщенного твердого раствора и упрочнение сплава. При изготовлении деталей другими методами литья сплавы подвергают упрочняющей термической обработке (режим Т5). Сплавы АК8л (АЛ34) и АК8М (АЛ32) идут на изготовление сложных по конфигурации деталей блоков цилиндров, головок блоков и других деталей двигателей внутреннего сгорания.

Силумины отличаются высокой герметичностью, удовлетворительной обрабатываемостью резанием, хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью.

Высокопрочные и жаропрочные литейные сплавы АМ5 (АЛ 19) системы А1-Си-Mn, АК5М (АЛ5) системы А1-Si-Си-Mg помимо меди (основного легирующего элемента) содержат Мп (см. табл. 9.6). Сплав АМ5 (АЛ 19) по химическому составу близок к сплаву Д20. Повышенное содержание марганца и титана в сплаве АМ5 (АЛ 19) обеспечивает присутствие в его структуре наряду с твердым раствором фаз CuAl 2 , Al 12 Mn 2 Cu и AljTi. Сплав АМ5 (АЛ19) упрочняется термообработкой по режимам Т4, Т5,Т7 (Т5: закалка 545°С, 12 ч, старение 175°С, 3-6 ч) (см. табл. 9.6). Дополнительное легирование цирконием, церием и никелем (сплав АЛЗЗ) приводит к связыванию некоторого количества меди в нерастворимые фазы и образованию фаз Al 2 Ce, Al 3 Zr, Al^Cu^Ni; это уменьшает эффект термической обработки, но жаропрочность сплава АЛЗЗ выше, чем у сплава АЛ 19, так как упомянутые фазы препятствуют процессу ползучести. Сплав АМ5 (АЛ 19) хорошо сваривается и обрабатывается резанием и используется для литья крупногабаритных отливок в песчаные формы.

Сплав АК5М (АЛ5) показывает высокие прочностные характеристики в состоянии после термической обработки Т5: закалка 525°С, старение 180°С, 5 ч. При старении из пересыщенного твердого раствора выделяются мелкодисперсные частицы фаз CuAl 2 , Mg 2 Si, Al v Mg 5 Cu 4 Si 4 , упрочняющих сплав. Среди силуминов сплав АК5М (АЛ5) из-за наличия в нем меди является более прочным. По той же причине сплав имеет пониженную коррозионную стойкость. Сплав рекомендуется для деталей сложной конфигурации, рабочая температура которых не превышает 250°С.

Коррозионностойкие литейные алюминиевые сплавы АМг5Мц (АЛ28) системы AI-Mg, АЦЧМг (АЛ24) системы А1-Zn-Mg обладают наряду с высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах высокими прочностью и пластичностью (см. табл. 9.6). Сплавы системы AI-Mg имеют невысокие литейные свойства из-за большого (100-120°С) интервала кристаллизации, значительного газосодержания и сильной окисляемости. По жид- котекучести сплавы уступают силуминам. При плавке и литье сплавов системы AI-Mg их расплавы защищают от окисления специальными флюсами.

Сплав АМг5Мц (АЛ28) содержит 4,8-6,3% магния, не склонен к коррозии под напряжением и не чувствителен к образованию газовой пористости и окислению. Сплав не упрочняется термической обработкой и применяется в литом состоянии (см. табл. 9.6). Из сплава АЛ28 получают сложные отливки для деталей средней нагруженное™, сплав хорошо сваривается.

Сплав АЦ4Мг (АЛ24), обладая высокой коррозионной стойкостью, стабильными механическими свойствами, способен надежно работать при температурах до 150°С. Сплав упрочняется термической обработкой Т1 (естественное или искусственное старение без предшествующей закалки) (см. табл. 9.6) либо закаленной с 550°С (на воздухе или в кипящей воде) с последующим искусственным старением (165°С, 22 ч).

Сплавы АМг5Мц (АЛ28) и АЦ4Мг (АЛ24) способны заменить дефицитные бронзы, латуни, нержавеющие стали и обеспечить надежную работу деталей в условиях коррозионного воздействия морской воды.

Спеченные алюминиевые порошки и гранулированные сплавы

характеризуются повышенными механическими и физическими свойствами.

