Оборудование, технические средства, инструмент

При проведении лабораторной работы используются: образцы углеродистых сталей 20, 40, У7 в отожженном состоянии; образцы из стали 40, закаленные с оптимальной температуры; муфельные электропечи; пресс Бринелля для замера твердости; микроскоп для замера диаметра отпечатка при измерении твердости по Бринеллю; металлографический микроскоп, щипцы, очки и др.

Порядок выполнения работы

1) Перед началом работы студенты знакомятся с оборудованием и правилами его эксплуатации. За знание правил техники безопасности студент расписывается в журнале по технике безопасности.

2) Последовательность работ проводится в соответствии с заданиями (пункт 9).

     5 Методические указания по выполнению отдельных видов работ

     1) Термическая обработка

     1.1) Образцы на закалку загружаются в печи, предварительно разогретые на заданные температуры.

     1.2) Продолжительность выдержки образцов по достижении заданной температуры закалки по потенциометру – 20 мин.

     1.3) Выгрузка образцов из печи производится щипцами в минимальное время, чтобы не охладить образцы и печь.

     1.4) Закалка образцов производится в воде или масле при непрерывном, энергичном перемещении образцов в охлаждающей среде.

     1.5) Один образец оставляется после выгрузки из печи для охлаждения на воздухе.

     1.6) Закаленные образцы укладываются на трафаретки с указанными на них режимами закалки и переносятся на заточку торцов для последующего замера твердости.

     1.7) Время выдержки при достижении заданной температуры отпуска по потенциометру – 20 мин.

     1.8) Охлаждение образцов после отпуска в воде.

     2) Подготовка поверхности образцов для замера твердости

     2.1) При заточке на абразивных кругах следует применять интенсивное охлаждение во избежание перегрева, для чего образцы необходимо периодически помещать в емкость с водой.

     2.2) Плоскость под замер твердости должна быть выполнена по нормали к образующей образца, не иметь грубых рисок и других дефектов.

     3) Замер твердости

     3.1) Нагрузка 7500 Н, диаметр шарика 5 мм, выдержка под нагрузкой 10 с (автоматически). Шарик перед испытанием должен быть вытерт насухо.

     3.2) Образец помещается на стол твердомера и вращением маховика испытываемая поверхность поджимается к шарику без усилия. Испытываемая поверхность должна быть перпендикулярна к оси шпинделя.

     3.3) Центр отпечатка должен находиться от края образца на расстоянии не менее диаметра, а от центра соседнего отпечатка – на расстоянии не менее двух диаметров отпечатка.

     3.4) Нажатием на кнопку включается электродвигатель. По окончании испытания пресс автоматически выключается.

     3.5) Вращением маховика стол опускается, образец снимается.

     3.6) С помощью лупы измеряется диаметр отпечатка. Используя переводные таблицы, определяют числа твердости.

     6 Указания по технике безопасности

     1) При загрузке образцов в электропечь и извлечении их для охлаждения необходимо предварительно отключить печь (потенциометр).

     2) При загрузке и извлечении образцов из печи необходимо пользоваться рабочими рукавицами и щипцами.

     3) При работе на наждачных станках следует: надевать очки; образец держать в руке крепко, к наждачному кругу прижимать без большого усилия; в случае возникших неисправностей немедленно нажать красную кнопку на коробке выключателя и обратиться к преподавателю или лаборанту.

Контрольные вопросы

1) Основные виды термической обработки стали, их режимы и назначение:

1.1) Отжиг.

1.2) Закалка.

1.3) Отпуск.

1.4) Старение.

2) Превращения при нагреве стали.

3) Превращения при медленном охлаждении стали.

4) Превращения при закалке стали.

5) Что такое мартенсит?

6) Критическая скорость охлаждения при закалке.

7) Оптимальная температура закалки доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей.

8) Охлаждающие среды.

9) Влияние углерода на твердость стали после закалки.

10) Превращения аустенита при непрерывном охлаждении (диаграмма изотермического превращения аустенита).

