Материалы для космического о приборостроения к.т.н., доцент Л.Н. Курдюмова
advertisement
Материалы для космического о приборостроения к.т.н., доцент Л.Н. Курдюмова Материал – это вещество, свойства которого обуславливают его применение состав материала свойства материала строение (структура) материала Свойства материалов Механические прочность, пластичность, твердость, вязкость, износостойкость, выносливость, ползучесть Физические цвет, плотность, плавление, размягчение, теплопроводность, электрические, магнитные Технологические деформируемость, литейные, свариваемость, закаливаемость, прокаливаемость, обрабатываемость резанием Химические коррозионная стойкость, жаростойкость, радиационная стойкость Эксплуатационные надежность, долговечность Экономические доступность, дешивизна Технические материалы конструкционные металлические специальные (электронной техники) неметаллические металлы, сплавы черные цветные полимеры, пластмассы, резины, стекла, керамика, композиты проводники, полупроводники, диэлектрики, сильномагнитные, слабомагнитные, оптические Требования к конструкционным материалам: • Высокие удельные механические свойства; • Высокая сопротивляемость воздействию рабочей среды; • Высокие надежность и долговечность Алюминий и его сплавы Al плотность 2,7 г/см3 Тпл = 660 оС прочность 80 МПа пластичность 35 % теплопроводность электропроводность коррозионная стойкость Деформируемые алюминиевые сплавы Коррозионно-стойкие а) не упрочняемые ТО Al–Mn (АМц), Al–Mg (АМг2, АМг3, АМг5) б) упрочняемые ТО Al–Cu–Mg (Д1, Д16) Авиаль Al–Cu–Mg–Mn–Si (АВ) Высокопрочные Al–Zn–Mg–Cu (В95, В93) Ковочные Al–Mg–Si–Cu (АК6, АК8) Жаропрочные Al–Cu–Mg–Fe–Ni (АК4-1, Д20) Литейные алюминиевые сплавы Конструкционные Al – Si (АЛ2/АК12, АЛ4/АК9, АЛ5/АК5М) Высокопрочные, жаропрочные Al – Cu (АЛ19/АМ5) Коррозионно-стойкие Al – Mg (АЛ27/АМг10, АЛ23/АМг6) Спеченные алюминиевые сплавы САП-1, САП-2 Магний и его сплавы Mg плотность 1,74 г/см3 Тпл = 650 оС прочность 115 – 200 МПа пластичность 8 – 11 % Деформируемые магниевые сплавы: Mg–Mn (МЛ5); Mg–Al–Zn–Mg (МА2-1); Mg–Zn–Zr (МА14 Литейные магниевые сплавы: Mg–Al–Zn–Mn (МЛ5, МЛ6); Mg–Zn–Zr–Nd (МЛ10); Mg–Zn–Zr (МЛ14) Титан и его сплавы Ti плотность 4,5 г/см3 Тпл = 1668 оС прочность 300-550 МПа пластичность 20-25 % коррозионная стойкость Деформируемые титановые сплавы: Ti–Al (ВТ5); Ti–Al–V (ВТ6); Ti–Al–V–Mo (ВТ14); Ti–Al–Mo–Si (ВТ8) Литейные титановые сплавы: ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л; Порошковые титановые сплавы: ВТ6 Бериллий и его сплавы Be плотность 1,8 г/см3 Тпл = 1284 оС коррозионная стойкость Литейные бериллиевые сплавы: Be–Al–Ni–Zr (ЛБС-1); Be–Al–Ni–Mg–Zr (ЛБС-2); Be–Al–Mg–Cu–Zr (ЛБС-3) Деформируемые бериллиевые сплавы: Be–Ni–Ti (ВБД-1); Be–Al (локеллой) Удельная прочность и жесткость материалов Материал σв, МПа МА10 430 В95 700 ВТ6 1500 03Н18К9М5Т 1750 Бериллий 680 σв /(γ) 24 21 22 23 38 E /(γ) 2,3 2,4 2,6 2,6 16,1 Материалы криогенной техники: Хромоникелевые аустенитные стали 03Х20Н16АГ6, 03Х20Н16АГ6, 07Х13Н4АГ20; 07Х13Г28АНФЛ; Мартенситно-стареющие стали 03Х9К14Н6МЗД, 03Х12Н7К6М4Б; Железо-никелевый сплав инвар 36Н; Алюминиевые сплавы: АМг6, АЛ2; Титановые сплавы: ВТ5-1, ОТ4-1 Медные сплавы: Л63, Л68, ЛЖМц59-1-1, ЛЦ59, БрБ2, БрАЖМц10-3-1,5; БрКМцЗ-1; Радиационно-стойкие материалы: Аустенитные коррозионностойкие стали: 12Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т, 08Х18Н12Б; Аустенитные никель-хромовые жаропрочные сплавы Инконель 718, Инконель 680; Циркониевые сплавы: циркалой-2, циркалой-4, Э125, Э635 Сплавы с ЭПФ: ТН-1 (Ti, 53,5-56,5 % Ni), ТН-1К (Ti, 50,0-53,5 % Ni); Cu–Al–Ni, Cu–Al–Zn Основные свойства сплава ТН-1: Плотность, г/см3 Температура плавления, оС Удельное электросопротивление, 10-8 Омхм Предел прочности, МПа Относительное удлинение, % Предельная деформация, при которой происходит полное восстановление формы, % Реактивное напряжение, МПа Коррозионная стойкость 6,45 – 6,5 1250 - 1310 55 - 60 600 - 800 20 - 40 6-8 300 - 500 Схема космического аппарата с самотрансформирующимися элементами: 1 – антенна; 2 – механический стабилизатор; 3 – излучатель энергии; 4 – солнечная батарея Соединение трубчатых деталей (1) с помощью муфты (2) из металла с памятью формы: а – до сборки; б – после нагрева Тугоплавкие металлы Металл цирконий Zr хром Cr ванадий V гафний Hf ниобий Nb молибден Mo тантал Ta рений Re вольфрам W ρ, г/см3 Тпл, oC Е, ГПа 6,5 1855 74 7,2 1890 250 6,1 1912 128 13,8 2230 138 8,6 2500 105 10,2 2620 330 16,6 3014 184 21 3190 19,3 3380 345 НВ 84 69 157 145 75 134 45 196 Аморфные металлы и сплавы Состав сплава Fe75Si15B10 Fе45Сr25Мo10Р13С7 Fe81B15C2 Fe5Co70Sl10B15 Fе83В17 Свойство Высокая прочность, высокая вязкость Высокая коррозионная стойкость Высокая магнитная индукция насыщения, низкие потери Высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила Постоянство модулей упругости и температурного коэффициента линейного расширения Применение Проволока, армирующие материалы, пружины, режущий инструмент Электродные материалы, фильтры для работы в растворах кислот, морской воде, сточных водах Сердечники трансформаторов, преобразователи, дроссели Магнитные головки и экраны, магнетометры, сигнальные устройства Инварные и элинварные материалы Неметаллические материалы на основе полимеров: • низкая плотность (0,02–0,04 … 1–1,8 г/см3); высокая коррозионная стойкость; высокие диэлектрические свойства; хорошая окрашиваемость в любые цвета. оптические свойства у прозрачных пластмасс; механические свойства широкого диапазона. Ряд пластиков по своей механической прочности сопоставимы с металлическими материалами; антифрикционные свойства; высокие теплоизоляционные свойства; хорошие технологические свойства; невысокая теплостойкость (100–120 °С); низкая твердость, склонность к старению, ползучесть Термопласт Диапазон рабочих температур, ºС Полиэтилен –70...+70 Полипропилен –20...+130 Полистирол –40...+65 ПВХ –40...+70 ПММА (оргстекло) –60...+100 Поликарбонаты Политетрафторэтилен (тефлон) –100...+135 –269...