Основы оптимизации структуры и механических свойств конструкционных материалов презентация

малой плотности, высокой удельной прочности и жесткости).
В качестве конструкционных материалов в приборостроении применяют:
- сплавы на основе железа, алюминия, магния, титана, бериллия, меди,
- пластмассы на основе полимеров (полипропилена, полиамидов, поликарбонатов, полиформальдегида, полиарамидов, полиакрилатов и других) с упрочняющими наполнителями,
- композиционные материалы, сочетающие неметаллическую или металлическую основу и металлические или неметаллические упрочняющие включения в виде частиц, проволоки, лент, волокон,
- керамические материалы на основе оксидов, нитридов, карбидов, имеющие высокую твердость, но, как правило, хрупкие.

содержащие случайные и постоянные примеси и специально вводимые легирующие элементы.
Наиболее характерные вредные примеси (P, S, O2, N2, H2) вызывают охрупчивание стали.
Полезные примеси (Mn, Si) способствуют раскислению стали (удалению O2). Mn, кроме этого, уменьшает вредное влияние S.
Для удаления P и S используют специальные синтетические шлаки, для понижения содержания газообразных примесей применяют вакуумную плавку. С целью раскисления сталей и уменьшения размера зерна вводится также Al и Ti.
Стали, не содержащие легирующих элементов, называются углеродистыми.

введения в состав материала (металла, сплава, полупроводника) определенных примесей.  Применяется легирование для изменения или улучшения физических и химических свойств металлов, сплавов. В особенности, для придания металлам и сплавам повышенной коррозионной стойкости.
Легирование  может быть объемным и поверхностным.
Объемное легирование (металлургическое) предусматривает введение добавок в весь объем металла.
Поверхностное легирование – введение легирующих добавок только в верхний (поверхностный) слой (диффузия, ионный "обстрел" и т.д.)
Поверхностное обогащение предусматривает проникновение легирующего элемента в слой, глубиной около одного – двух миллиметров.  Для создания определенных свойств на поверхности металла (например, антифрикционных). Выбор технологии и легирующих добавок во многом зависит от отрасли, в которой металлическое изделие будет использоваться.

этапа: внедрение легирующих атомов в материал и активация загнанной в материал добавки. Проконтролировать процесс можно дозировкой (кол-вом добавки), энергией (от нее зависит глубина вхождения добавки), температурой (от нее зависит распределение добавки в материале), а также временем протекания процесса.

Нейтронно-трансмутационный процесс легирования.
Принципы технологического процесса следующие: добавки не вводятся, а "мутируют" из исходного материала при протекании ядерных реакций, которые вызываются при облучении материала нейтронами. В результате выходит монокристаллический материал, в котором атомы распределены равномерно.

Термодиффузионный способ.
Он условно разделяется на несколько этапов: осаждение добавки, отжиг (при котором происходит загонка добавки в материал), удаление добавки.

Методы легирования

дуговых разрядов, при которых происходит перенос добавки с электрода на поверхность изделия. Часто применяют для форм и других изделий, которые используются в цветной и черной металлургии (в процессе разливки), поскольку обработанные детали и конструкции устойчивы к высокой температуре. Электроискровое легирование применяется только для специальных изделий и механизмов.

Технология взрывного насыщения. Взрывное легирование используется при насыщении углеродистой стали медью. Это один из подвидов ионного способа, основное назначение - защита металлических изделий от коррозии.

Методы легирования

стали.
Полезные примеси (Mn, Si) способствуют раскислению стали (удалению O2). Mn, кроме этого, уменьшает вредное влияние S.
Для удаления P и S используют специальные синтетические шлаки, для понижения содержания газообразных примесей применяют вакуумную плавку. С целью раскисления сталей и уменьшения размера зерна вводится также Al и Ti.
Стали, не содержащие легирующих элементов, называются углеродистыми.
К наиболее дешевым сталям относят углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94). Маркировка таких сталей состоит из двух букв Ст и цифр от 0 до 6, которые обозначают номер марки. Для стали Ст0 содержание S ~0,06%, P~0,07%, C<0,23%, Для остальных сталей S ~0,05%, P~0,04%, а содержание C можно приблизительно рассчитать, умножив номер марки на 0,07. Степень раскисления сталей (степень уменьшения концентрации O2) качественно оценивается индексами: «кп» - кипящие стали (содержат повышенное содержание O2, выделяющегося в составе газообразного CO) «сп» - спокойные, содержащие мало O2, «пс» - полуспокойные с промежуточным содержанием O2.

Примеси в сталях

в структуре увеличивается доля частиц Ц, однако при C>0,8% прочность снижается из-за появления сплошных хрупких прослоек по границам участков П,
- уменьшается пластичность и ударная вязкость из-за присутствия частиц Ц, что начинает сказываться при C>0,6%, поэтому для уменьшения вредного влияния C частицы Ц делают мелкими и округлыми, близкими по размерами и равномерно распределенными в Ф,
- ухудшается свариваемость, так как при содержании C>0,25% сталь за счет интенсивного охлаждения после сварки закаливается, что вызывает ее охрупчивание,
- затрудняется обработка резанием, однако, хорошую поверхность в процессе обработки можно получить для сталей с содержанием C~0,3-0,4%; при меньшем содержании C сталь под действием резца выдавливается, образуя шероховатую поверхность, при большем содержании C быстро изнашивается инструмент; для получения наименьшей шероховатости поверхности производится ее термообработка до твердости HRC~30; для получения более удобной (ломкой) стружки предпочтительна сталь с грубыми включениями Ц, добавками S и P, Se, на которых происходит разрушение стружки.

