Цветные сплавы

Например: TaBe17, ZrBe17 (tпл  = 2000 C).

Рабочие t бериллидов больше чем у Ni сплавов на 50%.

Недостаток – крайне малая пластичность. Для мелких изделий.

 

 

Необходимость повышения размерной стабильности деталей и узлов из Be вызывает интерес к традиционным способам термической обработки для улучшения физико-механических свойств металла. При использовании Be в качестве материала конструкций, к которым предъявляются требования высокой размерной стабильности, такие общеизвестные недостатки, как хрупкость, низкая сопротивляемость ударным нагрузкам, повышенная чувствительность к надрезам, высокая стоимость и токсичность  имеют второстепенное значение и не обсуждаются.

Причинами размерной нестабильности изделий в условиях отсутствия внешних нагрузок могут быть, например, изменения температуры, диффузионные перемещения примесных атомов в твердом растворе или распад твердого раствора, самопроизвольная релаксация напряжений в составляющих изделие частях. Под действием внешних напряжений, не превышающих предела упругости материала, в изделии возникает упругая, полностью обратимая при снятии нагрузки, деформация. Ее величина в Be сравнительно невелика, что обусловлено высоким значением модуля упругости металла. (Именно это обстоятельство, очевидно, послужило причиной того, что в ряде публикаций Be называют размерно-стабильным металлом. С этих позиций любой высокомодульный материал размерно-стабилен).

При более высоких внешних напряжениях металл пластически деформируется вследствие размножения и движения дефектов решетки, главным образом, дислокаций. Пластическая деформация  возможна и при нагрузках, не превышающих предела упругости, если приложенное напряжение суммируется с внутренними напряжениями в локальных объемах металла. Очевидно, что вероятность проявления размерной нестабильности уменьшается с повышением предела упругости и снижением уровня внутренних напряжений в изделии, которые неизбежны при его механической обработке. Кроме накопления внутренних напряжений при механической обработке увеличивается число поверхностных дефектов (деформационных двойников, трещин, наклепанных и текстурированных слоев), которые отрицательно влияют на свойства металла, особенно на характеристики пластичности, и могут способствовать усилению размерной нестабильности.

Самопроизвольное изменение размеров изделия является следствием двух основных факторов:

- нестабильности фазового  и структурного состояния металла;

- релаксации остаточных  внутренних напряжений в деталях конструкций.

Оценка размерной стабильности  (нестабильности) изделия является наиболее достоверной в результате его натурных испытаний с контролем изменения и формы при имитации условий эксплуатации и хранения.  В большинстве случаев изготовление бериллиевых изделий настолько трудоемко и дорогостояще, что вынуждает исследователей применять взамен натурных испытаний косвенные методы оценки размерной стабильности изделий по данным определения размерной стабильности модельных образцов или измерений физико-механических свойств образцов металла. При этом состояние образцов должно по возможности более точно имитировать состояние металла в изделии.

Установлено, что размерная стабильность изделий тем выше, чем  больше сопротивление Be микропластической деформации во времени. Наиболее полной характеристикой является величина максимального напряжения, нерелаксирующего в условиях испытаний в течение тысяч часов – так называемый условный предел релаксации σr. При меньшем времени испытаний (до 500 ч) максимальное нерелаксирующее напряжение характеризует способность изделия к сохранению постоянства размеров на период его изготовления, сборки и регулировки и при низких (до 1500С) температурах коррелирует с величиной так называемого прецизионного предела упругости σппу. Последний определяют по величине напряжения, вызывающего после кратковременной нагрузки-разгрузки образца относительную остаточную деформацию на уровне (1-2)х10-6  .

Все более широкое применение для оценки сопротивления металлов микропластической деформации находит метод внутреннего трения (Q-1). Согласно  измерения амплитудной зависимости внутреннего трения (АЗВТ) являются по существу прямыми измерениями микропластичности металла.

