1 Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве. В зависимости от состояния углерода в чугуне, различают: Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида, и чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, что определяет прочностные свойства сплава, чугуны подразделяют на: 1) серые - пластинчатая или червеобразная форма графита; 2) высокопрочные - шаровидный графит; 3) ковкие - хлопьевидный графит. Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления δ_в при растяжении в МПа^-10. Серый чугун обозначают буквами "СЧ" (ГОСТ 1412-85), высокопрочный - "ВЧ" (ГОСТ 7293-85), ковкий - "КЧ" (ГОСТ 1215-85). СЧ10 - серый чугун с пределом прочности при растяжении 100 МПа; ВЧ70 - высокопрочный чугун с сигма временным при растяжении 700 МПа; КЧ35 - ковкий чугун с δ_в растяжением примерно 350 МПа. Для работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из антифрикционного чугуна АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ - антифрикционный чугун: С - серый, В - высокопрочный, К - ковкий. А цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585-79.

2 Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержание до 2,14% углерода. Кроме того, в состав сплава обычно входят марганец, кремний, сера и фосфор; некоторые элементы могут быть введены для улучшения физико-химических свойств специально (легирующие элементы). Стали, классифицируют по самым различным признакам. Мы рассмотрим следующие: 1. Химический состав. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые (ГОСТ 380-71, ГОСТ 1050-75) и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79). В свою очередь углеродистые стали могут быть: A) малоуглеродистыми, т. е. содержащими углерода менее 0,25%; Б) среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,25-0,60% B) высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60% Легированные стали подразделяют на: а) низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5% б) среднелегированные, в их состав входят от 2,5 до 10% легирующих элементов; в) высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов. 2. Назначение. По назначению стали бывают:

1. конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий.

2. Инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65% углерода.

3. С особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар.

4. С особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.

3. Качество. В зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора-стали подразделяют на:

1. Стали обыкновенного качества, содержание до 0.06% серы и до 0,07% фосфора.

2. Качественные - до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.

3. Высококачественные - до 0.025% серы и фосфора.

4. Особовысококачественные, до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.

4. Степень раскисления.

4. По степени удаления кислорода из стали, т. е. По степени её раскисления, существуют:

1. спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами “сп” в конце марки (иногда буквы опускаются);

2. кипящие стали - слабо раскисленные; маркируются буквами "кп";

3. полу спокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".

Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 группы:

1. сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора);

2. сталь группы Б - по химическому составу;

3. сталь группы В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности σ, относительное удлинение δ%, предел текучести δ_т, изгиб в холодном состоянии) сталь каждой группы делится на категории, которые обозначаются арабскими цифрами. Стали обыкновенного качества обозначают буквами "Ст" и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер. Буква "Г" после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали. Перед маркой указывают группу стали, причем группа "А" в обозначении марки стали не ставится. Для указания категории стали к обозначению марки добавляют номер в конце соответствующий категории, первую категорию обычно не указывают. Например: Ст1кп2 - углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А); ВСт5Г - углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца, спокойная, № марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В); Вст0 - углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории (стали марок Ст0 и Бст0 по степени раскисления не разделяют). Качественные стали маркируют следующим образом:

1. в начале марки указывают содержание углерода цифрой, соответствующей его средней концентрации;