- введение в состав стали химических элементов, к которым в первую очередь относятся:
Cr (Х), Ni (Н), Mn (Г), Si (С), Mo (М), W (В), V (Ф), B (Р), Al (Ю), Co (К), Ti (Т), Nb (Б), N (А).
Преимущества легированных конструкционных сталей по сравнению с углеродистыми заключаются:
- в возможности улучшения комплекса механических свойств (под комплексом механических свойств понимают сочетание прочности и вязкости. Улучшение комплекса свойств подразумевает получение более высокой прочности при заданной вязкости (или более высокой вязкости при заданной прочности).
- в возможности придания сталям особых свойств: высокой коррозионной стойкости, немагнитности, жаропрочности, жаростойкости и т.д.).

на мартенсит во внутренних слоях детали, определяющей толщину закаленного слоя (или критический диаметр с заданным количеством мартенсита). Углеродистые стали имеют низкую прокаливаемость вследствие высокой критической скорости закалки Vкр, которая оказывается больше, чем скорость охлаждения Vохл внутренних слоев.

Зависимость толщины закаленного на мартенсит (М) слоя от скорости охлаждения образца Vохл и критической скорости закалки Vкр;.
а) М образуется в поверхностном слое, где Vохл> Vкр1;;
б) М образуется по всему сечению детали, так как Vохл> Vкр2 во всех точках.

Повышение прокаливаемости при легировании связано со снижением Vкр (б) всеми легирующими элементами, кроме Co.
Рост прокаливаемости позволяет:
- увеличить толщину закаленного слоя, что особенно важно для деталей работающих на сжатие-растяжение,
- уменьшить скорость охлаждения при закалке и таким образом снизить уровень остаточных напряжений, появляющихся за счет неравномерности охлаждения,
- существенно упростить технологию термической обработки и конструирование для деталей больших сечений и сложной формы.
Считается, что повышение прокаливаемости является главным достоинством легированных конструкционных сталей, обеспечивающим улучшение комплекса механических свойств.

В результате термической обработки: частично после нормализации и в полной мере после закалки и высокого отпуска.

Влияние легирующих элементов на а) предел прочности, б) относительное сужение, (пластичность), в) ударную вязкость Ф в нормализованном состоянии.

В нормализованном состоянии Cr, Mo, V, W, растворяясь в Ф практически его не упрочняют при малых концентрациях (а), так как имеют с ним одинаковую решетку ОЦК. Введение Si, Ni, Mn упрочняет Ф, имея отличную от Feα решетку. Вязкость Ф растет в случае введения Cr, Mn и Ni (в) вследствие увеличения или прочности или пластичности (а, б).
После высокого отпуска упрочнение Ф вызвано задержкой в нем углерода кремнием и карбидообразующими элементами (Cr, Mo, Nb, V, W, Ti). При этом комплексное легирование несколькими элементами усиливает эффект упрочнения.

2. За счет уменьшения размера зерен введением в малых концентрациях карбидо- нитридо- и оксидообразующих элементов, которые в составе тугоплавких высокодисперсных частиц (карбидов, нитридов, оксидов), находящихся на границах зерен А, сдерживают их рост и тем самым способствуют образованию мелких зерен Ф.

фазы. При легировании происходит, увеличение твердости и стабильности Ц, а также образование специальных более тугоплавких, чем Ц карбидов на основе сильных карбидообразующих легирующих элементов (Mo, W, V, Nb, Ti). Частицы карбидов обладают большей дисперсностью, чем в углеродистой стали, что особенно проявляется после закалки и высокого отпуска.
Увеличение отпускной стойкости или теплостойкости - способности термообработанной легированной стали сохранять структуру и свойства в нагретом состоянии.
При легировании теплостойкость растет с повышением устойчивости мартенсита за счет увеличения прочности межатомных связей легирующими элементами, а также с увеличением стабильности карбидов, сохраняющих высокую дисперсность при нагреве. При этом для получения необходимого сочетания прочности и вязкости можно использовать большие температуры отпуска, что позволяет максимально уменьшить опасные остаточные напряжения, возникающие после закалки.

при понижении температуры за счет смещения порога хладоломкости в область более низких температур.
Снижение температурного порога хладоломкости при легировании обеспечивается:
- уменьшением размера зерен Ф,
- легированием Ni, а также в незначительных концентрациях Mn, Cr, Mo, Al, Cu, Ti, V, Nb,
- использованием стали в улучшенном состоянии (сорбит),
- переходом от ОЦК к ГЦК – решетке, не имеющей порога хладоломкости, за счет легирования Ni совместно с Cr, а также Mn, N.
Повышение сопротивления коррозии сталей прежде всего вызвано легированием Cr в концентрации не менее 12,5% (стали типа 20Х13, 95Х18). При этом в поверхностном оксидном слое формируется плотная пленка оксида Cr2O3, который обеспечивает сталям большую коррозионную стойкость. Дальнейшее повышение коррозионной стойкости связано с получением однофазной и однородной структуры, имеющей ГЦК решетку (сталь типа 12Х18Н10Т). Сопротивление атмосферной коррозии повышается также при легировании Cu, P, Ni, Cr, Si в небольшой концентрации (до ~1%), достаточной для формирования на поверхности деталей защитного слоя из модифицированного оксида железа.