11) Превращения при отпуске стали.

12) Влияние температуры отпуска на механические свойства стали 40.

13) Виды отпуска.

14) Сущность метода пробной закалки.

Задания

     1) Определить твердость исходной стали 40 (в отожженном состоянии), результаты занести в таблицу В.1 (приложения в конце методических указаний к лабораторным работам).

     2) Произвести закалку образцов из стали 40 по режимам, представленным в таблице В.1.

     3) Произвести закалку образцов из сталей 20, 40, У7 по режимам, приведенным в таблице В.2.

     4) Зачистить образцы после закалки, замерить твердость и результаты занести в таблицы В.1 и В.2.

     5) Произвести отпуск образцов из стали 40, закаленных с оптимальной температуры нагрева. Режимы отпуска приведены в таблице В.3.

     6) Зачистить образцы после отпуска, замерить твердость и результаты занести в таблицу В.3.

     7) Построить графики: зависимости твердости от температуры закалки по данным таблицы В.1 (НВ = f(Т_ЗАК)); зависимости твердости от содержания углерода в стали по данным таблицы В.2 (НВ = f(%C)); зависимости твердости от температуры отпуска по данным таблицы В.3 (НВ = f(T_ОТП)).

     8) Изучить под микроскопом микроструктуры стали 40 после различных режимов закалки и отпуска;

9) Зарисовать микроструктуры в отчете, обозначить отдельные структурные составляющие (схемы указанных микроструктур помещены в приложении рисунки Г.1 – Г.8).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ

Цель работы

Изучить микроструктуры цветных сплавов на основе алюминия, меди и титана; установить связь между структурой и свойствами изучаемых сплавов.

Предмет и содержание работы

Все металлы могут быть разделены на две большие группы:

1) Черные металлы, которые имеют темно-серый цвет, большую удельную плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным металлом этой группы является железо. К этой же группе относят кобальт, никель, марганец, а также тугоплавкие металлы, урановые металлы, редкоземельные и щелочноземельные металлы.

2) Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную; желтую; белую. Они обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления; для них характерно отсутствие полиморфизма.

Цветные металлы подразделяются на следующие группы:

1) Легкие металлы – бериллий, магний, алюминий, обладающие малой удельной плотностью.

2) Легкоплавкие металлы – цинк, олово, свинец, кадмий, висмут и др.

3) Благородныеметаллы – серебро, золото, металлы платиновой группы. К ним же относится полублагородная медь. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.

В данной лабораторной работе рассматриваются важнейшие технические материалы на базе цветных металлов. Такими материалами являются алюминиевые, медные и титановые сплавы.

Алюминий и его сплавы

Алюминий – легкий металл с удельной плотностью 2,7 г/см³. Кристаллическая решетка гранецентрированная кубическая. Температура плавления 657 °С. Алюминий хорошо проводит тепло и электричество. Химически активен, но образующаяся плотная пленка Al₂O₃ предохраняет его от коррозии. Механические свойства отожженного алюминия технической чистоты: σ_В = 80 МПа; σ_Т = 30 МПа; δ = 35 %. Технический алюминий не применяется как конструкционный материал из-за низкой прочности. Однако высокая пластичность, коррозионная стойкость и электропроводность позволяют использовать его для получения деталей глубокой штамповкой и тончайших фольг, в качестве проводникового материала, а также в быту для транспортировки и хранения продуктов питания.

1 – деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой; 2 – деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой

Рисунок 1 – Классификация алюминиевых сплавов по диаграмме состояния (Al-легирующий компонент (В)) и технологическим свойствам

Чистый алюминий имеет низкие механические свойства, плохую обрабатываемость резанием, неудовлетворительные литейные качества (большую усадку затвердевания – до 6 %). В связи с этим большое применение находят сплавы на основе алюминия, в которых добавление различных элементов позволяет при сохранении достоинств алюминия получить другие более высокие свойства.