Высокая размерная стабильность изделий может быть достигнута при условии, если при их изготовлении обеспечены:

- минимальный уровень  внутренних остаточных напряжений;

- равновесное состояние  твердого раствора примесей на  основе Be;

- эффективная стабилизация  фазового состава и дислокационной  структуры в объеме металла;

- максимальный уровень  σппу или σr.

Для снятия напряжений после механической обработки Be обычно проводят промежуточные отжиги деталей при 570-8000С в течение 2-х ч, ограничивая скорость охлаждения после отжига <1500C/ч (для крупногабаритных изделий <200C/ч). Эффективно также удаление поврежденного при механической обработке поверхностного слоя металла химическим травлением на глубину 0,05-0,1 мм.

Нарастание остаточных напряжений в процессе механической обработки может привести даже к разрушению детали, поэтому необходимость промежуточных отжигов между механическими операциями  вполне оправдана. Вместе с тем образцы Be после механической обработки и 2 часового отжига при 8000С проявляют нестабильность размеров во времени, обусловленную процессами растворения (при отжиге) и последующей сегрегации примесей. Кроме того, высокотемпературный отжиг оказывает разупрочняющее воздействие на Be и понижает уровень его предела упругости. Таким образом, при изготовлении прецизионных Be - изделий традиционными методами механической обработки необходимо применение специальных мер, обеспечивающих их размерную стабильность.

Одной из таких мер является искусственное старение Be при 5750С в течение длительного времени (до 200 ч) для полного завершения процессов выделения фаз, содержащих в основном Fe и Al, в результате чего размерная нестабильность образцов во времени подавляется. Однако такое старение не способствует повышению σппу Be, что ограничивает предельно допустимую нагрузку на изделие при его эксплуатации сравнительно невысоким уровнем σппу. В тех случаях, когда это обстоятельство не существенно, искусственного старения при 550-7000С достаточно для обеспечения временной размерной стабильности Be - деталей в условиях отсутствия внешних механических напряжений или под действием кратковременных (длительных) напряжений, не превышающих σппу (σr). Если же необходимо обеспечить более высокий уровень допустимой нагрузки на изделие, то следует предусмотреть комплекс мер для повышения релаксационной стойкости металла.

Это может быть обеспечено низкотемпературным старением Be при 300-5000С в течение 1-2 ч для повышения уровня σппу в 1,7-2 раза. Кроме того, для Be, как ГПУ-металла с существенной анизотропией теплового расширения зерен, весьма эффективна термоциклическая обработка (ТЦО), чередующая охлаждение до -196(-100)0С с нагревом до 100-4000С. Микронапряжения, возникающие в Be при изменении температуры, суммируются с внутренними макронапряжениями и, релаксируя, вызывают существенные внутризеренные деформации. При чередовании охлаждения и нагрева деформация сопровождается процессами возврата, в результате чего после нескольких циклов ТЦО формируется стабильная дислокационная структура с минимальным уровнем микро- и макронапряжений. Предел упругости после ТЦО повышается более чем в 2 раза, при этом эффективность ТЦО возрастает с увеличением интервала между нижней и верхней температурами цикла при условии, что верхняя температура не превышает 4000С. Повышение релаксационной стойкости Be (и других металлов) коррелирует с увеличением критической амплитуды деформации АЗВТ и понижением уровня фона Q-1.

 

Размерно-стабилизирующая т/о Be включает в себя четыре последовательных технологических операции:

- отжиг после  механической обработки, связанной  с удалением значительного объема  металла;

- старение 1-й ступени  как отдельная операция или  совмещенная с последним отжигом  металла;

- старение 2-й ступени  как отдельная операция или  совмещенная со старением 1-й ступени;

- ТЦО в интервале температур, превышающем интервал температур  хранения или эксплуатации изделия.