Спеченный алюминиевый порошок (САП) - это материал, который получают прессованием и с последующим спеканием алюминиевого порошка (пудры), представляющего собой чешуйки толщиной ~1 мкм.

Пудру получают пульверизацией жидкого алюминия и размолом полученного порошка в шаровых мельницах. Измельчение порошка увеличивает содержание оксида алюминия в порошке. При производстве САПов используют алюминиевые пудры трех марок: АПС-1, АПС-2 и АПС-3, которые содержат оксид алюминия (6-9, 9-13 и 13-18% соответственно).

Брикетирование алюминиевой пудры осуществляют под давлением 300-750 МПа. При брикетировании оксидная пленка разрывается, поверхность частиц увеличивается, неокисленные участки поверхности алюминиевых частиц вступают в контакт и происходит их схватывание. Спекание брикетов при температурах 450-500°С под давлением 400-600 МПа увеличивает контакт поверхностей неокислеиного алюминия и увеличивает силы связи между частицами алюминия. Плотность спеченного брикета возрастает с 2,6 до 7 г/см 3 , что близко к плотности литого алюминия. Из спеченных брикетов методом горячего прессования получают полуфабрикаты - листы, прутки, трубы, штамповые заготовки.

Структура сплавов САП состоит из смеси алюминия и дисперсных чешуек оксида алюминия. Частицы оксида алюминия не растворяются в алюминии и нс коагулируют, что обеспечивает стабильность структуры и свойств при температурах до 500°С (табл. 9.7). Повышенная прочность САПов вызвана дисперсностью частиц А1 2 0з, задерживающих движение и перераспределение дис-

Таблица 9.7

Состав и механические свойства спеченных и гранулируемых сплавов

			технологической обработки	Механические свойства
		Si 25-30 Al - ост.
		Si 25-30 Al - ост.

локаций. САПы деформируются в холодном и горячем состояниях, хорошо обрабатываются резанием, удовлетворительно свариваются контактной и аргоно-дуговой сварками. Из сплавов САП изготавливают поршневые штоки, лопатки компрессоров, турбин и вентиляторов.

Спеченные алюминиевые ставы (САС) изготавливают по той же технологии, что и САПы, но порошки получают распылением сплавов заданного состава. Так, основу сплава САС-1 составляет сплав системы А1-Si-Ni (25-30% Si, 5-7% Ni), a CAC-2 - сплав системы Al-Si-Fe (25-30% Si, 5-7% Fe).

Сплав САС-1 содержит в структуре дисперсные и равномерно распределенные включения кристаллов кремния и никелевых ин- терметаллидов в виде пластин, оказывающих решающее влияние на уровень механических свойств (см. табл. 9.7). Сплавы отличаются низким коэффициентом термического расширения. Сплавы САП и САС могут длительное время работать при температуре 300-500°С и идут на обшивку летательных аппаратов, дисков и лопаток компрессоров.

Гранулированные сплавы получают компактированием гранул диаметром 1-4 мм, полученных при очень высоких скоростях охлаждения (10 3 -10 4 °С/с). Высокие скорости охлаждения всплавах алюминия с переходными металлами (Mn, Cr, Ir, Ti, V) при раскислении расплава позволяют получить пересыщенные твердые растворы на основе А1, концентрация этих компонентов превышает предельную растворимость в несколько раз. Такие твердые растворы получили название аномально пересыщенных. Гранулы из этих сплавов имеют гетерогенную структуру, однако первичные интер- металлидиые включения дисперсные и равномерно распределены по объему. Из гранул горячим прессованием получают полуфабрикаты. В процессе горячей деформации при производстве полуфабрикатов аномально пересыщенные растворы распадаются с образованием дисперсных частиц интсрмсталлидов Al 3 Zn и др. Таким образом, технологический нагрев при изготовлении полуфабрикатов в виде листов, прутков, профилей является упрочняющим старением. Роль закалки для таких сплавов выполняет кристаллизация при больших скоростях охлаждения.

Сплав 01419 системы Al-Сг-Zn является гранулируемым дисперсионно твердеющим, упрочняемым в результате выделения дисперсных фаз Al 3 Zn, AlyCr (см. табл. 9.7). Стабильная структура сплава 01419 при нагреве до 350°С придает ему высокую жаростойкость.