Технические алюминиевые сплавы подразделяют на две группы: применяемые в деформированном виде (прессованном, катаном, кованом) и в литом. Границу между сплавами этих двух групп определяет предел насыщения твердого раствора при эвтектической температуре (рисунок 1.).

Изменение технологических свойств в сопоставлении с диаграммой состояния показывает, что сплавы с содержанием легирующего компонента меньше предела растворимости обладают наибольшей пластичностью и наименьшей прочностью при высокой температуре, следовательно, хорошо подвергаются горячей обработке давлением.

Наилучшую жидкотекучесть, меньшую пластичность и большую прочность имеют сплавы, содержащие эвтектику. Такие сплавы используются как литейные. Содержание эвтектики в литейных сплавах не должно превышать 15-20 %по объему из-за ухудшения механических и некоторых технологических свойств.

Деформируемые сплавы подразделяют на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. Границей между этими сплавами является предел насыщения твердого раствора при комнатной температуре.

К деформируемым, не упрочняемым термической обработкой сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием (АМг). Эти сплавы обладают высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью. Они не упрочняются термической обработкой. Упрочнение таких сплавов достигается за счет образования твердых растворов Al(Мn) и Al(Мg).Поставляются в виде листового проката, а также прессованного материала.

К деформируемым, упрочняемым термической обработкой относятся сплавы нормальной прочности, высокопрочные и другие. Типичный представитель сплавов – дюралюминий (маркируют буквой Д). Он характеризуется хорошим сочетанием прочности и пластичности и относится к сплавам системы Аl-Сu-Мg, в которые дополнительно вводят марганец, повышающий коррозионную стойкость и улучшающий механические свойства. Перечисленные компоненты образуют ряд растворимых соединений, вызывающих старение, таких как СuАl₂, Mg₂Si, Al₂CuMg, Аl₂Мn₂Сии др.

Структура дюралюминия в отожженном состоянии состоит из твердого раствора и вторичных включений указанных интерметаллических соединений.

Термическая обработка этих сплавов заключается в закалке с 500 °С в воде с последующим естественным (в течение 5-7 дней) или искусственным старением, которым предшествует 2-3 часовой инкубационный период. В течение этого времени сплав сохраняет высокую пластичность.

Так как коррозионная стойкость дюралюминия невысокая, то для защиты от коррозии его покрывают (плакируют) чистым алюминием.

Дюралюминий находит широкое применение в авиастроении, автомобилестроении, вагоностроении, строительстве. Прочность таких сплавов может достигать 500-600 МПа при относительном удлинении 8-12 %.

Рисунок 2 – Диаграмма состояния Al – Si

В настоящей работе более подробно изучаются литейные алюминиевые сплавы – силумины (ГОСТ 2685-75). Под группой алюминиевых сплавов, называемых силуминами, подразумевают сплавы с большим содержанием кремния. Эти сплавы обладают высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами (особенно после модифицирования). Причем оптимальными литейными свойствами обладают сплавы с минимальной температурой плавления и минимальным температурным интервалом кристаллизации, содержащие 12-13 %Si (рисунок 2).

Обычный силумин по структуре является заэвтектическим сплавом. Структура такого сплава состоит из игольчатой грубой эвтектики (α+Si) и первичных кристаллов кремния (рисунок 3а). Кремний при кристаллизации эвтектики выделяется в виде грубых хрупких кристаллов игольчатой формы, которые играют роль внутренних надрезов. Такой сплав обладает низкими механическими свойствами: σ_В = 120 МПа; δ =2 %.

а	б
а – до модифицирования (заэвтектический сплав); б - после модифицирования (доэвтектический сплав)
Рисунок 3 – Микроструктура силумина

Для повышения механических свойств силумины модифицируют натрием (0,05-0,08 %) путем присадки к расплаву смеси солей 67 %NaF и 33 %NaCl. В присутствии натрия происходит смещение линии диаграммы состояния (рисунок 2) и заэвтектический сплав (12-13 % Si) становится доэвтектическим, так как эвтектика теперь образуется при 14 %Si. В этом случае в структуре сплава вместо избыточного кремния появляются кристаллы пластичного α-раствора кремния в алюминии (рис. 3б). Эвтектика приобретает более тонкое строение и состоит из мелких кристаллов кремния и α-твердого раствора. В процессе затвердевания кристаллы кремния обволакиваются пленкой силицида натрия (NaSi), которая затрудняет их рост.

