Теоретична частина. Титан-легкий метал, його щільність при 0° С складає всього 4,517 г/см3, а при 100° С – 4,506 г/см3

Титан -легкий метал, його щільність при 0° С складає всього 4,517 г/см³, а при 100° С – 4,506 г/см³. Титан відноситься до групи металів з питомою масою менш 5 г/см3. Сюди входять усі лужні метали (натрій, кадій, літій, рубідій, цезій) з питомою масою 0,9–1,5 г/см3, магній (1,7 г/см³), алюміній (2,7 г/см³) і ін. Титан більш ніж у 1,5 рази важчий алюмінію, і в цьому він, звичайно, йому програє, але зате в 1,5 рази легше заліза (7,8 г/см³). Однак, займаючи по питомій щільності проміжне положення між алюмінієм і залізом, титан по своїх механічних властивостях у багато разів їх перевершує.

Які ж ці властивості, що дозволяють широко використовувати титан як конструкційний матеріал? Насамперед міцність металу, тобто його здатність пручатися руйнуванню, а також необоротній зміні форми (пластичні деформації). Титан має значну твердість: він у 12 разів твердіше алюмінію, у 4 раз-заліза і міді. Ще одна важлива характеристика металу – границя текучості. Чим він вище тим краще деталі з цього металу пручаються експлуатаційним навантаженням. Границя текучості в титану майже в 18 разів вище, ніж в алюмінію. Питома міцність сплавів титану може бути підвищена в 1,5–2 рази. Його високі механічні властивості добре зберігаються при температурах аж до кількох сотень градусів.

Чистий титан придатний для будь-яких видів обробки в гарячому і холодному стані: його можна кувати, як залізо, витягати і навіть робити з нього дріт, прокочувати в аркуші, стрічки, у фольгу товщиною до 0,01 мм.

Титан має ще одну чудову властивість – виняткову стійкість в умовах кавітації, тобто при посиленій "бомбардуванні" металу в рідкому середовищі пухирцями повітря, що утворяться при швидкому чи русі обертанні металевої деталі в рідкому середовищі. Ці пухирці повітря, лопаючись на поверхні металу, викликають дуже сильні мікроудари рідини об поверхню тіла, що рухається. Вони швидко руйнують багато матеріалів, і метали в тому числі, а от титан прекрасно протистоїть кавітації. Іспиту в морській воді швидкообертаючихся дисків з титану й інших металів показали, що при обертанні протягом двох місяців титановий диск практично не втратив у масі. Зовнішні краї його, де швидкість обертання, а отже, і кавітація максимальні, не змінилися. Інші диски не витримали іспиту: у всіх зовнішні краї виявилися ушкодженими, а багато хто з них зовсім зруйнувалися.

Титан володіє ще однією дивною властивістю–"пам'яттю". У сплаві з деякими металами (наприклад, з нікелем, і особливо з нікелем і воднем) він "запам'ятовує" форму виробу, що з нього зробили при визначеній температурі. Якщо такий виріб потім деформувати, наприклад, згорнути в пружину, зігнути, то воно залишиться в такім положенні на довгий час. Після нагрівання до тієї температури, при якій цей виріб був зроблений, воно приймає первісну форму.

Титан має порівняно низьку теплопровідність, всього 22,07 Ут/(мк), що приблизно в 3 рази нижче теплопровідності заліза, у 7 разу-магнію, у 17–20 разу-алюмінію і міді. Відповідно і коефіцієнт лінійного термічного розширення в титану нижче, ніж в інших конструкційних матеріалів: при 20 С він у 1,5 рази нижче чим у заліза, у 2 - у міді і майже в 3 - в алюмінію.

Таким чином, титан – поганий провідник електрики і тепла. Проводів з нього не зробиш, а от те, що він один з далеко не всіх металів є при низьких температурах надпровідником електрики, відкриває йому великі перспективи в електричній техніці, передачі енергії на великі відстані. Титан – парамагнітний метал: він не намагнічується, як залізо, у магнітному полі, але і не виштовхується з нього, як мідь. Його магнітна сприйнятливість дуже слабка, ця властивість можна використовувати при будівництві, наприклад, немагнітних кораблів, приладів, апаратів.

На відміну від більшості металів титан володіє значним електроопором: якщо електропровідність срібла прийняти за 100, то електропровідність міді дорівнює 94, алюмінію – 60, заліза і платини –15, а титану-всього 3,8. Навряд чи потрібно пояснювати, що ця властивість, як і немагнітність, становить інтерес для радіоелектроніки й електротехніки.

Виготовлені в нашій країні сплави титану можна розділити на три групи.