В сплаве ПВ90 гранулы имеют состав сплавов В95, В96Ц системы Al-Zn-Mg-Си, упрочняемых термической обработкой (режим Т1). Сплав ПВ90, обработанный но режиму Т1, имеет повышенные прочностные характеристики (см. табл. 9.7) и по прочности и температуре рекристаллизации превосходит серийные деформируемые

алюминиевые сплавы. Он хороню обрабатывается резанием, полируется и отличается стабильностью размеров. Детали из сплава ПВ90 применяют в узлах трения и ответственных конструкциях высокоточных приборов.

Композиционные алюминиевые сплавы. В качестве материала матрицы (см. параграф 11.1) применяют технически чистый алюминий (АД1) и сплавы АДЗЗ, В95, САП-1 и др. Для армирования матриц служат волокна бора и углеродные. Так, сплавы ВКА-1, ВКА-2 получают армированием борными волокнами алюминиевых сплавов АД1, АДЗЗ. Технология получения композитов включает операции намотки борного волокна на оправку, его фиксацию путем плазменного напыления матричного сплава, раскройку заготовок и их прессование или прокатку. Сплав ВКА-1 (табл. 9.8), содержащий 50% (объемных) борных волокон, наряду с высокими показателями прочности и жесткости обладает хорошей технологичностью и конструкционной надежностью. В интервале температур 80-500°С сплав ВКА-1 но прочности и жесткости превосходит промышленные сплавы В95 и АК4-1.

Таблица 9.8

Состав и свойства некоторых композиционных алюминиевых сплавов

*,**,***_ пределы прочности при температурах 300,400, 500°С соответственно.

Алюминиевые сплавы, армированные стальной проволокой (КАС), получают методом прокатки в вакууме. В качестве материала матрицы в КАС-1 используют сплав АВ или материал САН-1 (см. табл. 9.8). Сплав сохраняет высокие кратковременную и длительную прочности при повышенных температурах.

Накладки из КАС-1 применяют в целях ограничения распространения трещин путем закрепления их на деталях из алюминиевых сплавов методами диффузионной сварки, клеесварки и приклеивания.

Как вы уже знаете, у бронзы, например, прочность выше, чем у составляющих ее меди и олова. Сталь и чугун прочнее технически чистого железа. Поэтому в чистом виде металлы используют редко. Значительно чаще применяются их сплавы. Известно немногим более 80 металлов, но из них получены десятки тысяч различных сплавов.

Помимо большей прочности многие сплавы обладают большей коррозионной стойкостью и твердостью, лучшими литейными свойствами, чем чистые металлы. Так, чистая медь очень плохо поддается литью, из нее трудно получить отливки, и в то же время оловянная бронза - сплав Си + Бп имеет прекрасные литейные свойства: из нее отливают художественные изделия, требующие тонкой проработки деталей. Чугун - сплав железа с углеродом - также великолепный литейный материал. Чистый алюминий - очень мягкий металл, сравнительно непрочный на разрыв. Но сплав, состоящий из А1, М£, Мп, Си, №, называемый дюралюминием, в четыре раза прочнее алюминия на разрыв.

Помимо более высоких механических качеств сплавам присущи свойства, которых нет у чистых металлов. Примерами могут служить получаемая на основе железа нержавеющая сталь - материал с высокой коррозионной стойкостью даже в агрессивных средах и с высокой жаропрочностью, магнитные материалы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, с малым коэффициентом термического расширения.

Сплавы - это материалы с характерными свойствами, состоящие из двух или более компонентов, из которых по крайней мере один - металл.

Компонентами сплавов могут быть и неметаллы, и соединения.

По состоянию компонентов сплавы могут быть однородными, когда при сплавлении образуется как бы раствор одного металла в другом, например сплавы меди и олова, золота и серебра, и неоднородными, представляющими собой механическую смесь металлов.

Сплавы классифицируются по-разному, в зависимости от того, какой признак взят за основу. Чаще всего сплавы подразделяют по составу : медные, алюминиевые, никелевые, титановые и т. д.

Есть группы сплавов, носящие общие названия: бронзы, латуни и др. Иногда в названии сплава отмечают особо ценные компоненты: бериллиевые бронзы, вольфрамовая сталь и др.