Изменения в структуре приводят к повышению механических свойств: σ_В =200 МПа; δ = 12 %. Одновременно улучшаются и литейные свойства сплавов (возрастает жидкотекучесть, повышается плотность отливок и т.д.).

Литейные алюминиевые сплавы маркируются буквами АЛ: А – означает, что сплав алюминиевый, Л – литейный; цифра после буквенного обозначения – порядковый номер в государственном стандарте. Например, в сплаве АЛ2 кроме алюминия содержится 10...13 % Si; 0,8...1,5 % Feи 2,2...2,8 %других элементов. Существует и другая система маркировки литейных алюминиевых сплавов (ГОСТ 1583-73), подобная маркировке легированных сталей, в которой указывается буквами легирующий элемент (К –кремний, М – медь, Н – никель, Ц – цинк), а цифрами – их содержание. Например, АК21М2,5Н2,5 алюминиевый сплав, содержащий 20...22 % Si; 2,2...3,0 % Cu; 2,2...3,8 % Ni.

Силумины широко применяются во всех областях машиностроения. Их используют для изготовления картеров и блоков двигателей, корпусов компрессоров, деталей авиационных двигателей, корпусов приборов и др.

Медь и ее сплавы

Медь – металл с удельной плотностью 8,94 г/см³. Кристаллическая решетка гранецентрированная кубическая. Температура плавления 1083 °С. Характерными свойствами меди является ее высокая теплопроводность и электропроводность, поэтому медь находит широкое применение в электротехнике. Технически чистая медь маркируется М000 (99,99 % Сu), М0 (99,95 % Сu), M1 (99,9 % Сu ) и т.д.

Механические свойства меди относительно низкие. Так, в литом состоянии σ_В = 150...200 МПа, δ = 15...25 %. Поэтому применять медь в качестве конструкционного материала нецелесообразно. Повышение механических свойств достигается созданием разных сплавов на медной основе. Различают две группы медных сплавов: латуни и бронзы,

Латуни

Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк. Практическое применение имеют медные сплавы с содержанием цинка до 45 %. Диаграмма состояния Cu-Zn приведена на рисунке 4.

Медь с цинком образует α-твердый раствор цинка в меди с максимальной растворимостью цинка 39 %, а также фазы β, γ, ε,которые являются твердыми растворами на базе электронных соединений: β – CuZn, γ – Cu₅Zn; ε – CuZn₃.

Рисунок 4 – Диаграмма состояния Cu – Zn

В зависимости от содержания цинка различают однофазные α – латуни и двухфазные α + β^/ – латуни.

Однофазные латуни (до 39 %Zn) находят применение для изготовления деталей деформированием в холодном состояния, так как они имеют хорошую пластичность (рисунок 5). Из них изготавливают ленты, радиаторные трубки, проволоки, гильзы патронов.

Двухфазные α + β^/ – латуни, содержащие цинка от 39 до 45 %, используются для изготовления деталей деформированием при температуре выше 500 °С, так как эти латуни имеют низкую пластичность в холодном состоянии (рисунок 5). Нагрев приводит к превращению β^/ – фазы в β–фазу с неупорядоченным расположением атомов и более высокой пластичностью.

Рисунок 5 – Влияние цинка на механические свойства меди

Из двухфазных α + β^/ – латуней изготавливают листы, прутки и другие заготовки, из которых последующей механической обработкой получают детали.

При содержании цинка более 45 %в латуни присутствует β^/ – твердый раствор. β^/ – латуни обладают максимальной прочностью (σ_В= 420 МПа), но практического применения не находят ввиду очень низкой пластичности (δ = 7 %).

Увеличение содержания цинка повышает прочность (до 45 % Zn)и пластичность (до 37 % Zn) – рисунок 5, удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Вместе с тем, уменьшается теплопроводность и электропроводность, которые составляют 20-50 % от характеристики меди.

Латуни маркируются буквой Л и последующим числом, показывающим содержание меди в процентах, например, в сплаве Л62 имеется 62 % Сuи 38 % Zn. При наличии других элементов после буквы Л ставятся буквы, являющиеся начальной буквой элементов (О – олово, А – алюминий, К – кремний, С – свинец, Н – никель, Мц – марганец, Ж – железо).

Количество этих элементов обозначается цифрами.

Присутствующие в латуни элементы повышают твердость и снижают пластичность латуней, особенно однофазных. Двухфазные латуни нередко легируют Аl, Fe, Ni, Si, Мn,Рbи другими элементами. Такие латуни называют специальными или многокомпонентными.

Так, свинец облегчает обрабатываемость резанием и улучшает антифрикционные свойства (ЛC 59-1). Алюминий повышает прочность, твердость и коррозионную стойкость латуни (ЛA 77-2). Кремний улучшает жидкотекучесть, свариваемость и способность к деформация (ЛК 80-3). Никель повышает растворимость цинка в меди и улучшает механические свойства (ЛН 65-5). Олово повышает сопротивление коррозии в морской воде (ЛО 70-1 – морская латунь).

Все латуни по технологическому признаку подразделяются на деформируемые, из которых изготавливают листы, ленту, трубы, проволоку (ЛАЖ 60-1-1, ЛЖМц 59-1-1, ЛC 59-1) и литейные для фасонного литья (ЛК 80-3Л, ЛАЖМц 66-6-3-2, ЛКС 80-3-3), из которых изготавливают детали в судостроении и общем машиностроении.

Рисунок 6 – Микроструктура латуни ЛC 59-1

На рисунке 6 приведена микроструктура латуни ЛC 59-1. Эта латунь содержит 59 % Сu, 1 % Рb и 40 % Zn.В соответствии с содержанием цинка латунь ЛC 59-1 относится к двухфазным. Она содержит в структуре α-твердый раствор и β^/-твердый раствор и называется автоматной латунью, так как хорошо обрабатывается резанием, чему способствует присутствующий свинец. Механические свойства латуни ЛC 59-1: в мягком состоянии (после отжига): σ_В = 400 MПa; δ = 45 %; в твердом состоянии (после наклепа):σ_В = 650 МПа, δ = 5 %.

Существует и другая маркировка, используемая для литейных латуней. В соответствии с ГОСТ 17711-80 литейные латуни обозначаются подобно легированным сталям, где количество каждого легирующего элемента приводится непосредственно после его буквенного обозначения. Например, латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 содержит 23 % Zn, 6 % Al; 3 % Fe, 2 % Mn и остальное медь.

Бронзы

Бронзами называют сплавы меди с различными элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть и цинк. Название бронзам дают по основным элементам. Так, их подразделяют на оловянистые, свинцовые, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые и др.

Бронзы маркируются буквами Бр (бронза), за которыми следуют буквы, а затем цифры, обозначающие название и содержание в процентах легирующих элементов.

Например, БрО4Ц2С2,5 содержит 4 % Sn , 2 % Zn, 2,5 % Рb.

Оловянистые бронзы

При сплавлении меди с оловом образуются твердые растворы и электронные соединения аналогично тому, как это имело место в сплавах Cu-Zn. На рисунке 7. приведена левая часть диаграммы состояния Cu-Sn. В твердом состоянии в бронзах имеются фазы: α - твердый раствор олова в меди; β-твердый раствор на базе электронного соединения CuSn, δ-электронное соединение Сu₃₁Sn₈, γ-твердый раствор на базе химического соединения Сu₃Sn(ε-соединение).