нормальных условиях, если имеет кристаллическую решетку ГЦК, что характерно при легировании большим количеством Mn, Ni совместно с Cr (стали типа 12Х18Н10Т).
Повышение жаропрочности (способности материалов работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения) подразумевает в результате изменения состава и структуры стали добиться минимизации ползучести – нарастания деформации во времени при постоянном напряжении и температуре (T>0,3Tпл). Это достигается, в частности, легированием тугоплавкими элементами (Mo, V, W, Nb, Cr), входящим в твердый раствор, а также образующими тугоплавкие и дисперсные карбиды, эффективно тормозящие дислокации при высоких температурах. За счет легирования Ni, Cr и Mn возможна стабилизация ГЦК решетки, уменьшающей диффузионную подвижность атомов внедрения по сравнению с ОЦК, что также увеличивает жаропрочность.

в конструкционной стали усиливается при повышении концентрации до некоторого предела (до 1,5-2% Mn и Si, 2% Cr, 5% Ni, 1-2% W и Mo). При более высокой концентрации положительное влияние легирования на свойства конструкционной стали прекращается. Наилучшее проявление легирования достигается при сочетании нескольких элементов (например, Ni + Cr, Cr + Mo, Ni + Cr + Mo + V и т.д.) при суммарном содержании 5-7%.
Cr - хром вводится в конструкционные стали до 2%, растворяется в Ф, но имея ту же решетку, что и Ф слабо влияет на прочность Ф, увеличивает ударную вязкость, карбидо- и нитридообразующий элемент, замещает Fe в Ц, повышая его твердость, увеличивает температуру перестройки решетки Fe (стабилизирует Ф), повышает прокаливаемость и отпускную стойкость, способствует измельчению зерна, снижает температуру вязкохрупкого перехода (при концентрации до 1,7%), незначительно способствует отпускной хрупкости, ухудшает свариваемость. При концентрации более 12,5% резко увеличивает коррозионную стойкость в связи с заменой атомов Fe атомами Cr в оксиде железа. При диффузионном хромировании поверхностного слоя увеличивает сопротивление коррозии за счет образования оксида Cr2O3 и вызывает рост износостойкости, связанный с высокой твердостью карбидов, содержащих Cr.

вводится в конструкционные стали до 5%, растворяется в Ф, увеличивая одновременно прочность и ударную вязкость, снижает температуру вязкохрупкого перехода, уменьшая связь атомов C с дислокациями, не образует карбидов, понижает температуру перестройки решетки Fe (стабилизирует А), способствует измельчению зерна, повышает прокаливаемость, практически не вызывает отпускную хрупкость второго рода при монолегировании, не ухудшает свариваемость.
Mn - марганец вводится в конструкционные стали до 1,5%, растворяется в Ф, увеличивая прочность (предел текучести) и снижает температуру вязкохрупкого перехода (при концентрации до 1,5%), не образует карбидов, но легирует Ц, снижает температуру перестройки решетки (стабилизирует А), повышает прокаливаемость, является эффективным раскислителем (уменьшает концентрацию кислорода в Ф), связывает S в более тугоплавкий сульфид MnS (вместо легкоплавкого FeS), однако, способствует укрупнению зерна, появлению значительной доли остаточного А, вызывает отпускную хрупкость второго рода, незначительно ухудшает свариваемость.

вводится в конструкционные стали до 2%, растворяется в Ф, увеличивая прочность (предел текучести), но снижая ударную вязкость, повышает температуру вязкохрупкого перехода, не образует карбидов, повышает температуру перестройки решетки Fe (стабилизирует Ф), повышает прокаливаемость и отпускную стойкость, является эффективным раскислителем, способствует измельчению зерна, подавляет отпускную хрупкость первого рода, резко способствует отпускной хрупкости второго рода, незначительно ухудшает свариваемость. При силицировании поверхностного слоя увеличивает сопротивление коррозии вследствие образования оксида SiO2 и износостойкость за счет пористой структуры поверхности, насыщаемой смазочным материалом.
W - вольфрам вводится в конструкционные стали до 0,8-1,2% с целью подавления отпускной хрупкости второго рода, растворяется в Ф, незначительно увеличивая прочность, но, снижая ударную вязкость, повышает температуру вязкохрупкого перехода (при концентрации более 1%), легирует Ц, замещая Fe, повышает температуру перестройки решетки (стабилизирует Ф), повышает прокаливаемость и отпускную стойкость, способствует измельчению зерна за счет образования высокодисперсных карбидов, служащих центрами кристаллизации А, однако, введение большего количества W увеличивает опасность появления труднорастворимых и поэтому плохо управляемых карбидов, способствующих охрупчиванию.

вводится в конструкционные стали до 0,2-0,4% с целью подавления отпускной хрупкости второго рода, растворяется в Ф, повышает температуру перестройки решетки Fe (стабилизирует Ф), незначительно увеличивает прочность, но снижет ударную вязкость, при концентрации до 0,5% понижает температуру вязкохрупкого перехода, сильный карбидо- и нитридообразующий элемент, легирует Ц, замещая атомы Fe, повышает прокаливаемость и отпускную стойкость, способствует измельчению зерна, несколько ухудшает свариваемость.
V - ванадий вводится в конструкционные стали до 0,3% с целью измельчения зерна Ф за счет образования высокодисперсных карбидов, служащих центрами кристаллизации А. Сильный карбидо- и нитридообразующий элемент, растворяется в Ф, повышает температуру перестройки решетки Fe (стабилизирует Ф), повышает прокаливаемость и отпускную стойкость, снижает температуру вязкохрупкого перехода (при концентрации до 1%), незначительно ухудшает свариваемость. Введение большего количества V увеличивает опасность появления труднорастворимых и поэтому неуправляемых карбидов, располагающихся по границам зерен, способствующих охрупчиванию.