Сплави з α-структурою ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ОТ4-0, ОТ4-1. Ця група сплавів відрізняється гарною зварюваністю та термічною стабільністю, тобто відсутністю крихкості при спільному тривалому впливі високих температур і напруг.

Сплави з α- + β-структурою ВТ14, ВТ9, ВТ8, ВТ6, ВТ6С, ВТ3-1, ВТ22, ВТ23. Завдяки більш пластичній бета фазі ці сплави більш технологічні і краще оброблюються тиском, ніж альфа сплави.

Сплави з β-структурою. Це деякі дослідні сплави ВТ15, ТС6 з високим змістом хрому та молібдену. Ці сплави поєднують хорошу технологічну пластичність з дуже високою міцністю та хорошою зварюваністю.

Алюміній – метал срібно-білого кольору, має гранецентровану кубічну Радку з параметром α = 0,4041 нм; характеризується малою густиною (γ = 2700кг/мі), низькою температурою плавлення (tп = 660єС), високими пластичністю, тепло- та електропровідністю, доброю зварюваністю й оброблюваністю різанням. Алюміній у відпаленому стані має σв = 80..100 МПа, 25…30НВ, велику пластичність(δ = 35…40%). Водночас алюміній характеризується низькою міцністю та твердістю. На повітрі він покривається тонкою щільною плівкою Al2O3, яка надійно захищає його від корозії. Сталими домішками алюмінію є залізо, кремній, мідь, магній, марганець, цинк, титан та ін. Домішки зумовлюють погіршення фізико-хімічних властивостей і пластичності алюмінію, через що їх вміст строго обмежують. Залежно від сумарної частки домішок первинний алюміній поділяють на алюміній особливої, високої та технічної чистоти.

Сплави алюмінію. Найбільшого поширення набули сплави Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg та інші. Всі сплави алюмінію можна розділити на деформуючі, призначені для одержання напівфабрикатів (листів, плит, прутків і т. д.), а також поковок і штампових заготовок шляхом прокатки, пресування, кування та штампування, і ливарні, призначені для фасонного лиття.

Сплави алюмінію, володіючи гарною технологічністю у всіх стадіях переділу, малою щільністю, високою корозійною стійкістю, при достатній міцності, пластичності і в'язкості знайшли широке застосування в авіації, суднобудуванні, будівництві та інших галузях народного господарства.

Деформуючі алюмінієві сплави зміцнюється термічною обробкою дуралюміна. Дюралюмінами називаються сплави Al-Cu-Mg, в які додатково вводять марганець. Типовим дуралюміном є сплав Д1.

Марганець підвищує стійкість дуралюміна проти корозії, а будучи присутнім у вигляді дисперсних частинок фази Т, підвищує температуру рекристалізації і покращує механічні властивості.

Дуралюмін, що виготовляється в листах, для захисту від корозії піддають плакуванню, тобто покриттю тонким шаром алюмінію високої чистоти.

З сплаву Д16 виготовляють обшивки, шпангоути, стрингера і лонжерони літаків, силові каркаси, будівельні конструкції, кузова вантажних автомобілів і т.д.

Сплави Авіаль (АВ). Ці сплави поступаються дюралюмінам по міцності, але мають кращу пластичність в холодному і гарячому станах. Авіаль задовільно обробляється різанням (після гартування і старіння) і зварюється контактним і аргонодуговим зварюванням. Сплав має високу загальну опірність корозії.

З сплаву АВ виготовляють різні напівфабрикати (листи, труби і т.д.), що використовуються для елементів конструкцій, що несуть помірні навантаження, крім того, лопасті гвинтів вертольотів, ковані деталі двигунів, рами, двері, для яких потрібна висока пластичність в холодному і гарячому станах.

Високоміцні сплави. Межа міцності цих сплавів досягає 550-700 МПа, але при меншій пластичності, ніж у дуралюмінієвих. Представником високоміцних алюмінієвих сплавів є сплав В95.

При збільшенні вмісту цинку та магнію міцність сплавів підвищується, а їх пластичність і корозійна стійкість знижуються. Добавки марганцю та хрому покращують корозійну стійкість. Сплави мають гарну пластичність в гарячому стані і порівняно легко деформуються в холодному стані після відпалу. Сплав В95 добре обробляється різанням і зварюється точковим зварюванням, його застосовують у літакобудуванні для навантажених конструкцій, що працюють тривалий час при t <= 100ё 120 ° С. Сплав В95 рекомендується для стислих зон конструкцій і для деталей без концентраторів напружень.

Сплави для кування і штампування. Сплави цього типу відрізняються високою пластичністю і задовільним ливарними властивостями, що дозволяють отримати якісні злитки.