В металлургии железо и все его сплавы выделяют в одну группу под названием черные металлы; остальные металлы и их сплавы имеют техническое название цветные металлы .

Подавляющее большинство железных (или черных) сплавов содержит углерод. Их разделяют на чутуны и стали.

Чугун - сплав на основе железа, содержащий от 2 до 4,5% углерода, а также марганец, кремний, фосфор и серу. Чугун значительно тверже железа, обычно он очень хрупкий, не куется, а при ударе разбивается. Этот сплав применяется для изготовления различных массивных деталей методом литья, так называемый литейный чугун и для переработки в сталь - передельный чугун.

В зависимости от состояния углерода в сплаве различают серый и белый чугун (табл. 4).

Вид	Состав	Свойства	Применение
Серый чугун	Содержит 1,7-4,3% С, 1,25-4,0% и до 1,5% Мn. Из-за большого содержания кремния снижается растворимость углерода, поэтому углерод находится в свободном состоянии в виде графита	Сравнительно мягкий и поддающийся механической обработке материал. Свободный углерод придает чугуну мягкость	Производство литых деталей (шестерни, колеса, трубы И т. д.)
Белый чугун	Содержит 1,7-4,3% С, более 4% Мn, но очень мало кремния. Углерод в основном содержится в виде цементита - карбида железа Fе3 С	Твердый и хрупкий материал. Эти свойства придает цементит, который обладает большой твердостью	Переработка в сталь

Сталь - сплав на основе железа, содержащий менее 2% углерода. По химическому составу стали разделяют на два основных вида: углеродистая и легированная.

Углеродистая сталь представляет собой сплав железа главным образом с углеродом, но, в отличие от чугуна, содержание в ней углерода, а также Мn, Si, Р и S гораздо меньше. В зависимости от количества углерода стали подразделяют на мягкие (содержание углерода не превышает 0,3%), средней твердости (углерода несколько больше, чем в мягких) и твердые (углерода может быть до 2%). Из мягкой и средней твердости стали делают детали машин, трубы, болты, гвозди, скрепки и т. д., а из твердой - различные инструменты.

Легированная сталь - это тоже сплав железа с углеродом , только в него введены еще специальные, легирующие добавки: хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др.

Легирующие добавки придают сплаву особые качества. Так, хромоникелевые стали очень пластичные, прочные, жаростойкие, кислотоупорные, устойчивые против коррозии (ржавления). Они применяются в строительстве (например, облицовка колонн станции «Маяковская» московского метро выполнена из хромоникелевой стали), а также для изготовления нержавеющих предметов домашнего обихода (ножей, вилок, ложек), всевозможных медицинских и других инструментов. Хромо-молибденовые и хромованадиевые стали очень твердые, прочные и жаростойкие. Они используются для изготовления трубопроводов, компрессоров, двигателей и многих других деталей машин современной техники. Хромовольфрамовые стали сохраняют большую твердость при очень высоких температурах. Они служат конструкционным материалом для быстрорежущих инструментов.

Некоторые легированные стали представлены в таблице 5.

Свойства некоторых легированных сталей и их применение

Марганец	Твердость, механическая прочность, устойчивость к ударам и трению	Детали дробильных установок, железнодорожные рельсы, зубья ковшей экскаваторов
Титан	Жаростойкость, механическая прочность при высоких температурах, коррозионная стойкость	В самолето-, ракето- и судостроении. Химическая аппаратура
Вольфрам	Твердость и жаропрочность, износоустойчивость	Быстрорежущие инструменты, пилы, фрезы, штампы, нити электрических ламп
Молибден	Эластичность, жаростойкость, коррозионная стойкость	Лопасти турбин реактивных самолетов и автомобилей, броневые плиты, лабораторная посуда, детали электронных ламп
Кремний	Устойчивость к воздействию кислот	Трансформаторы, кислотоупорные аппараты и приборы
Ванадий	Высокая прочность, упругость и устойчивость к ударам

1. Сплавы и их классификация.

2. Черные металлы: чугуны и стали.

3. Цветные металлы: бронза, латунь, мельхиор, дюралюминий.

Какой период в истории человечества называют «бронзовым веком»? Почему?