Система Cu-Snимеет ряд перитектических превращений и два эвтектоидных превращения. При 350 °С δ-фаза (Сu₃₁Sn₈) должна распадаться на α-твердый раствор и ε-фазу (Сu₃Sn). В реальных условиях охлаждения бронза состоит из фаз α и δ. На практике применяют только сплавы с содержанием до 10-12 % Sn. Сплавы, более богатые оловом, очень хрупки (рисунок 8). Бронзы, содержащие до 4..5 % Sn, и после деформаций и отжига имеют в структуре в основном α-твердый раствор олова в меди. А после литья даже такие низколегированные бронзы в результате ликвации могут иметь включения эвтектоида (α+Сu₃₁Sn₈).

Рисунок 7 – Диаграмма состояния Сu – Sn

При большем содержаний олова в структуре бронз в равновесном состояния наряду с α-твердым раствором присутствует эвтектоид (α+Cu₃₁Sn₈). При этом с увеличением количества олова предел прочности возрастает. Но значительное количество хрупкого соединения Сu₃₁Sn₈ приводит к снижению прочности при большом содержания олова.

Оловянистые бронзы обычно легируют Zn, Fe, Р, Рb, Ni и другими элементами. Цинк улучшает технологические свойства и удешевляет бронзу. Фосфор улучшает литейные качества, повышает твердость, прочность, упругие и антифрикционные свойства. Никель повышает механические свойства, коррозионную стойкость и плотность отливок. Железо измельчает зерно, но ухудшает технологические свойства. Свинец снижает механические свойства, но повышает плотность отливок, улучшает обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства.

Рисунок 8 – Влияние олова на механические свойства меди

Различают деформируемые (БрОФ 6,5-0,15; БрОЦ 4-3; БрОЦС 4-4-2,5) и литейные бронзы (БрО3Ц7С5Н1, БрО3Ц12С5, БрО5Ц5С5, БрО10). Из деформируемых бронз изготавливают прутки, трубки, ленту, проволоку. Литейные бронзы применяют, главным образом, для изготовления пароводяной аппаратуры и для отливок антифрикционных деталей типа втулок, венцов, червячных колес, вкладышей подшипников скольжения.

Свинцовые бронзы

Свинец не растворяется в меди, поэтому сплавы после кристаллизации состоят из кристаллов меди и включений свинца. Последние располагаются по границам зерен (рисунок 9) или заполняют междендритные пространства. Такая структура бронзы обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Это предопределяет широкое применение свинцовистых бронз для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях. По сравнению с оловянистыми бронзами теплопроводность бронзы БрС30 в 4 раза больше, поэтому она хорошо отводит теплоту, возникающую при трении.

Из-за невысоких механических свойств (σ_В = 60 МПа, δ = 4 %) бронзу БрC30 наплавляют тонким слоем на стальные ленты (трубы). Вследствие большой разницы в удельной плотности меди (8,94 г/см³) и свинца (11,37 г/см³) и широкого интервала кристаллизации бронза БрС30 склонна к ликвации (неоднородности химического состава) по плотности. Уменьшить ликвацию можно высокой скоростью охлаждения отливок. Нередко свинцовые бронзы легируют никелем и оловом, которые растворяясь в меди, повышают механические свойства (σ_В = 150-200 МПа, δ = 3-8 %). Например, БрО10С10, БрО10С2Н3.

Рисунок 9 – Микроструктура свинцовой бронзы БрС30

Титан и его сплавы

Титан – серебристо-белый легкий металл с удельной плотностью 4,5 г/см³ и температурой плавления 1668 °С. При температуре 882 °С титан претерпевает полиморфное превращение Ti_α (ГПУ) →Тi_β (ОЦК). Чистый титан имеет σ_В = 270 МПа, δ = 55 %. Е = 112000 МПа. С уменьшением чистоты титана (марки ВТ1-00, BT1-0, BT1-1) прочностные свойства повышаются (σ_В= 300-550 МПа); пластичность падает (δ = 15-25 %).

Титан является химически активным металлом, но на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных окислов, благодаря чему имеет высокую стойкость в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах.

Чистый титан находит применение в авиации и ракетостроении, а также в химической промышленности. Металлургической промышленностью изготавливается в виде листов, труб, прутков, проволоки и других полуфабрикатов. Повышение прочностных характеристик титана может быть достигнуто за счет легирования его Al, Мо, V, Мn, Сr, Sn, Zr, Nb. Упрочнение титана при легировании сопровождается снижением его пластичности.

Легирующие элементы оказывают большое влияние на температуру полиморфного превращения. Такие элементы, как Al, O, N повышают температуру полиморфного превращения и расширяют область α, их называют α-стабилизаторами. Практическое значение для легирования титана имеет только алюминий, так как кислород и азот сильно охрупчивают сплавы. Такие элементы, как Мо, V, Мn, Cr, Feпонижают температуру полиморфного превращения и расширяют область существования β-фазы; их называют β -стабилизаторами. При легировании титана Мn, Fe, Сг, Si в сплавах протекает эвтектоидное превращение. Образование эвтектоида охрупчивает сплав.

В соответствии со структурой различают: 1) α-сплавы со структурой твердого раствора легирующих элементов в α-титане; основной легирующий элемент в α-сплавах - алюминий (ВТ5, ВТ5-1, ОТ4); 2) (α+β)-сплавы, состоящие из α и β-твердых растворов; содержат кроме алюминия 2-4 %β-стабилизаторов, таких как Сr, Мо, Fe и других (ВТ6, ВТ8, BT14); 3) β-сплавы, имеющие структуру твердого раствора легирующих элементов в β-титане; эти сплавы содержат большое количество β-стабилизаторов (BT15, ВТ22, BT3-1).

Современные промышленные α-сплавы сравнительно малопластичны, но охрупчиваются при термической обработке. β-сплавы наиболее пластичны, но наименее прочны: при нагреве не испытывают фазовых превращений. Сплавы (α+β) более прочные, чем однофазные, хорошо куются и штампуются, поддаются термической обработке. К этому классу принадлежит большинство промышленных сплавов.

Наличие у сплавов титана высокотемпературной модификации β – твердого раствора, способной к значительному переохлаждению, обусловливает получение разнообразных структур в зависимости от рeжимов термической обработки. Полиморфное β→α превращение может иметь два различных механизма. При высоких температурах, т.е. при небольшом переохлаждении относительно равновесной температуры β→α перехода, превращение происходят обычным диффузионным путем, а при значительном переохлаждении, и, следовательно, при низкой температуре, когда подвижность атомов мала, - по бездиффузионному мартенситному механизму. В первом случае образуется полиэдрическая структура α-твердого раствора, во втором - игольчатая (пластинчатая) мартенситная структура, обозначаемая как α^/. Легирующие элементы, снижающие температуру β→α превращения, способствуют получению мартенсита. При низком легировании для этого требуется интенсивное охлаждение. При очень высоком содержании β-стабилизаторов температура β→α превращения снижается до нуля и β-твердый раствор охлаждается до комнатной температуры без превращения. Образование мартенсита в титановых сплавах по сравнению с закалкой углеродистой стали сопровождается сравнительно невысоким ростом прочностных свойств.

Титан и α-сплавы титана подвергают только рекристаллизационному отжигу, (α+β)-сплавы могут быть упрочнены закалкой с последующим старением.

Важнейшими областями использования титановых сплавов являются следующие:

1) авиация и ракетостроение, где из титановых сплавов изготавливаются корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, лопатки, детали крепежа, фюзеляжа и т.д.;

2) химическая промышленность (компрессоры, клапана, вентили для агрессивных жидкостей);

3) оборудование для обработки ядерного топлива;

4) морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок, торпед);

5) криогенная техника (при отрицательных температурах до

-250 °С).

Расширение области применения титана и его сплавов сдерживает высокая стоимость.

В земной коре содержится много (~0,6 %)титана, т.е. среди конструкционных металлов по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Основной сдерживающий фактор по широкому практическому использованию титана - сложность процесса производства титана из руд, что бесспорно будет устранено в будущем.