вводится в конструкционные стали до 0,1% с целью измельчения зерна Ф за счет образования высокодисперсных карбидов, служащих центрами кристаллизации А. Сильный карбидо- и нитридообразующий элемент, растворяется в Ф, резко повышает температуру перестройки решетки Fe (стабилизирует Ф), повышает прокаливаемость и отпускную стойкость. Связывает C в карбидах в нержавеющих сталях для повышения коррозионной стойкости, предупреждая появление карбидов Cr. Однако введение большего количества Ti увеличивает опасность появления труднорастворимых и поэтому неуправляемых карбидов, располагающихся по границам зерен, способствующих охрупчиванию. При диффузионном титанировании поверхностного слоя увеличивается сопротивление коррозии в связи с образованием окисла TiO2 и износостойкость за счет образования карбидов титана.
Al - алюминий вводится в конструкционные стали до ~1%, является сильным раскислителем и нитридообразователем, уменьшает концентрацию O2 и N2 в Ф, не образует карбидов, растворяется в Ф, повышает температуру перестройки решетки Fe (стабилизирует Ф), образует тугоплавкие мелкие частицы Al2O3 и AlN, выступающие в роли центров кристаллизации зерен А, что способствует измельчению зерен, повышению пластичности, снижению температуры вязко-хрупкого перехода (до 0,1%Al) и повышению износостойкости при азотировании поверхностного слоя. При диффузионном насыщении алюминием (алитировании) поверхностного слоя увеличивает сопротивление коррозии за счет образования оксида Al2O3.

вводится для повышения прокаливаемости (~0,003%), заменяя 1% Ni, 0,5%Cr, 0,2%Mo. При диффузионном борировании поверхностного слоя увеличивает сопротивление коррозии и износостойкость за счет образования боридов железа (FeB, Fe2B).
Co - кобальт вводится в мартенсито-стареющие стали с целью упрочнения Ф за счет формирования упорядоченного состояния между атомами Fe и Co и вытеснения других легирующих элементов из Ф для ускорения образования дисперсных упрочняющих частиц. Не образует карбидов. Растворяется в Ф, понижая температуру перестройки решетки Fe, повышает отпускную стойкость.
N - азот понижает температуру перестройки решетки Fe (стабилизирует А). В присутствие нитридообразователей (Cr, Al, Mo) возникают нитриды, обладающие высокой твердостью.

возможность образования флокенов – мелких внутренних трещин, благодаря возникновению газообразных соединений водорода, повышающих давление во внутренних слоях,
- проявление отпускной хрупкости второго рода (при температурах 500 - 600°С) при медленном охлаждении в процессе отпуска.

применяющимся в технике, как основа конструкционных сплавов, относятся цветные металлы Al, Mg, Be, Cu, Ti.
В меньшей степени (для получения жаропрочных и жаростойких материалов) применяется Ni, Mo, W, Ta, Nb.
Сплавы на основе цветных металлов подразделяются на деформируемые и литейные.
Деформируемые сплавы используют в виде различного рода полуфабрикатов (проволоки, ленты, листы, плиты, трубы и т.п.), получаемых пластическим деформированием.
Литейные сплавы используют в виде отливок, имеющих форму заготовок или готовых изделий.
Кроме технологии изготовления между сплавами имеются различия в технологии упрочнения.
Различают сплавы неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой. Для сплавов неупрочняемых термической обработкой повышение прочности производится за счет легирования и холодной пластической деформации. Сплавы, упрочняемые термической обработкой, как правило, подвергаются закалке и старению, приводящему к диперсионному упрочнению.

случаях, когда необходимо сочетание малой плотности, достаточной пластичности, хорошей технологичности, коррозионной стойкости.
Температура плавления чистого алюминия 660°С. Кристаллическая решетка ГЦК.

от 1 до 1,6%. Растворимость Mn (атомы замещения) в Al изменяется от 0,05% при 0°С, 1,4% до 650°С, однако сплавы не подвергают упрочняющей термической обработке из-за недостаточной дисперсности выделяющихся фаз. Сплавы обладают высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, хорошо свариваются.
Упрочнение производится с помощью холодной пластической деформации (нагартовки). Для получения после рекристаллизационного отжига мелкозернистой, однородной структуры вводится небольшое количество титана.
Пример промышленного сплава алюминия с марганцем
АМцМ (М - мягкий) - деформируемый сплав, находящийся в отожженном состоянии,
АМцН2 (Н2 - полунагартованный) - деформируемый сплав, упрочненный пластическим деформированием.
Сплавы алюминия с магнием.
Магний вводится в алюминий в количестве до 10,5% . Растворенный в алюминии магний способствует значительному упрочнению сплавов. В тоже время пластичность остается высокой (30%). Сочетание более высокой, чем у АМц прочности при сопоставимой пластичности обеспечивает широкое применение данных сплавов для коррозионностойких сварных конструкций.
Примеры промышленных сплавов на основе Al-Mg
АМг1 - АМг6 – деформируемые сплавы, содержащие 1,1, 2,3, 3,5, 5,3, 6,3% Mg соответственно. По мере увеличения концентрации магния происходит увеличение прочности и некоторое уменьшение пластичности. Сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью и свариваемостью.
На основе системы Al-Mg созданы литейные сплавы, также имеющие высокую прочность и пластичность, но применяющиеся ограниченно в силу появления газовой пористости и сильного окисления. Наибольшее распространение получил сплав АМг5Мц (АЛ28), не имеющий этих недостатков.