Какое количество вещества меди и никеля нужно взять для производства 25 кг мельхиора?

Что объединяет два выражения: «легирующие элементы стали» и «привилегированное положение в обществе»?

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

К цветным металлам относятся все металлы, кроме железа и сплавов на его основе - сталей и чугунов, которые называются черными. Сплавы на основе цветных металлов используют в основном как конструкционные материалы со специальными свойствами: коррозионно-стойкие, подшипниковые (обладающие низким коэффициентом трения), тепло- и жаропрочные и др.

В маркировке цветных металлов и сплавов на их основе нет единой системы. Во всех случаях принята буквенно-цифровая система. Буквы указывают на принадлежность сплавов к определенной группе, а цифры в разных группах материалов имеют разное значение. В одном случае они указывают на степень чистоты металла (для чистых металлов), в другом - на количество легирующих элементов, а в третьем обозначают номер сплава, которому по гос. стандарту должны соответствовать определенный состав или свойства.
Медь и ее сплавы
Техническая медь маркируется буквой М, после которой идут цифры, связанные с количеством примесей (показывают степень чистоты материала). Медь марки М3 содержит примесей больше, чем М000. Буквы в конце марки означают: к - катодная, б - безкислородная, р - раскисленная. Высокая электропроводность меди обуславливает ее преимущественное применение в электротехнике как проводникового материала. Медь хорошо деформируется, хорошо сваривается и паяется. Ее недостатком является плохая обрабатываемость резанием.
К основным сплавам на основе меди относятся латуни и бронзы. В сплавах на основе меди принята буквенно-цифровая система, характеризующая химический состав сплава. Легирующие элементы обозначаются русской буквой, соответствующей начальной букве названия элемента. Причем часто эти буквы не совпадают с обозначением тех же легирующих элементов при маркировке стали. Алюминий - А; Кремний - К; Марганец - Мц; Медь - М; Никель - Н; Титан -Т; Фосфор - Ф; Хром -Х; Бериллий - Б; Железо - Ж; Магний - Мг; Олово - О; Свинец - С; Цинк - Ц.
Порядок маркировки литейных и деформируемых латуней разный.
Латунь - сплав меди с цинком (Zn от 5 до 45%). Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), с содержанием 20-36% Zn - желтой. На практике редко используют латуни, в которых концентрация цинка превышает 45%. Обычно латуни делят на:
- двухкомпонентные латуни или простые, состоящие только из меди, цинка и, в незначительных количествах, примесей;
-многокомпонентные латуни или специальные - кроме меди и цинка присутствуют дополнительные легирующие элементы.
Деформируемые латуни маркируются по ГОСТ 15527-70.
Марка простой латуни состоит из буквы «Л», указывающей тип сплава - латунь, и двузначной цифры, характеризующей среднее содержание меди. Например, марка Л80 - латунь, содержащая 80 % Cu и 20 % Zn. Все двухкомпонентные латуни хорошо обрабатываются давлением. Их поставляют в виде труб и трубок разной формы сечения, листов, полос, ленты, проволоки и прутков различного профиля. Латунные изделия с большим внутренним напряжением (например, нагартованные) подвержены растрескиванию. При длительном хранении на воздухе на них образуются продольные и поперечные трещины. Чтобы избежать этого, перед длительным хранением необходимо снять внутреннее напряжение, проведя низкотемпературный отжиг при 200-300 C.
В многокомпонентных латунях после буквы Л пишут ряд букв, указывающих, какие легирующие элементы, кроме цинка, входят в эту латунь. Затем через дефисы следуют цифры, первая из которых характеризует среднее содержание меди в процентах, а последующие - каждого из легирующих элементов в той же последовательности, как и в буквенной части марки. Порядок букв и цифр устанавливается по содержанию соответствующего элемента: сначала идет тот элемент, которого больше, а далее по нисходящей. Содержание цинка определяется по разности от 100%.
Латуни в основном применяются как деформируемый коррозионно-стойкий материал. Из них изготавливают листы, трубы, прутки, полосы и некоторые детали: гайки, винты, втулки и др.
Литейные латуни маркируются в соответствии с ГОСТ 1711-30. В начале марки тоже пишут букву Л (латунь), после которой пишут букву Ц, что означает цинк, и число, указывающее на его содержание в процентах. В легированных латунях дополнительно пишут буквы, соответствующие введенным легирующим элементам, и следующие за ними числа указывают на содержание этих элементов в процентах. Остаток, недостающий до 100 %, соответствует содержанию меди. Литейные латуни используют для изготовления арматуры и деталей для судостроения, втулок, вкладышей и подшипников.
Бронзы (сплавы меди с различными элементами, где цинк не является основным). Они подобно латуням подразделяются на литейные и деформируемые. Маркировка всех бронз начинается с букв Бр, что сокращенно означает бронза.
В литейных бронзах после Бр пишут буквы с последующими цифрами, которые символически обозначают элементы, введенные в сплав (в соответствии с таблицей 1), а последующие цифры обозначают содержание этих элементов в процентах. Остальное (до 100 %) - подразумевается медь. Иногда в некоторых марках литейных бронз в конце пишут букву «Л», что означает литейная.
Большинство бронз обладает хорошими литейными свойствами. Их применяют для различного фасонного литья. Чаще всего их используют как коррозионно-стойкий и антифрикционный материал: арматура, ободы, втулки, зубчатые колеса, седла клапанов, червячные колеса и т.д. Все сплавы на основе меди имеют высокую хладостойкость.
Алюминий и сплавы на его основе
Алюминий выпускают в виде чушек, слитков, катанки и т.п. (первичный алюминий) по ГОСТ 11069-74 и в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и т.п.) по ГОСТ 4784-74. По степени загрязненности тот и другой алюминий подразделяется на алюминий особой чистоты, высокой чистоты и технической чистоты. Первичный алюминий по ГОСТ 11069-74 маркируют буквой А и числом, по которому можно определить содержание примесей в алюминии. Алюминий хорошо деформируется, но плохо обрабатывается резанием. Прокаткой из него можно получить фольгу.

