Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [ 15 ] 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

Высокий модуль упругости при малой плотности обеспечивает бериллию стойкость к резонансным колебаниям, хорошее сопротивление усталостным разрушениям, большую скорость распространения звука (в 2,5 раза больше, чем в стали). Отсюда новые области применения: соответственно, двигателестрое-ние, акустическая техника.

Сочетание высокой удельной жесткости, размерной стабильности, теплопроводности, а также близкий к стали температурный коэффициент линейного расширения делают бериллий незаменимым материалом для ответственных деталей высокоточных приборов. Его применяют в инерциальных системах навигации для ракет, самолетов, подводных лодок. Из него изготовляют детали гиростабилизированных платформ и гироскопов.

Применение бериллия как конструкционного материала в атомной технике вызвано его способностью слабо поглощать тепловые нейтроны (см. п. 14.5).

Кроме того, бериллий используют как источник а-излучения, а также как конструкционный материал при изготовлении рентгеновских трубок. Бериллий очень слабо поглощает рентгеновские лучи (в 17 раз хуже, чем алюминий).

Бериллиевые сплавы. Основные трудности при создании бериллиевых сплавов вытекают из его недостатков: большой хрупкости и высокой стоимости.

Главная сложность при легировании бериллия, как было указано ранее, обусловлена малым размером атома бериллия. Большинство элементов, растворяясь в бериллии, искажают его кристаллическую решетку, в результате чего увеличивается его хрупкость. В связи с этим наибольшее распространение получили сплавы бериллия с практически нерастворимым в нем при 20 °С алюминием. Из диаграммы состояния А1-Ве (рис. 13.14) видно, что при температуре 20 °С бериллий практически нерастворим в алюминии. Поэтому эвтектика, образующаяся при концентрации

1100

Ж+BEj

12,5

Et5°

AI+Be

1 1 1

Alio 30 50 70 Be,% Рис. 13.14. Диаграмма состояния Al -Be

2,5 % Al, состоит из почти чистого алюминия с незначительным количеством вкраплений бериллия и характеризуется высокой пластичностью. Чем больше содержится в сплавах бериллия, тем выше их прочность и жесткость (рис. 13.15)

Практическое применение нашли за-эвктические сплавы, содержащие ~20-40% А1. Они имеют структуру, состоящую из мягкой пластичной эвтектики и твердых хрупких включений первичного бериллия. Сплавы пластичнее и поэтому технологичнее чистого бериллия; они обладают высокими прочностными свойствами и жесткостью. Так, сплав, содержащий 24% А1 (остальное Be), характеризуется следующими свойствами: 0 = 620 МПа; 02= 510 МПа; 6 = 3%; £ = 260 ГПа.

Легирование двойных сплавов элементами, растворимьпми в бериллиевой фазе, ухудшает свойства этой фазы

Е,та бе,МПа

-500

<

- 1ПП

1 1 1

30 50 70 Ве,%

Рис. 13.15. Зависимость механических свойств сплавов А1 -Be от содержания бериллия



бв, МПа


70 Be, %

Рис. 13.16. Зависимость механических свойств сплавов А1 -Be -Mg (5%) от содержания бериллия

И сплава в целом, а элементами, растворимыми в алюминиевой фазе, улучшает свойства сплавов. Наиболее благоприятно на свойства сплавов влияет дополнительное легирование магнием в пределах его растворимости в алюминии. Однако значительный эффект упрочнения (рис. 13.16) при одновременном повышении пластичности наблюдается на сплавах с малым содержанием бериллия. При содержании в сплаве более 70% Be резко ухудшается пластичность и практически не меняется прочность. Добавка 5% Mg к сплаву с низким содержанием бериллия (30%) увеличивает предел прочности от 2(Ю до 450 МПа, относительное удлинение-от 18 до 25%. Заметно повышается и модуль нормальной упругости (до 150-3(Ю ГПа). В отличие от двойных сплавов, которые спекают и прессуют из порошков, сплав с магнием получают сплавлением. Слитки подвергают обработке давлением. Сплав поставляют в виде деформированного или отожженного полуфабриката (отжига = 350 - 400 °С). Сплав хорошо сваривается и рекомендуется для сварных конструкций.

Легирование бериллия элементами Ni, Со, Си и др., расширяющими температурную область существования пластичной высокотемпературной модификации Вср, увеличивает диапазон горячей обработки давлением. Эти элементы оказывают упрочняющее действие и снижают пластичность при 20 °С. Никель ( 0,5 %) и кальций ( < 1 %) вызы-

вают увеличение прочности при повышенных температурах. Однако более высокими показателями в этом случае обладает бериллий, полученный методами порошковой металлургии с повышенным содержанием оксида ВеО (до 4%).

Сохраняют прочность до очень высокой температуры так называемые бе-риллиды. Они представляют собой ин-терметаллидные соединения бериллия с переходными металлами (Та, Nb, Zr и др.). Бериллиды имеют высокую температуру плавления (~2000°С), высокую твердость {НУ 5000-10000), жесткость (£ % 3(Ю -f- 350 ГПа) при сравнительно низкой плотности (~ 2700-5000 кг/м). Однако они очень хрупкие. Из них изготовляют методами порошковой металлургии мелкие несложные по форме детали для гироскопов и систем управления.

13.3. Композиционные материалы

Общая характеристика и классифика-

Щ1Я. Композиционные материалы по удельным прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы (рис. 13.17). Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления материала. При этом материалу придают по возможности форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей и даже отдельных узлов конструкции.

Комтзмционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые друг в друге компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей.

Принцип создания композиционных материалов заимствован у природы. Примером естественных компози-




Рис. 13.17. Удельная прочность и удельный модуль упругости некоторых неармирован-ных и композиционных материалов, армированных 50 об. % волокон: I - алюминий; 2 - титан и сталь; 5 - титан, армированный бериллиевой проволокой; 4 - титан, армированный волокнами SiC; 5 - титан, армированный волокнами борсика; 6 - алюминий, армированный борными волокнами; 7 - эпоксидная смола, армированная волокнами графита; S - эпоксидная смола, армированная борными волокнами

ционных материалов могут служить стволы и стебли растений, кости человека и животных. В дереве волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином, в костях тонкие прочные нити фосфатных солей-пластичным коллагеном.

Свойства композиционных материалов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью композиционных материалов является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем композиционным материалам присущи свойства, которыми не обладают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств композиций выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами.

Основой композиционных материалов (матриц) служат металлы или сплавы (композиционные материалы на металлической основе), а также поли-

меры, углеродные и керамические материалы (композиционные материалы на неметаллической основе).

Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных материалов и такие важные эксплуатационные характеристики, как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность. Созданы композиционные материалы с комбинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоев (двух или более) различного химического состава.

Композиционные материалы с комбинированными матрицами называют полиматричными (рис. 13.18, а). Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность материала в направлении, перпендикулярном оси волокон. Алюминиевые слои в матрице способствуют уменьшению плотности материала.

В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители). Поскольку главную роль в упрочнении композиционных материалов играю г наполнители, их часто называют упроч-


Патрица I 01

7--/

Патрица Вопото /

Рис. 13.18. Схемы полиматричного (а) и по-лиармированного (б) композиционных материалов



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [ 15 ] 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61