Сплавы на основе магния, титана.
Магний- металл светло-серого цвета. Характерным свойством магния является его малая плотность (1.74 г/см3). Температура плавления магния 650°С. Кристаллическая решетка гексагональная. Технический магний выпускают трех марок МГ90, МГ95 и МГ96. Механические свойства литого магния: sв=115МПа, s0.2=25МПа, d=8%, 30НВ. На воздухе магний легко воспламеняется. Используется магний в пиротехнике и химической промышленности.
Сплавы магния обладают малой плотностью, высокой удельной прочностью, хорошо поглощают вибрации, что определило их широкое использование в авиационной и ракетной технике. Однако сплавы магния имеют низкий модуль нормальной упругости 43000МПа и плохо сопротивляются коррозии.
Литейные сплавы. Широко применяется сплав МЛ5, в котором сочетаются высокие механические и литейные свойства. Он используется для литья нагруженных крупногабаритных отливок.
Сплав МЛ6 обладает лучшими литейными свойствами, чем МЛ5, и предназначается для изготовления тяжелонагруженных деталей.
Сплав МЛ5 – sв=226МПа, s0.2=85МПа, d=5%.
Деформируемые сплавы изготовляют в виде горячекатаных прутков, полос, профилей, а также поковок и штамповых заготовок.
Сплав МА1 обладает сравнительно высокой технологической пластичностью, хорошей свариваемостью и коррозионной стойкостью.
Сплав МА2-1 обладает достаточно высокими механическими свойствами, хорошей свариваемостью, однако склонен к коррозии под напряжением, поддается всем видам листовой штамповки и легко прокатывается.
Сплав МА1 - sв=190-220МПа, s0.2=120 - 140МПа, d=5 - 10%.
Чистый магний из-за малой коррозионной стойкости и малой прочности для сварных конструкций непригоден. В качестве конструкционного материала применяют сплавы магния с алюминием, марганцем, церием и др. (табл. 1.2.3).
Из всех конструкционных материалов магниевые сплавы отличаются наименьшей плотностью (в 4 раза меньше, чем у стали), что обусловливает их применение для конструкций, у которых масса является основным показателем.
В отличие от алюминиевых, сплавы на основе магния и их сварные соединения, имеют меньшую пластичность.
Маркируют магниевые сплавы буквой М с другой рядом стоящей буквой А для обрабатываемых сплавов и Л для литейных сплавов.
Собственная окисная пленка слабо защищает металл от воздействия атмосферы и влаги даже при комнатной температуре.
Таблица 1.2.3. Состав и свойства магниевых сплавов, наиболее часто применяемых при сварке.
| Марка сплава | Содержание элементов (не более) или пределы, % | ||||||
| Mg | Mn | Al | Cl | Сu | Be | Ni | |
| МА-1 МА-2 МА-3 | «Основа» | 1,3-1,5 0,15-0,5 1,5-2,5 | 0,3 3-4 0,3 | - - 0,15-0,5 | 0,05 0,05 0,05 | 0,02 0,02 0,02 | 0,01 0,005 0,01 |
| Марка сплава | Содержание элементов (не более) или пределы, % | Механические свойства | |||||
| Zn | Si | Fe | Другие элементы | σв, кгс/мм2 | σ0.2, кгс/мм2 | σ, % | |
| МА-1 МА-2 МА-3 | 0,3 0,2-0,8 0,3 | 0,15 0,1 0,15 | 0,15 0,1 0,05 | 0,2 0,3 0,2 | 19-21 24 22-23 | 10-12 14 13-14 | 3-5 5 12-14 |
Проникая сквозь рыхлую пленку, кислород непрерывно взаимодействует с внутренними слоями металла. Для повышения коррозионной стойкости его поверхность покрывают искусственной хроматной защитной пленкой.
При повышении температуры окисление магния резко усиливается, что затрудняет его сварку. Магниевые сплавы необходимо тщательно очистить от окиси магния и защитной пленки до начала сварки, а затем нанести защитную пленку на поверхность сварного соединения. Длительное хранение металла после зачистки до сварки ухудшает качество швов.
Сплавы на основе титана.
Лёгкость, высокая прочность в интервале температур от криогенных (-250º С) до умеренно высоких (300º - 600º С) и отличная коррозионная стойкость обеспечивают титановым сплавам хорошие перспективы применения в качестве конструкционных материалов во многих областях, в частности в авиации и других отраслях транспортного машиностроения.