сплавах основным легирующим элементом (4,0 - 4,3%). Кроме меди вводятся магний (0,25-1,5%), марганец (0,4-0,75%), титан (0,06%), цирконий (0,15%).
Растворимость меди в алюминии изменяется от 0,1% при 20°С до 5,7% при 550°С, поэтому при 20°С сплав состоит из твердого раствора меди, а также других легирующих элементов в алюминии и частиц химических соединений Al2Cu и Al2CuMg. В процессе нагрева до температуры однофазного твердого раствора замещения (~510°С) легирующие элементы переходят в твердый раствор, и, после резкого охлаждения, образуется пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии. Естественное старение обеспечивает сочетание более высокой, чем у сплавов АМг прочности при достаточной пластичности. Сплавы могут подвергаться искусственному старению, которое происходит при повышенной температуре.
Литейные сплавы на основе системы Al-Cu содержат от 4 до 6,2%Cu. Они имеют плохие литейные свойства: малую жидкотекучесть, склонность к образованию трещин, усадочной пористости. Однако за счет упрочнения термической обработкой приобретаются высокую твердость.
Примеры промышленных сплавов Al-Cu
Д1, Д16 (4,3%Cu, 0,6%, 0,6, 1,5%Mg, 0,6%Mn) - деформируемые, упрочняемые термической обработкой сплавы. Находит применение для ответственных нагруженных деталей. В сварных конструкциях не используются. Сплав Д16 считается наиболее трещиностойким среди алюминиевых сплавов, особенно после более тщательной очистки от примесей железа и кремния (Д16оч).
Д18 (2,6%Cu, 0,35%Mg) - деформируемый сплав, слабо упрочняемый термической обработкой, так как содержит небольшое количество легирующих элементов, поэтому обладает повышенной пластичностью и используется в основном для заклепок.
АМ5 (АЛ19) (5%Cu, 0,6% Mn, 0,25%Ti) - упрочняемый термической обработкой высокопрочный литейный сплав, содержащий добавку титана, который с алюминием образует дисперсное соединение Al3Ti, увеличивающее прочность и сдерживающее, по-видимому, рост зерен сплава.

незначительное количество основных легирующих элементов (0,7-1,1%Mg, 0,5-1,0%Si). При комнатной температуре сплавы состоят из твердого раствора с малой концентрацией легирующих элементов и частиц MgSi, а также частиц Si (при повышенном содержании). После закалки с температур ~530°С и последующего естественного или искусственного старения (160°С, 14 часов) происходит некоторое увеличение прочности.
Сплавы имеют высокую пластичность и коррозионную стойкость, но меньшую чем у дуралюминов прочность. Обладают удовлетворительной свариваемостью и хорошим качеством поверхности после анодирования (окисления в электролите на аноде).
Примеры промышленных сплавов Al-Mg-Si
АВ (0,7 %Mg. 0,9%Si, 0,4%Cu, 0,25%Mn) - деформируемый, упрочняемый термической обработкой сплав имеет максимальную среди данных сплавов прочность, но пониженную коррозионную стойкость из-за присутствия меди и большого количества кремния.
АД31 (0,7 %Mg. 0,5%Si) - деформируемый, упрочняемый термической обработкой, наиболее часто используемый сплав, так как обладает высокой коррозионной стойкостью и хорошей технологичностью, например, при закалке охлаждается на воздухе.
Сплавы алюминия с цинком, магнием и медью
В95 (6%Zn, 2,3%Mg, 1,7%Cu, 0,4%Mn, 0,18%Cr) - наиболее известный деформируемый сплав данной системы. В нем присутствуют три упрочняющие фазы (MgZn2, All2Mg3Zn3, Al3CuMg), которые выделяются при термообработке (закалка 420°С, старение 120°С). Марганец и хром, растворяясь в алюминии, повышают температуру рекристаллизации.

наиболее известный деформируемый, упрочняемый термической обработкой сплав, который по сравнению с другими алюминиевыми сплавами имеет более высокий модуль упругости (75 ГПа) и более низкую плотность (2,5г/см3). Так как литий имеет переменную растворимость в алюминии, то возможно проводить закалку с 450°С на воздухе и последующее старение при 120°С с выделением упрочняющих частиц (Al3Li, Al2MgLi). По прочности и пластичности сплав сопоставим с дуралюмином Д16.
Сплавы алюминия с кремнием (силумины)
Данные литейные сплавы содержат от 5 до 21% Si. Кремний растворяется в алюминии при комнатной температуре не более 0,1%, а при Т=577°С - 1,65%.
АК12 (АЛ2) - наиболее распространенный сплав содержанием Si - 11,5%, соответствующий эвтектическому составу. Этот сплав имеет высокую жидкотекучесть, так как для него отсутствует интервал температур кристаллизации. Получающаяся эвтектическая смесь кристаллов твердого раствора и частиц кремния достаточно однородна особенно после модифицирования - введения, например, натрия, атомы которого способствуют измельчению структуры. Сплав обладает высокой коррозионной стойкостью и хорошо сваривается.

при температурах ниже плавления, поэтому общим для сплавов, полученных таким путем, будет однородность состава и строения, которой трудно добиться при кристаллизации из жидкого состояния. Данные сплавы имеют более высокий, чем у обычных сплавов модуль упругости, что является их важным достоинством.
Сплавы типа САП (спеченная алюминиевая пудра) - получают при спекании тщательно измельченного алюминиевого порошка (пудры), которые могут на 6-18% состоять из оксида, покрывающего отдельные частицы алюминия. Присутствие твердого тугоплавкого оксида обеспечивает сплавам высокую твердость и жаропрочность (до 350°С), однако все они имеют низкую пластичность. Модуль упругости E при 18% Al2O3 составляет 80 ГПа. Данные сплавы предназначены для изделий, работающих при повышенных температурах.
Сплавы типа САС - получают спеканием при введении в состав кремния (до 30%), никеля или железа (до 7%). Отличаются высоким модулем упругости E~100 ГПа и пониженным коэффициентом теплового расширения (14,5·10-6 1/К вместо 24·10-61/К у алюминия), что позволяет сочетать данный сплав с материалами, имеющими близкий коэффициент расширения.

необходимости использования меньшей, чем у других конструкционных материалов плотности при достаточной прочности.
Температура плавления чистого магния 650°С. Кристаллическая решетка ГПУ.

растворимый от 12,6 при 430°С до 2% в нормальных условиях,
цинк (до 7%), растворимый от 8% при 370°С до 2% в нормальных условиях,
марганец (до 2,5%), практически нерастворимый в магнии,
цирконий (до 0,9%), растворимый при нормальных условиях в количествах не более 0,3%,
кадмий, неограниченно растворимый в магнии повышает пластичность и прочность,
литий, образующий с магнием твердые растворы,
редкоземельные элементы (Nd, Sc, La и другие), образующие с магнием упрочняющие интерметаллиды (соединения между металлами).

дисперсных включений Mg9Ce, измельчающих зерна. Данный сплав наиболее употребим как деформируемый конструкционный магниевый сплав, так как обладает достаточной технологической пластичностью, средней прочностью, хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью.
МА2-1 (5%Al, 0,7%Mn, 0,8%Zn) - наиболее распространенный деформируемый сплав имеет более высокую прочность при той же пластичности, что и сплав МА8. Сплав упрочняется пластической деформацией и хорошо сваривается.
МА18 (11,5%Li, 1%Al, 0,4%Mn, 2,5%Zn, 0,35%Ce) - легирование литием (до 11,5%) позволяет получить сплавы с самой малой плотностью (до 1,5 г/см3). При концентрации лития более 10,4% возникает однофазное состояние пластичного β-твердого раствора магния в литии, имеющего ОЦК решетку. Вследствие этого данный сплав обладает высокой технологической пластичностью и ударной вязкостью.
Литейные сплавы на основе магния хуже, чем алюминиевые, так как, имея больший интервал кристаллизации, обладают низкой жидкотекучестью. Наиболее часто используются сплавы МЛ5 (9%Al, 0,5%Mn, 0,8%Zn) и МЛ6 (10%Al, 0,5%Mn, 1,2%Zn). Они термически упрочняются после закалки на воздухе и искусственного старения.

жесткости при малой плотности, достаточной прочности, стабильности формы и размеров, высокой коррозионной стойкости.
Температура плавления бериллия 1287°С. Кристаллическая решетка ГПУ до 1250°С, выше - ОЦК.
Бериллий обладает следующими свойствами:
малая плотность (1,85 г/см3), позволяющая использовать сплавы в конструкциях приборов в тех случаях, когда нет специальных требований к большой прочности и твердости,
низкая пластичность, характерная для материалов с ГПУ решеткой,
высокая коррозионная стойкость при температурах меньше 600°С за счет присутствия плотной пленки оксида BeO,
диамагнетизм, преодолевающий парамагнетизм электронного газа,
высокая теплопроводность, связанная с высокой электропроводностью, облегчающая перераспределение тепла в объеме деталей,
возможность качественного полирования,
токсичность, проявляющаяся при механической обработке.

среди других конструкционных материалов,
коэффициент теплового расширения близкий к сталям (11·10-6 1/К),
токсичность бериллиевой пыли, образующейся при механической обработке,
необходимость применения защитных атмосфер при получении изделий методом сварки из-за высокой химической активности бериллия.

случаях, когда необходима высокая технологичность (жидкотекучесть, обрабатываемость давлением, резанием, свариваемость, паяемость), хорошая электро- и теплопроводность.
Температура плавления чистой меди 1083°С. Кристаллическая решетка ГЦК.
Для меди характерны следующие свойства:
относительно высокая плотность (8,9 г/см3), затрудняющая использование в современной технике, требующей уменьшения массы изделий,
высокая пластичность, характерная для материалов с ГЦК решеткой,
относительно высокая коррозионная стойкость при низких температурах с образованием на поверхности оксида Cu2O,
диамагнетик, магнитный момент которого обеспечен в основном электронами электронного газа,
высокая хладостойкость, так как сплавы с ГЦК решеткой не имеют порога хладоломкости,
возможность упрочнения термической обработкой некоторых медных сплавов,
высокая теплопроводность, связанная с высокой электропроводностью, облегчающая перераспределение тепла в объеме деталей,
возможность качественного полирования.

кремний марганец, никель, бериллий, кадмий. Все легирующие элементы (кроме свинца) в большей или меньшей степени увеличивают прочность, некоторые из них увеличивают пластичность при концентрации: алюминия (до 4%), кремния (до 3%), железа (до 1%).
По виду основных легирующих элементов медные сплавы принято делить на латуни, бронзы и медноникелевые сплавы.
В маркировке медных сплавов первые буквы указывают на вид сплава: Л- латунь, Бр – бронза, МН – медноникелевый сплав. Следующие буквы соответствуют вводимым элементам К – кадмий, Б – бериллий, Н – никель, Мц – марганец, О – олово, Ф – фосфор, Ц – цинк, С – свинец, А – алюминий, Ж – железо. Количество легирующих элементов в процентах указано в деформируемых сплавах в конце в последовательности записанных элементов, для литейных сплавов – после каждого элемента.
В деформируемых латунях первым указывается процентное содержание меди.

цинк растворяется в меди, образуя твердый раствор α. При более высокой концентрации цинка возникает фаза малой пластичности и высокой твердости β`- упорядоченный твердый раствор цинка в меди (комнатная температура). С появлением β`- фазы резко увеличивается прочность и снижается пластичность. Основным способом упрочнения латуней является холодная пластическая деформация. К недостаткам латуней следует отнести склонность к появлению под действием остаточных напряжений трещин вдоль границ зерен и фаз, особенно в присутствии коррозионной среды. Устраняется уменьшением напряжений в процессе релаксационного отжига (~300°C)

8%, не изменяясь при нагревании до 800°С. В пределах растворимости олова в меди (α-фаза) прочность и пластичность сплавов увеличивается с ростом концентрации олова. При больших концентрациях образуется соединение между медью и оловом твердая δ-фаза (Cu3Sn8), появление которой уменьшает пластичность сплава.
Бронзы обладают незначительным уменьшением объема при кристаллизации после литья (малой усадкой), что является их достоинством, так как они точно повторяют заполняемую форму. К недостаткам следует отнести низкую жидкотекучесть вследствие большого интервала кристаллизации. Это же обстоятельство вызывает неравномерность состава внутри фаз, которая устраняется диффузионным отжигом.
Дополнительное легирование фосфором:
улучшает жидкотекучесть,
увеличивает прочность и износостойкость за счет образования твердых частиц фосфида Сu3P, но снижает пластичность.
Цинк вводится в пределах растворимости в меди. Легирование цинком способствует:
уменьшению интервала кристаллизации,
повышению прочности,
получению более плотного литья.
Никель позволяет производить для сплавов дисперсионное упрочнение.
Свинец увеличивает жидкотекучесть бронз и их антифрикционные свойства, а также улучшает обрабатываемость резанием.
Оловянные бронзы хорошо паяются, но плохо свариваются.
Примеры промышленных оловянных бронз
БрО3Ц12С5 - литейный сплав, используемый для литых изделий точной и сложной формы.
БрО10Ф1 - литейный сплав, имеющий двухфазную структуру, что позволяет его использовать в качестве антифрикционного материала с мягкой основой и твердыми включениями. Среди антифрикционных материалов обладает наибольшей прочностью
БрОФ6,5-0,4 - деформируемый сплав, имеющий однофазную структуру, обладающий (как и все деформируемые бронзы) большей прочностью и гораздо большей пластичностью, чем литейные бронзы. Выпускается в виде лент, проволоки и прутков. Часто используется для изготовления упругих элементов.

α-твердый раствор. При более высокой концентрации образуется твердая, но хрупкая γ2-фаза на основе соединения Cu9Al4.
Алюминиевые бронзы обладают, по сравнению с оловянными, рядом достоинств:
- лучшую жидкотекучесть за счет малого температурного интервала кристаллизации,
- более высокую прочность и пластичность,
- отсутствие дефицитного олова,
- более высокую коррозионную стойкость.
К недостаткам, характерным для данного типа бронз, являются значительная усадка при кристаллизации, сложность пайки.
Примеры алюминиевых бронз
БрА5, БрА7 - деформируемые наиболее пластичные бронзы, используются для упругих элементов.
БрАЖ9-4, (БрА9Ж4Л) - деформируемая (и литейная) бронза обладает хорошими антифрикционными свойствами за счет присутствия эвтектоида (α+γ2) и железистых включений, играющих роль твердых частиц. Применяется для шестерен, гаек силовых винтовых пар, втулок, направляющих. После закалки, подавляющей образование эвтектоида, обладает большой пластичностью, которая понижается при последующем старении с выделением тонкодисперсного эвтектоида, увеличивающего твердость.
БРА9Мц2Л - литейная бронза, присутствие марганца в твердом растворе вызывает повышение и прочности и пластичности.

состав кремнистых бронз входит не более 3% кремния, поэтому данные бронзы являются однофазными. Дополнительное введение в твердый раствор никеля и марганца вызывают дальнейший рост прочности и коррозионной стойкости.
Примеры кремнистых бронз
БрКМц3-1 - деформируемая бронза, обладающая высокими пластическими и прочностными свойствами, находясь в однофазном состоянии. Используется для изготовления упругих элементов.
БрКН1-3 - термически упрочняемый сплав, подвергаемый закалке и старению.
Марганцевые бронзы
Марганец растворяется в меди при нормальных условиях до 22%, поэтому данные бронзы являются однофазными. С ростом содержания марганца постепенно растет прочность при малом изменении пластичности.
В технике используется деформируемая бронза БрМц5, главные достоинства которой заключаются в высокой жаропрочности и коррозионной стойкости.
На основе системы Cu-Mn (60-85% Mn) созданы сплавы, обладающие высокой демпфирующей способностью, которая проявляется после термообработки (закалка и старение), вызывающей появление мартенсита - пересыщенного твердого раствора марганца в меди. В структуре мартенсита формируются микродвойники с подвижными границами, которые, перемещаясь под действием внешних переменных нагрузок, поглощают энергию деформирования, вызывая тем самым быстрое затухание вибраций (демпфирование).

виде мягкой фазы. Данные сплавы используются как антифрикционные.
При содержании свинца 30% (БрС30) формируется медная основа с мягкими включениями свинца, который обеспечивает твердую смазку, выдавливаясь из меди за счет теплового расширения.
При содержании свинца 60% (БрС60Н2,5) основой сплава становится свинец, а медь присутствует в роли твердых включений, соприкасающихся с шейкой вала при трении. Никель способствует выделению меди в виде объемной сетки (скелета), что уменьшает ликвацию меди в свинце по удельному весу. Данные бронзы выпускаются в основном как литейные сплавы.
Бериллиевые бронзы
Бериллий растворяется в меди в количестве 2,7% при 864°С и 0,2% при нормальных условиях. Поэтому бериллиевые бронзы, содержащие около 2% Be, подвергаются дисперсионному упрочнению - закалка с температур 780°С с последующим старением при 300°С. В результате формирования оптимальной структуры когерентных выделений CuBe очень сильно возрастает прочность, но снижается пластичность. Наибольшей пластичностью (δ ~ 50%) данные бронзы обладают в закаленном состоянии. Они применяются для деталей и упругих элементов ответственного назначения, обладают рекордной для медных сплавов прочностью, износостойкостью, высокой электро- и теплопроводностью.
БрБ2 - обладает невысокой технологичностью, так как требует при закалке очень большой скорости охлаждения.
БрБНТ1,9 - введение никеля замедляет фазовые превращения, потому закалка проводится с небольшой скоростью. Кроме этого задерживается рост зерна при рекристаллизации, что способствует повышению теплостойкости. Титан, образуя соединения TiBe3 и Cu3Ti, еще больше увеличивает прочностные свойства.

при увеличении концентрации до 50%. Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, а также широко используются как электротехнические материалы.
Мельхиоры
МН19 - сплав имеет однофазную структуру, имеет довольно высокую прочность и пластичность в отожженном состоянии. Упрочняется холодной пластической деформацией.
МНЖМц30-1-1 - введение железа и марганца увеличивает коррозионную стойкость в агрессивных средах.
Нейзильберы
МНЦ15-20 - введение цинка способствует повышению прочности по сравнению с мельхиором. Сплав не окисляется на воздухе.
МНЦС16-29-1,8 - добавление свинца улучшает обрабатываемость резанием. Из данного сплава изготавливают детали часовых механизмов.
Куниали
МНА13-3, МНА6-1,5 - данные сплавы упрочняются дисперсионным упрочнением, так как при совместном присутствии никеля и алюминия из пересыщенного твердого раствора при старении выделяются дисперсные частицы NiAl, Ni3Al. Уменьшение температуры (-180°С) приводит к увеличению прочности и пластичности сплавов.

после закалки, ЗЕС – после закалки с последующим естественным старением, ЗИС – после закалки с последующим искусственным старением, С – после старения, (-Т) – свойства при низких температурах.

Алюминиевые сплавы

после закалки, ЗЕС – после закалки с последующим естественным старением, ЗИС – после закалки с последующим искусственным старением, С – после старения, (-Т) – свойства при низких температурах.

Магниевые и бериллиевые сплавы

– после закалки, ЗЕС – после закалки с последующим естественным старением, ЗИС – после закалки с последующим искусственным старением, С – после старения, (-Т) – свойства при низких температурах.

З – после закалки, ЗЕС – после закалки с последующим естественным старением, ЗИС – после закалки с последующим искусственным старением, С – после старения, (-Т) – свойства при низких температурах.

находят применение как конструкционный материал в тех случаях, когда необходимо сочетание значительной прочности и достаточной вязкости с небольшой плотностью при высокой коррозионной стойкости.
Температура плавления чистого титана 1668°С. При Т выше 882°С титан имеет ОЦК решетку (Tiβ), являющуюся основой для β-фазы, ниже 882°C ГПУ решетку (Tiα), являющуюся основой для α-фазы.
Для титана характерны следующие свойства:
- относительно малая плотность (4,5 г/см3), обеспечивающая самую высокую среди сплавов удельную прочность и позволяющая использовать титановые сплавы в конструкциях приборов для летательных аппаратов,
- высокая коррозионная стойкость из-за присутствия на поверхности оксида TiO2 (при температурах меньше 400°С).
- высокая хладостойкость вплоть до температур -269°C (δ~15%), обеспеченная пластической деформацией в нескольких плоскостях скольжения дислокаций, а также за счет двойникования,
- возможность упрочнения термической обработкой для некоторых сплавов,
- коэффициент теплового расширения (9,2∙10-6 1/К), близкий к коэффициенту теплового расширения стекол, что позволяет использовать Ti для спекания со стеклами или в сопряжении с оптическими деталями.

габариты деталей для обеспечения необходимой жесткости, однако удельный модуль упругости титана (γ~2600 км) соответствует удельному модулю упругости стали,
высокий коэффициент трения, уменьшаемый нанесением покрытий,
низкая теплопроводность, связанная с низкой электропроводностью, затрудняющая перераспределение тепла в объеме деталей,
неудовлетворительная обрабатываемость резанием, вызванная малой теплопроводностью, ухудшающей отвод тепла из зоны резания, и большой химической активностью,
необходимость применения защитных атмосфер при получении изделий методом литья и сварки из-за высокой химической активности титана.

жаропрочности, жесткости и коррозионной стойкости. Свойства сплавов указаны в таблице.
Все легирующие элементы в разной степени приводят к упрочнению титановых сплавов.
Основным легирующим элементом является Al, который вводится в состав почти всех титановых сплавов в количестве не более 7%. Атомы Al, входящие в α1-твердый раствор замещения образуют сильные связи с Ti, что приводит к увеличению прочности, жесткости, несколько уменьшая пластичность. При концентрации более 7,5% из твердого раствора выпадает хрупкая α2-фазы (Ti3Al).