 

Математическое моделирование (Институт проблем материаловедения НАН Украины, г. Киев) показывает, что изменения уровня остаточных напряжений и удельного электросопротивления определяются в основном режимами отжига и 1-й ступени старения, тогда как на уровень tgα (наклон кривой АЗВТ) наиболее сильное влияние оказывает режим 2-й ступени старения. Снижению уровня остаточных напряжений в Be способствуют повышение температуры отжига выше 8500С, понижение температуры 1-й ступени старения (<6000С) и увеличение его длительности (>5 ч). С учетом заметного испарения Be в вакууме при температурах выше 8000С целесообразно ограничить температуру отжига этим пределом, значительно увеличив время последующего старения 1-й ступени (по расчету до 18-20 ч).

 

Эффективность 1-й ступени старения максимальна при 6000С (2), однако с учетом того, что превышение этой температуры способствует повышению сопротивления микропластической деформации, температуру старения 1-й ступени следует выбирать в интервале 600-6500С. Что касается температуры старения 2-й ступени, то ее оптимум находится вблизи центра плана, т.е. в интервале 400-4500С.

На основании анализа уравнений регрессии в качестве базового режима т/о дистиллированного Ве был выбран режим, обеспечивающий эффективное снижение уровня остаточных напряжений (Δσост→max); эффективный распад твердого раствора на основе Ве (ρ77→min или δ*→max) и максимальное повышение сопротивления металла микропластической деформации  (tgα→0):

- отжиг при 8000С в течение 1-2 ч;

- старение 1-й  ступени при 6300С в течение 10-20 ч;

-старение 2-й ступени при 4200С в течение 4-х ч.

 

Т/о по оптимальным режимам обеспечивает уменьшение tgα до нуля, при этом область амплитудно-независимого Q-1 достигает уровня приложенного напряжения 50 МПа.

Аналогичным образом были определены оптимальные режимы т/о других сортов Ве.

Термическая обработка Ве по оптимальным режимам повышает сопротивление металла микропластической деформации в 3-20 раз. Эффективность предложенных режимов т/о была подтверждена результатами натурных испытаний прецизионных деталей и узлов, изготовленных из Ве.

 

ПРИМЕНЕНИЕ БЕРИЛЛИЯ

 

1. Ракетная техника – листовой Ве: обшивки, лонжероны, конструкции сложной конфигурации.
2. Атомная энергетика – замедлители и отражатели нейтронов.
3. Авиация – для деталей самолета, работающих на сжатие (из-за низкой пластичности).
4. Двигателестроение – т.к. высокая удельная жесткость, сопротивление вибрациям.
5. Детали космического назначения:

• зеркала, т.к. низкая плотность при высокой жесткости уменьшает массу зеркала, а также высока размерная стабильность и отражательная способность;

• антенны спутников, теплозащитные экраны, рули и т.д.

6. Приборостроение – иглы индикаторов точных приборов.

7. Л.Э. – бериллиевые бронзы.

Перспективным путем считается армирование Ве-проволокой композиционных материалов с матрицей из Al, Ti, Cu ( обычно используют бор, графитовые волокна). Такой метод позволит повысить сопротивление баллистическому удару, вязкость, пластичность.

 

Баббиты

( сплавы олова и свинца)

Pb – решетка  ГЦК, r = 11,34 г/см3, tпл = 3270С

Sn – аллотропия: ниже 130С – кубическая типа алмаза – a-серое олово, выше – тетрагональная – b-белое олово. “Оловянная чума” – при переходе в a-модификацию из-за разности в плотности происходит разрушение олова ( 5,8 и 7,3 г/см3 соответственно). Нивелировать это явление можно при помощи примесей. Tпл= 2320С.

Свинец применяется для кабельных оболочек, защита от рентген- и g- излучения. Устойчив в кислотах, кроме азотной, в сухом воздухе не окисляется, во влажном – покрывается тусклой защитной пленкой.

Олово применяется для лужения посуды, жести (при наличии свинца или мышьяка – непригодно). Не окисляется на влажном воздухе, устойчиво в кипящей воде и орг. кислотах. Не устойчиво в щелочах и неорганических кислотах.

СПЛАВЫ делятся по применению на 5 групп

1. Антифрикционные (баббиты – по имени изобретателя англичанина Баббита):

А) на основе олова, система Sn –Sb –Cu.  Б93, Б90, Б83 (число - % содержания олова) – самые лучшие по комплексу свойств, используются в самых ответственных подшипниках. Применение ограничивается из-за дефицитности и дороговизны олова.

Б) на основе свинца. Сплавы БС (система Pb–Sb–Cu) для неответственных подшипников. Сплавы БК (система Pb-Ca–Na) устойчивы против ударных нагрузок, используются на железнодорожном транспорте.

В) на основе олова и свинца (система Pb–Sb–Cu + добавки). Сплавы БТ + 0,5%Te, БН + 1,8%Ni + Cd, As.

2. Легкоплавкие сплавы (tпл < чем у олова). Маркируются, напр. Л199 – число - tпл

Применяются в электротехнике, медицине, для специальных целей. Система Pb-Sn-Bi. Например, сплав Вуда: Pb-Sn-Cd-Bi. tпл = 680С. При добавлении ртути сплавы называются амальгамы и их tпл < 1000С. Самый легкоплавкий сплав – 91,5Hg + 8,5%Tl, tпл = - 590C.

3. Припои (ПОС) – в курсе ОВТ
4. Типографские сплавы, система Pb-Sb-(Sn).
5. Для кабельных оболочек – малолегированные свинцовые сплавы.

 Сплавы свинца делятся на высоколегированные и низколегированные свинцовые сплавы. Высоколегированные сплавы свинца это свинцовые сплавы, содержащие добавки в большем количестве, которые добавляются для повышения антифрикционных свойств, твердости, прочности и понижения температуру плавления свинца с его усадкой при плавке. Ко второй группе свинцовых сплавов причисляют сплавы свинцовые, которые содержат незначительные добавки кадмия, меди, сурьмы, олова. Добавки эти не снижают, а даже увеличивают стойкость свинца к коррозии и значительно повышают его предел текучести и другие прочностные показатели.  Подавляющее большинство сплавов свинца, как и сам свинец, имеют повышенную стойкость к коррозии в большом числе неорганических кислот, в воде, на воздухе. Сплавы свинца стабильны в концентрированных лимонной, хлоруксусной и уксусной кислотах. Наличие кислорода снижает устойчивость сплавов свинца в органических кислотах. Сернистый газ, сероводород, хлор, также незначительно воздействуют на сплавы свинца. Низколегированные сплавы свинца очень устойчивы в земле. Из добавляемых примесей, применяемых для легирования, только кальций делает его способным увеличивать прочность при пластической деформации. Сплавы свинца, легированные другими добавками, благодаря низкой температуре рекристаллизации теряет прочность при волочении, прессовании, прокатке и прочих процессах обработки, производимых в комнатной температуре. Примеси очень значительно увеличивают температуру рекристаллизации, длительную прочность, предел ползучести, и устойчивость сплавов свинца в серной кислоте. Свинцовые сплавы с медью, сурьмой применяют при производстве труб, листов, и прочих материалов, для облицовывания емкостей и прочей кислотоупорных трубопроводов и арматуры. Для производства оболочек силовых и низковольтных кабелей используют сплавы свинца, легированные оловом и свинцом. Свинцовые сплавы легкоплавкие представляют двойные, тройные и более сложные сплавы свинца  индием, оловом, кадмием. На основе свинцовых сплавов с оловом, серебром, сурьмой произведены мягкие припои, которые характеризуются отличной адгезией с большим числом металлов и сплавов и повышенной стойкости к коррозии. Для повышения стойкости к коррозии железных сплавов и перед заливкой подшипниковых вкладышей используют свинцовые сплавы с добавкой цинка и олова. Сплавы свинца с сурьмой и оловом применяются в типографской технике. Также применяются подшипниковые славы свинца - баббиты. Из-за высокой плотности и отличным литейным качествам славы свинца, используются при литье дроби, отливки пулевых сердечников. Пластины для свинцовых аккумуляторов также производятся из свинцовых сплавов.