Сплав АК6 використовують для деталей складної форми та середньої міцності, виготовлення яких вимагає високої пластичності в гарячому стані. Сплав АК8 рекомендують для важконавантажених штампованих деталей.

Жароміцні сплави. Ці сплави використовують для деталей, що працюють при температурі до 300°С. Жароміцні сплави мають більш складний хімічний склад, ніж розглянуті вище алюмінієві сплави. Їх додатково легують залізом, нікелем і титаном. Деформуючі алюмінієві сплави, не зміцнюється термічною обробкою. До цих сплавів відносяться сплави алюмінію з марганцем або з магнієм. Зміцнення сплавів досягається в результаті утворення твердого розчину і в меншій мірі надлишкових фаз.

Сплави легко обробляються тиском, добре зварюються і володіють високою корозійною стійкістю. Обробка різанням ускладнена.

Ливарні алюмінієві сплави поділяються на 4 групи:

1. Сплави Al-Si (силуміни). Відрізняються високими ливарними властивостями, а виливки - великою щільністю. Сплави Al-Si (АЛ2, АЛ4, АЛ9) порівняно легко обробляються різанням. Заварку дефектів можна виробляти газовим та аргонодуговим зварюванням.

2. Мідні силуміни порівняно з силумінами мають трохи гірші ливарні властивості, але кращі механічні. Їх марки АК5М, АК8М3, АК12М2МгН та ін. Числа після літер К, М, Н і Мг відповідають середній масовій частці(в%) кремнію, міді, нікелю і магнію. Коли число після літери відсутнє, масова частка елемента становить близько 1%.

3. Сплави третьої групи, основними компонентами яких є Al і Cu, мають серед ливарних сплавів найвищу міцність (σв = 300…500 МПа) й пластичність (δ = 4…12%). Вони легко обробляються різанням, добре зварюються, але виявляють малу корозійну тривкість й мають низькі ливарні властивості. Додаткове легування титаном і марганцем сприяє росту міцності й поліпшенню ливарних властивостей. Виділення інтерметалевих фаз Al12Mn2Cu і Al3Ti на границях зерен твердого розчину підвищує жароміцність сплавів до 300⁰С.

4. Магналії – належать до системи Al-Mg. вони легко обробляються різанням, тривкі до корозії, задовільно міцні та пластичні, їх ливарні властивості погані.

Залізо. Фізичні властивості заліза залежать від супеню його чистоти. Чисте залізо є досить пластичним металом сріблясто-білого кольору. Густина заліза становить 7,87 г/см³. Температура плавлення становить 1539°С. На відміну від багатьох інших металів, залізо виявляє магнітні властивості.

Чисте залізо на повітрі є досить стійким. У практичній діяльності залізо, що застосовується, містить домішки. При нагріванні залізо є досить активним відносно багатьох неметалів.

Залізо широко застосовується в промисловості та побуті. Залізний вік – епоха в розвитку людства, яка почалася на початку першого тисячоліття до нашої ери у зв’язку з розповсюдженням виплавлення заліза та виготовлення залізного знаряддя праці та військової зброї. Залізний вік прийшов на зміну бронзовому віку. Сталь уперше з’явилася в Індії у десятому столітті до нашої ери, чавун – тільки у середні віки. Чисте залізо використовують для виготовлення сердечників трансформаторів і електромагнітів, а також у виробництві спеціальних сплавів. Найбільше на практиці використовують сплави заліза: чавун і сталь. Чавун застосовується у виробництві лиття та сталі, сталь – як конструкційний та інструментальний матеріали, які виявляють стійкість до корозії.

Хід роботи

1. Опрацювати теоретичний матеріал.

2. Порівняти фізичні і механічні властивості сплавів заліза, титану, алюмінію, результати занести до таблиці 5.1. «Фізичні і механічні властивості заліза, титану, алюмінію, їх сплавів»

3. Оформити звіт, зробити висновки.

4. Відповісти на контрольні запитання.

Таблиця 5.1. «Фізичні і механічні властивості заліза, титану, алюмінію, їх сплавів»

Контрольні запитання

1. Які ви знаєте сплави заліза?
2. Які властивості притаманні сплавам заліза?
3. Які ви знаєте сплави алюмінію?
4. Які властивості притаманні сплавам алюмінію?
5. Які ви знаєте сплави титану?
6. Які властивості притаманні сплавам титану?
7. Які властивості притаманні чистому залізу?
8. Які властивості притаманні чистому алюмінію?
9. Які властивості притаманні чистому титану?

Поиск по сайту: