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

ТАБЛИЦА 14.10. Механические свойства тугоплавких сплавов

Сплав

При 25 °С

При 1200°С

8, %,

аюо, МПа

На основе ниобия:

ВН2А (4,1 Мо; 0,7 Zr; < 0,08 С)

ВН4 (9,5 Мо; 1,5 Zr; 0,3 С) На основе тантала: Та + 10 W

На основе хрома:

ВХ1И (до 1Y)

ВХ2 (0,15 Ti; 0,2 V;

ВХ4 (32 Ni; 0,15

0,25 V, 1,5 W) На основе молибдена:

ВМ1 (0,4 Ti; < 0,01

ВМЗ (1,1 Ti; 0,5 Zr; 0,4 С;

1,4 Nb)

Мо + 40 Re На основе вольфрама:

W + 27 Re

W + 15 Мо

Y) Ti;

800-900 810

270 350 950

800 800-860 840

1400

620 730

520-710

240 800

4-5 16

10 0,03

240-260 550

300-490 105*

80 250 240**

340 550

1,2 30*

30 12**

130*** -

700 175

12*** 27****

130 (при 1100°С) 280 (при 1100°С)

140 (при 1200 °С) 35 (при 1650°С)

24 (при 1200 °С) 65 (при 1100°С)

80-90 (при 1200 °С) 250 - 270 (при 1300 °С)

42 (при 1600 °С)

* При 2000 °С. ** При 1000 °С. ** При ИОСС. ** При 1600 °С.

ДО 1500°С. Их достоинство-небольшая плотность.

Сплавы на основе молибдена работоспособны до 1300-14(Ю°С, на основе тантала-до 2000 °С, а на основе вольфрама-до 2000-2200С (табл. 14.10). При температурах до 1900-2000 °С многие сплавы на основе тугоплавких металлов более жаропрочны, чем вольфрам. Выше температуры 2000-2500 °С нелегированный вольфрам является самым жаропрочным металлом.

Неметаллические жаропрочные материалы. Графит и специальная керамика-наиболее важные неметаллические материалы, пригодные для службы при температурах выше 1000 °С. В этих материалах преобладает ковалентный тип связи, и поэтому лишь при температурах выше 0,8 Гпл быстро теряются жаропрочные свойства.

Грабит-один из перспективных материалов высокой жаропрочности. Уникальной особенностью графита является увеличение модуля упругости и прочности при нагреве. До температуры 2200-2400 °С прочность графита повышается максимально на 60%, и лишь при более высоких температурах он теряет прочность. Графит, не плавясь, возгоняется при температуре ~ 3800 °С. При нагреве графит мало расширяется, хорошо проводит теплоту и поэтому устойчив против тепловых ударов. Ползучесть у графита проявляется при температуре выше 1700 °С и характеризуется небольшой скоростью при температурах 2300-2900 °С под действием напряжений 30-10 МПа. Серьезным недостатком графита является легкость окисления, уже при температурах 520-560 °С потеря массы составляет 1%



за 24 ч, поэтому поверхность графитовых изделий защищают покрытиями.

Керамические материалы на основе SiC, SiN и системы Si-Al-O-N являются легкими, прочными и износостойкими веществами. В качестве конструкционных жаропрочных материалов они начинают применяться в двигателях внутреннего сгорания для изготовления поршней, головок блока цилиндров и других теплонапряженных деталей. Керамические детали способны работать при высоких температурах (йзЫд-до 1500°С, SiC-до 1800°С), стойки против коррозии и эрозии, не боятся перегрева и не нуждаются в принудительном охлаждении. В отличие от графита керамика меньше подвержена окислению и в несколько раз прочнее. Керамика изготовляется из недефицитных материалов. К недостаткам высокотемпературной керамики относятся хрупкость, сложность получения плотного беспористого материала и трудности изготовления деталей. В отличие от керамики графит легче прессуется в горячем состоянии и хорошо обрабатывается резанием.

14.4. Хладостойкие материалы

Хладостойкими называют материалы, сохраняющие достаточную вязкость при низких температурах от О до -269 °С (273-4 К).

Воздействию низких температур подвергаются стальные металлоконструкции (полотно железных дорог, трубы га-30- и нефтепроводов, мосты и др.), строительные машины, автомобили, вагоны в северных районах страны, охлаждаемые до температур климатического холода (-60 °С); обшивка самолетов, детали ракет и космических аппаратов, охлаждаемые от 0°С до температуры жидкого кислорода (-183 °С); специальное оборудование физики низких температур, детали, узлы и трубопроводы холодильной и криогенной техники, ко-

торые используются для получения, хранения и транспортировки сжиженных газов, охлаждаемых вплоть до температур жидкого гелия (-269 °С).

Критерии хладостойких материалов. Понижение температуры эксплуатации сопровождается увеличением статической и циклической прочности, снижением пластичности и вязкости, повышением склонности к хрупкому разрушению. Важнейшее требование, определяющее пригодность материала для низкотемпературной службы,- отсутствие хладноломкости. Хладноломкость-свойство материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладноломкость характерна для железа, стали, металлов и сплавов с ОЦК и ГПУ решетками. Хладноломкость этих материалов оценивается температурным порогом хладноломкости tjo (см. рис. 7.5). Для надежной работы материала необходимо обеспечить температурный запас вязкости. Это достигается тогда, когда температурный порог хладноломкости материала расположен ниже температуры его эксплуатации. Необходимая величина температурного запаса вязкости зависит от факторов, влияющих на склонность к хрупкому разрушению (наличия концентраторов напряжений, скорости нагружения, размеров детали). Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения материала, вьппе его эксплуатационная надежность.

Металлы и сплавы с ГЦК решеткой, а также титан и его сплавы с ГПУ решеткой не имеют порога хладноломкости; при охлаждении у них ударная вязкость уменьшается монотонно. Хладостойкость таких материалов оценивается температурой, при которой ударная вязкость не менее 0,3 МДж/м2 {1{сси=оз) (рис. 14.16).

Кроме критериев хладостойкости (tjo и 1кси-о,з) основанием для выбора материала служат также показатели прочности (Ств, CTo.i), физические и технологиче-



КШ, МДж/м


Рис. 14.16. Зависимость ударной вязкости (а) и предела текучести (6) конструкционных материалов от температуры:

/-сталь 12Х18Н10Т, закалка в воде от 1100°С; 2-сталь 0Н9, закалка в воде от 980°С, отпуск при 600 °С; - сплав ВТ5 - 1, отжиг при 750 °С; 4 - сталь 03Х9К14Н6МЗТ, закалка на воздухе от 950 °С, старение; 5 - сплав АМг5, отжиг при 400 °С

ские свойства, совместимость с окружающей средой, стоимость материала. Важным критерием хладостойкости является кретерий Квязкость разрущения в условиях плоской деформации. Однако недостаток данных о значениях Kj при низких температурах пока ограничивает его применение при выборе материалов.

Из физических свойств материала наиболее важны тепловое расщирение, теплопроводность, теплоемкость. Чем меньще тепловое расширение материала, тем меньше термические напряжения в деталях и конструкциях при термоци-

клировании. От теплоемкости и теплопроводности зависит быстрота захола-живания материала при термоциклрфо-вании. При особо низких температурах, начиная от температуры жидкого азота (-196 °С), теплопроводность и теплоемкость уменьшаются более чем в 10 раз. Изменение этих свойств неодинаково влияет на быстроту захолаживания материалов при термоциклировании. Чем меньше теплоемкость и больше теплопроводность, тем легче захолаживается криогенное оборудование и быстрее выходит на рабочий режим.

Наиболее важные технологические свойства свариваемость и пластичность. Сварку широко применяют в производстве конструкций и герметичной криогенной аппаратуры. Пластичность необходима для изготовления тонких листов и тонкостенных элементов, менее склонных к хрупкому разрушению, чем массивные детали.

Совместимость с окружающей средой определяется взаимодействием материала с кислородом и водородом - наиболее распространенными средами в криогенной технике. В контакте с кислородом возможно воспламенение материалов (титана, алюминия и их сплавов). Водород растворяется во многих металлах и вызывает охрупчивание сталей с ОЦК решеткой и сплавов на основе титана.

Основные группы хладостойких материалов. Основными группами хладостойких, материалов являются ншко-углеродистые стали с ОЦК и ГЦК структурой, алюминий и его сплавы (АМц, АМг, АМг5 и др.), титан и его сплавы (ВТ1, ВТ5, ОТ4 и др.), некоторые пластмассы (фторопласт-4, полиамиды, пористые полистирол, полиуретан). Среднеуглеродистые улучшаемые стали, а также мартенситно-стареющие стали используют ограниченно, когда к отдельным деталям холодильного оборудования предъявляются требования повышенной прочности и твердости.



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