а) в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,65% углерода; 05кп – сталь углеродистая качественная, кипящая, содержит 0,05% С; 60 – сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,60% С; б) в десятых долях процента для индустриальных сталей, которые дополнительно снабжаются буквой "У": У7 – углеродистая инструментальная, качественная сталь, содержащая 0,7% С, спокойная (все инструментальные стали хорошо раскислены); У12 - углеродистая инструментальная, качественная сталь, спокойная содержит 1,2% С; 2) легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами: А – азот К – кобальт Т – титан Б – ниобий М – молибден Ф- ванадий В – вольфрам Н – никель Х – хром Г – марганец П – фосфор Ц – цирконий Д – медь Р – бор Ю – алюминий Е – селен С – кремний Ч – редкоземельные металлы Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0,8-1,5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0,2-0,3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,0010%). Примеры: 14Г2 – низко легированная качественная сталь, спокойная, содержит приблизительно 14% углерода и до 2,0% марганца. 03Х16Н15М3Б - высоко легированная качественная сталь, спокойная содержит 0,03% C, 16,0% Cr, 15,0% Ni, до З,0% Мо, до 1,0% Nb. Высококачественные и особовысококачественные стали. Маркируют, так же как и качественные, но в конце марки высококачественной стали ставят букву А, (эта буква в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, специально введённого в сталь), а после марки особовысококачественной - через тире букву "Ш". Например: У8А - углеродистая инструментальная высоко качественная сталь, содержащая 0,8% углерода; 30ХГС-III – особовысококачественная среднелегированная сталь, содержащая 0,30% углерода и от 0,8 до 1,5% хрома, марганца и кремния каждого. Отдельные группы сталей обозначают несколько иначе. Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами "ШХ", после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента: ШХ6 - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 0,6% хрома; ШХ15ГС - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 1,5% хрома и от 0,8 до 1,5% марганца и кремния. Быстрорежущие стали (сложнолегированные) обозначают буквой "Р", следующая за ней цифра указывает на процентное содержание в ней вольфрама: Р18-быстрорежущая сталь, содержащая 18,0% вольфрама; Р6М5К5-быстрорежущая сталь, содержащая 6,0% вольфрама 5,0% молибдена 5,0% кобольта. Автоматные стали обозначают буквой "А" и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в сотых долях процента: А12 - автоматная сталь, содержащая 0,12% углерода (все автоматные стали имеют повышенное содержание серы и фосфора); А40Г - автоматная сталь с 0,40% углерода и повышенным до 1,5% содержанием марганца.

3Алюминий - легкий металл, обладающий высокими тепло- и электропроводностью, стойкий к коррозии. В зависимости от степени частоты первичный алюминий согласно ГОСТ 11069-74 бывает особой (А999), высокой (А995, А95) и технической чистоты (А85, А7Е, АО и др.). Алюминий маркируют буквой А и цифрами, обозначающими доли процента свыше 99,0% Al; буква "Е" обозначает повышенное содержание железа и пониженное кремния. А999 - алюминий особой чистоты, в котором содержится не менее 99,999% Al; А5 - алюминий технической чистоты в котором 99,5% алюминия. Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Те и другие могут быть не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой. Деформируемые алюминиевые сплавы хорошо обрабатываются прокаткой, ковкой, штамповкой. Их марки приведены в ГОСТ4784-74. К деформируемым алюминиевым сплавам не упрочняемым термообработкой, относятся сплавы системы Al-Mn и AL-Mg:Aмц; АмцС; Амг1; АМг4,5; Амг6. Аббревиатура включает в себя начальные буквы, входящие в состав сплава компонентов и цифры, указывающие содержание легирующего элемента в процентах. К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы системы Al-Cu-Mg с добавками некоторых элементов (дуралюны, ковочные сплавы), а также высокопрочные и жаропрочные сплавы сложного хим.состава. Дуралюмины маркируются буквой "Д" и порядковым номером, например: Д1, Д12, Д18, АК4, АК8. Чистый деформируемый алюминий обозначается буквами "АД" и условным обозначением степени его чистоты: АДоч (>=99,98% Al), АД000(>=99,80% Аl), АД0(99,5% Аl), АД1 (99,30% Al), АД(>=98,80% Аl). Литейные алюминиевые сплавы (ГОСТ 2685-75) обладает хорошей жидко-текучестью, имеет сравнительно не большую усадку и предназначены в основном для фасонного литья. Эти сплавы маркируются буквами "АЛ" с последующим порядковым номером: АЛ2, АЛ9, АЛ13, АЛ22, АЛЗО. Иногда маркируют по составу: АК7М2; АК21М2, 5Н2,5; АК4МЦ6. В этом случае "М" обозначает медь. "К" - кремний, "Ц" - цинк, "Н" - никель; цифра - среднее % содержание элемента. Из алюминиевых антифрикционных сплавов (ГОСТ 14113-78) изготовляют подшипники и вкладыши как литьем так и обработкой давлением. Такие сплавы маркируют буквой "А" и начальными буквами входящих в них элементов: А09-2, А06-1, АН-2,5, АСМТ. В первые два сплава входят в указанное количество олова и меди (первая цифра-олово, вторая-медь в %), в третий 2,7-3,3% Ni и в четвертый медь сурьма и теллур.