+260 Область применения Упаковка, ненагруженные детали машин и оборудования, футляры, покрытия Трубы, детали автомобилей, элементы холодильников, емкости, упаковка Радиотехническое оборудование, электроизоляция Химическое оборудование, трубы, детали машин, элементы насосов и вентиляторов, упаковка, покрытие полов, искусственная кожа, оконные рамы Детали освещения и оптики, остекление в самолетостроении, на наземном и водном транспорте Точные детали машин и аппаратуры, радио- и электротехника, фотографические пленки Химическая, электротехническая, машиностроительная промышленность, криогенная техника Функциональный тип керамики Механокерамика Используемые свойства и характеристики Твердость, прочность, модуль упругости, вязкость разрушения, триботехнические свойства, ТКЛР, термостойкость Область применения Детали для тепловых двигателей, уплотнительные, антифрикционные и фрикционные детали, режущий инструмент, пресс-инструмент, направляющие и другие износостойкие детали Si3N4, ZrO2, SiC, TiB2, ZnB2, TiC, TiN, WC, B4C, Al2O3, BN, композиты Используемые соединения Функциональный тип керамики Используемые свойства и характеристики Область применения Используемые соединения Ядерная керамика Радиационная стойкость, жаропрочность, жаростойкость, сечение захвата нейтронов, огнеупорность, радиоактивность Ядерное горючее, футеровка реакторов, экранирующие материалы, поглотители излучения, поглотители нейтронов UO2, UO2 – PuO2, UC, US, ThS, SiC, B4C, Al2O3, BeO Функциональный тип керамики Используемые свойства и характеристики Электрокерамика Область применения Интегральные схемы, конденсаторы, зажигатели, нагреватели, термисторы, транзисторы, фильтры, солнечные батареи, твердые электролиты BeO, MgO, Y2O3, ZnO, Al2O3, ZrO2, SiC, B4C, TiC, CdS, Si3N4, титанаты Используемые соединения Электропроводность, электроизоляционные и пьезоэлектрические свойства Функциональный тип керамики Магнитокерамика Используемые свойства и характеристики Магнитные свойства Область применения Головки магнитной записи, магнитные носители, магниты Используемые соединения Магнитомягкие и магнитотвердые ферриты Функциональный тип керамики Используемые свойства и характеристики Оптокерамика Область применения Лампы высокого давления, лазерные материалы, световоды, элементы оптической памяти, экраны дисплеев, модуляторы Al2O3, MgO, Y2O3, ZrO2, CdS, ZnS, SiO2, TiO2, ThO2 Используемые соединения Прозрачность, поляризация, флуоресценция Функциональный тип керамики Сверхпроводящая керамика Используемые свойства и характеристики Электропроводность Область применения Линии электропередач, накопители энергии, интегральные схемы, МГДгенераторы, железнодорожный транспорт на магнитной подвеске Оксидные системы: La–Ba–Cu–O, La–Sr–Cu–O, Y–Ba–Cu–O Используемые соединения Удельная прочность и удельный модуль упругости различных материалов Группы по назначению Область применения порошковой металлургии и примеры изделий Конструкционные материалы Автомобильная и тракторная промышленность, сельскохозяйственное машиностроение, производство бытовых машин, станкостроение, приборостроение и др. (шестерни, зубчатые колёса, звёздочки, втулки, кольца, фланцы, пальцы, детали кулачкового механизма, рычаги, защёлки дверных замков) Твердые сплавы Режущий инструмент Антифрикционные материалы Подшипники («самосмазываемость» и хорошая прирабатываемость в за счёт деформации объёма пор) Фрикционные материалы Детали тормозных устройств Пористые материалы (15 – 30 % объемных пор) Металлические фильтры для тонкой очистки жидкостей и газов от различных примесей; пористые элементы для химических реакций и транспорта сыпучих материалов в «кипящем слое»; пористые материалы для топливных элементов; теплообменные металлические трубы с пористым слоем из порошков меди, никеля, нержавеющей стали Электротехнические материалы Контакты и токосъемники (вольфрам – медь, серебро – графит и др.); электроды для газоразрядных ламп Магнитные материалы Постоянные магниты на основе железа–никеля–алюминия (ални) и железа–никеля–алюминия–кобальта (алнико); ферриты Жаропрочные материалы Детали машин и приборов Медицина Протезирование, имплантология Основные физико-механические свойства чистых металлов при 300К Параметр Ag Au Cu плотность, г/см3 10,5 19,3 8,96 960 1063 1083 Тпл, ºС Al Fe 2,7 660 7,87 1539 W Na 19,3 0,97 3400 98 0,01 0,02 0,04 0,017 0,027 0,097 0,055 , мкОм∙м 5 25 7 4,1 3,95 4,33 4,1 6,25 5,0 5,5 ТК 10-3, К-1 270 80 550– 200 150 350 – прочность, МПа 375 165 3500 27 14 пластичность, % 55 40 50 2 19 1,5 1,75 Основные физико-механические свойства сплавов высокого сопротивления Параметр Манганин МНМц3-12 Константан МНМц40-1,5 Нихром Х20Н80 плотность, г/см3 8,4 8,9 7,1–7,5 7,1–7,5 6,9–7,3 0,42–0,48 0,48–0,52 1,0–1,1 1,2–1,35 1,3–1,4 , мкОм∙м 6–50 –(5–25) 100–200 100-120 65 ТК 10-3, К-1 6–50 –(5–25) 100–200 100-120 65 прочность, МПа 450–00 – 650–700 700 800 пластичность, % Предельная Траб, °С 15–30 20–40 20 20 10–15 60 (200) 400 1100 900 1200 Тпл, ºС Фехраль Фехраль Х13Ю4 Х23Ю5 Параметры некоторых сверхпроводниковых материалов Материал Иридий (Ir) Алюминий (Al) Олово (Sn) Ртуть (Hg) Свинец (Pb) Тантал (Ta) Tс, К 0,14 1,2 3,7 4,2 7,2 4,5 Материал Сплав 44 % Nb + 56 % Ti Сплав 50 % Nb + 50 % Zr Tс, К Галлид ванадия V3Ga 14 Ванадий (V) 5,3 Станнид ниобия Nb3Sn 18 Ниобий (Nb) 9,4 Керамика Hg–Ba–Ca–Cu–O 135 8,7 9,5 Зависимость ширины запрещенной зоны от состава твердых растворов на основе соединений AIIIBV Сегнетоэлектрики: 1. Ионные кристаллы – BaTiO3, PbTiO3, KTiO3, BaNaNb5O15. 2. Дипольные кристаллы – сегнетова соль NaKC4H4O6х4H2O, NaNO3, KH2PO4 Пьезоэлектрики: 1. Монокристаллические – кварц SiO2, LiNbO3, ZnS, ZnO, BaTiO3 2. Керамические – BaTiO3, PbZrO3–PbTiO3 Жидкие кристаллы Нематические ЖК Смектические ЖК Холестерические ЖК Материал Технически чистое железо Электролитическое железо Карбонильное железо Электротехническая нелегированная сталь Пермаллои низконикелевые (Ni ~40–50 %) Пермаллои высоконикелевые (Ni ~79 %) Супермаллой (Ni ~79 %, Fe ~15 % Mo ~5 %, Mn ~0,5 %) Альсифер Феррит никель-цинковый Феррит нач max BS, Тл Hc, А/м , мкОм∙м 250–400 3 500–4 500 2,18 40–100 0,1 600 15000 2,18 30 0,1 2 000– 3 000 20 000–21 000 2,18 6,4 0,1 – 3 500–4 500 2,18 64–96 0,1 2 000– 4 000 15 000–60 000 1,3 5–32 0,45–0,9 15 000– 100 000 70 000– 300 000 0,7 0,65–4 0,16–0,85 100 000 600 000– 1 500 000 0,79 0,3 0,6 35 400 117 000 1,8 0,8 10–2 000 40–7 000 0,2 1700–8 10– Ом∙м 1 800–35 000 0,15 28–0,25 –20 Ом∙м 700– Материал Мартенситные стали (легирующие элементы Cr, W, Co): ЕХ3, ЕВ6, ЕХ5К5 Литые сплавы Fe–Ni–Al (ЮНД): ЮНД4Б; Fe–Ni–Al–Co (ЮНДК): ЮНДК15 Сплавы Pt–Co: ПлК78, ПлК76 Магнитотвердые ферриты BaOnFe2O3,SrOnFe2O3, CoOnFe2O3 Сплавы Co–РЗМ Металлокерамические магниты Магнитоэласты Br, Тл Hc, кА/м 0,8–1 4,5–12 0,5–1,4 40–110 0,7–0,8 300–400 0,2–0,4 125–215 0,8–0,9 0,48–1,1 0,13 500 24–128 84 Спасибо за внимание