Титановые сплавы получают путём легирования титана следующими элементами (числа в скобках - максимальная для промышленных сплавов концентрация легирующей добавки в % по массе): Al (8), V (16), Mo (30), Mn (8), Sn (13), Zr (10), Cr (10), Cu (3), Fe (5), W (5), Ni (32), Si (0,5); реже применяется легирование Nb (2) и Та (5).
Как микродобавки применяются Pd (0,2) для повышения коррозионной стойкости и В (0,01) для измельчения зерна. Легирующие добавки имеют различную растворимость в a и b-Ti и изменяют температуру a/b-превращения. Алюминий, а также кислород и азот, предпочтительнее растворяющиеся в a-Ti, повышают эту температуру по мере увеличения их концентрации, что ведёт к расширению области существования a-модификации; такие элементы называются a-стабилизаторами. Sn и Zr хорошо растворяются в обеих аллотропических модификациях титана и очень мало влияют на температуру a/b-превращения; они относятся к так называемым нейтральным упрочнителям. Все остальные добавки к промышленным титановым сплавам предпочтительнее растворяются в b-Ti, являются b-стабилизаторами и снижают температуру полиморфного превращения титана. Их растворимость в a и b-модификациях титана меняется с температурой, что позволяет упрочнять сплавы, содержащие эти элементы, путём закалки и старения.
В связи с наличием полиморфизма титана и его способностью образовывать твёрдые растворы и химические соединения со многими элементами диаграммы состояния титановые сплавы отличаются большим разнообразием. Однако в промышленных титановых сплавах концентрация легирующих элементов, как правило, не выходит за пределы твёрдых растворов на основе a-Ti и b-Ti и металлидные фазы обычно не наблюдаются.
В нелегированном титане, а также в сплавах титана с a-стабилизаторами и нейтральными упрочнителями нельзя зафиксировать высокотемпературную b-модификацию путём закалки ввиду наличия мартенситного превращения, в результате которого образуется вторичная a-фаза игольчатой формы. В сплавах же с b-стабилизаторами можно, в зависимости от концентрации, зафиксировать любое количество b-фазы вплоть до 100%. На сплошную b-структуру могут закаливаться двойные сплавы, содержащие не менее 4% Fe, 7% Mn, 7% Cr, 10% Mo, 14% V, 35% Nb, 50% Ta - эти концентрации называются критическими.
В закалённых сплавах докритического и критического составов (b-фаза является нестабильной и при последующей низкотемпературной обработке (старении) распадается с образованием дисперсных выделений вторичной a-фазы, что даёт эффект упрочнения. В сплавах закритического состава (например, Ti - 30% Mo) образуется стабильная b-фаза и эффекта упрочнения не наблюдается.
Общепринято деление промышленных титановых сплавов на 3 группы по типу структуры. К сплавам на основе a-структуры относятся сплавы с Al, Sn и Zr, а также с небольшим количеством b-стабилизаторов (0,5-2%). Ввиду незначительного количества или даже отсутствия в их структуре b-фазы они практически не упрочняются термической обработкой и поэтому относятся к категории сплавов средней прочности (sb = 700-950 Мн/м²; или 70-95 кгс/мм²). Листовая штамповка этих титановых сплавов возможна только в горячую. Достоинства a-сплавов - отличная свариваемость, высокий предел ползучести и отсутствие необходимости в термической обработке, а также отличные литейные свойства, что важно для фасонного литья. Малолегированные a-сплавы, а также относимый к этой группе технический титан, имеющие предел прочности менее 700 Мн/м2 (70 кгс/мм2), поддаются листовой штамповке вхолодную. Двухфазные a+ b-сплавы - наиболее многочисленная группа промышленных титановых сплавов. Эти сплавы отличаются более высокой технологической пластичностью, чем a-сплавы, и вместе с тем могут быть термически обработаны до очень высокой прочности (sb = 1500-1800 Мн/м², или 150-180 кг/мм²); они могут обладать высокой жаропрочностью. К недостаткам двухфазных сплавов следует отнести несколько худшую свариваемость по сравнению со сплавами предыдущей группы, так как в зоне термического влияния возможно появление хрупких участков и образование трещин, для предотвращения чего требуется специальная термическая обработка после сварки. Сплавы на основе b-структуры имеют наиболее высокую технологическую пластичность и хорошо поддаются листовой штамповке вхолодную; после старения приобретают высокую прочность; хорошо свариваются, но сварные соединения нельзя подвергать упрочняющей термической обработке из-за охрупчивания, что ограничивает применение сплавов этого типа. Другим недостатком (b-сплавов является сравнительно невысокая предельная рабочая температура - примерно 300ºС; при более высоких температурах большинство сплавов этого типа становится хрупким.