Сплавы на основе алюминия подразделяются на литейные и деформируемые.
Литейные сплавы на основе алюминиямаркируются по ГОСТ 1583-93. Марка отражает основной состав сплава. Большинство марок литейных сплавов начинаются с буквы А, что означает алюминиевый сплав. Затем пишут буквы и цифры, отражающие состав сплава. В ряде случаев алюминиевые сплавы маркируют буквами АЛ (что означает литейный сплав алюминия) и цифрой, означающей номер сплава. Буква В, стоящая в начале марки показывает, что сплав высокопрочный.
Применение алюминия и сплавов на его основе очень разнообразно. Технический алюминий применяют в основном в электротехнике в качестве проводника электрического тока, как заменитель меди. Литейные сплавы на основе алюминия широко применяются в холодильной и пищевой промышленности при изготовлении деталей сложной формы (различными методами литья), от которых требуется повышенная коррозионная стойкость в сочетании с небольшой плотностью, например, поршни некоторых компрессоров, рычаги и другие детали.
Деформируемые сплавы на основе алюминия также находят широкое применение в пищевой и холодильной технике для изготовления различных деталей методом обработки давлением, к которым предъявляются также повышенные требования к коррозионной стойкости и плотности: различные емкости, заклепки и т.п. Важным достоинством всех сплавов на основе алюминия является их высокая хладостойкость.
Титан и сплавы на его основе
Титан и сплавы на его основе маркируются в соответствии с ГОСТ 19807-74 по буквенно-цифровой системе. Однако какой-либо закономерности в маркировке не имеется. Единственной особенностью является наличие во всех марках буквы Т, которая свидетельствует о принадлежности к титану. Числа в марке означают условный номер сплава.
Технический титан маркируется: ВТ1-00; ВТ1-0. Все остальные марки относятся к сплавам на основе титана (ВТ16, АТ4, ОТ4, ПТ21 и др). Главным достоинством титана и его сплавов является хорошее сочетание свойств: относительно низкой плотности, высокой механической прочности и очень высокой коррозионной стойкости (во многих агрессивных средах). Основной недостаток - высокая стоимость и дефицитность. Эти недостатки сдерживают применение их в пищевой и холодильной технике.

Сплавы титана применяются в ракетной, авиационной технике, химическом машиностроении, в судостроении и транспортном машиностроении. Они могут использоваться при повышенных температурах до 500-550 градусов. Изделия из сплавов титана изготавливают обработкой давлением, но могут быть изготовлены и литьем. Состав литейных сплавов обычно соответствует составу деформируемых сплавов. В конце марки литейного сплава стоит буква Л.
Магний и сплавы на его основе
Технический магний из-за его неудовлетворительных свойств не находит применения в качестве конструкционного материала. Сплавы на основе магния в соответствии с гос. стандартом делятся на литейные и деформируемые.
Литейные сплавы магнияв соответствии с ГОСТ 2856-79 маркируют буквами МЛ и числом, которое обозначает условный номер сплава. Иногда после числа пишут строчные буквы: пч - повышенной чистоты; он - общего назначения. Деформируемые сплавы магния маркируют в соответствии с ГОСТ 14957-76 буквами МА и числом, обозначающим условный номер сплава. Иногда после числа могут быть строчные буквы пч, что означает повышенной чистоты.

Сплавы на основе магния обладают подобно сплавам на основе алюминия хорошим сочетанием свойств: низкой плотностью, повышенной коррозионной стойкостью, относительно высокой прочностью (особенно удельной) при хороших технологических свойствах. Поэтому из сплавов магния изготавливают как простые, так и сложные по форме детали, от которых требуется повышенная коррозионная стойкость: горловины, бензиновые баки, арматура, корпусы насосов, барабаны тормозных колес, фермы, штурвалы и многие другие изделия.
Олово, свинец и сплавы на их основе
Свинец в чистом виде практически не используется в пищевой и холодильной технике. Олово применяется в пищевой промышленности в качестве покрытий пищевой тары (например лужение консервной жести). Маркируется олово в соответствии с ГОСТ 860-75. Имеются марки О1пч; О1; О2; О3; О4. Буква О обозначает олово, а цифры - условный номер. С увеличением номера увеличивается количество примесей. Буквы пч в конце марки означают - повышенной чистоты. В пищевой промышленности для лужения консервной жести применяют олово чаще всего марок О1 и О2.
Сплавы на основе олова и свинца в зависимости от назначения подразделяются на две большие группы: баббиты и припои.
Баббиты - сложные сплавы на основе олова и свинца, которые дополнительно содержат сурьму, медь и другие добавки. Они маркируются по ГОСТ 1320-74 буквой Б, что означает баббит, и числом, которое показывает содержание олова в процентах. Иногда кроме буквы Б может быть другая буква, которая указывает на особые добавки. Например, буква Н обозначает добавку никеля (никелевый баббит), буква С - свинцовый баббит и др. Следует иметь в виду, что по марке баббита нельзя установить его полный химический состав. В некоторых случаях даже не указывается содержание олова, например в марке БН, хотя здесь его содержится около 10 %. Имеются и безоловянистые баббиты (например свинцово-кальциевые), которые маркируются по ГОСТ 1209-78 и в данной работе не изучаются.

Баббиты являются наилучшим антифрикционным материалом и применяются в основном в подшипниках скольжения.
Припои в соответствии с ГОСТ 19248-73 подразделяются на группы по многим признакам: по способу расплавления, по температуре расплавления, по основному компоненту и др. По температуре расплавления они подразделяются на 5 групп:

1. Особолегкоплавкие (температура плавления tпл ≤ 145 °С);

2. Легкоплавкие (температура плавления tпл > 145 °С ≤ 450 °С);

3. Среднеплавкие (температура плавления tпл > 450 °С ≤ 1100 °С);

4. Высокоплавкие (температура плавления tпл > 1100 °С ≤ 1850 °С);

5. Тугоплавкие (температура плавления tпл > 1850 °С).

Первые две группы применяются для низкотемпературной (мягкой) пайки, остальные - высокотемпературной (твердой) пайки. По основному компоненту припои подразделяют на: галлиевые, висмутовые, оловянно-свинцовые, оловянные, кадмиевые, свинцовые, цинковые, алюминиевые, германиевые, магниевые, серебряные, медно-цинковые, медные, кобальтовые, никелевые, марганцевые, золотые, палладиевые, платиновые, титановые, железные, циркониевые, ниобиевые, молибденоыве, ванадиевые.