41. Медь и её сплавы. Технически чистая медь обладает высокими пластичностью и коррозийной стойкостью, малым удельным электросопротивлением и высокой теплопроводностью. По чистоте медь подразделяют на марки (ГОСТ 859-78):

Марка	МВЧк	MOO	МО	Ml	М2	МЗ
Содержание Cu+Ag, не менее %	99,993	99,99	99,95	99,9	99,7	99,5

После обозначения марки указывают способ изготовления меди: к - катодная, б – бес кислородная, р - раскисленная. Медь огневого рафинирования не обозначается. МООк - технически чистая катодная медь, содержащая не менее 99,99% меди и серебра. МЗ - технически чистая медь огневого рафинирования, содержит не менее 99,5%меди и серебра. Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни. Бронзы- это сплавы меди с оловом (4 - 33% Sn хотя бывают без оловянные бронзы), свинцом (до 30% Pb), алюминием (5-11% AL), кремнием (4-5% Si), сурьмой и фосфором (ГОСТ 493-79 , ГОСТ 613-79, ГОСТ 5017-74, ГОСТ 18175-78). Латуни - сплавы меди с цинком (до 50% Zn) и небольшими добавками алюминия, кремния, свинца, никеля, марганца (ГОСТ 15527-70, ГОСТ 17711-80). Медные сплавы предназначены для изготовления деталей методами литья, называют литейными, а сплавы, предназначенные для изготовления деталей пластическим деформированием - сплавами, обрабатываемыми давлением. Медные сплавы обозначают начальными буквами их названия (Бр или Л), после чего следуют первые буквы названий основных элементов, образующих сплав, и цифры, указывающие кол-во элемента в процентах. Приняты следующие обозначения компонентов сплавов: А – алюминий Мц - марганец С - свинец Б - бериллий Мг – магний Ср – серебро Ж - железо Мш - мышьяк Су – сурьма К – кремний Н – никель Т – титан Кд – кадмий О – олово Ф – фосфор Х – хром Ц - цинк Примеры: БрА9Мц2Л - бронза, содержащая 9% алюминия, 2% Mn, остальное Cu ("Л"' указывает, что сплав литейный); ЛЦ40Мц3Ж - латунь, содержащая 40% Zn, 3% Mn, ~l% Fe, остальное Cu; Бр0Ф8,0-0,3 - бронза на ряду с медью содержащая 8% олова и 0,3% фосфора; ЛАМш77-2-0,05 - латунь содержащая 77% Cu, 2% Al, 0,055 мышьяка, остальное Zn (в обозначении латуни, предназначенной для обработки давлением, первое число указывает на содержание меди). В несложных по составу латунях указывают только содержание в сплаве меди: Л96 - латунь содержащая 96% Cu и ~4% Zn (томпак); Лб3 - латунь содержащая 63% Cu и -37% Zn.

5. Титан и его сплавы. Титан - тугоплавкий металл с невысокой плотностью. Удельная прочность титана выше, чем у многих легированных конструкционных сталей, поэтому при замене сталей титановыми сплавами можно при равной прочности уменьшить массу детали на 40%. Титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, из него можно изготовить сложные отливки, но обработка резанием затруднительна. Для получения сплавов с улучшенными свойствами его легируют алюминием, хромом, молибденом. Титан и его сплавы маркируют буквами "ВТ" и порядковым номером: ВТ1-00, ВТЗ-1, ВТ4, ВТ8, ВТ14. Пять титановых сплавов обозначены иначе: 0Т4-0, 0Т4, 0Т4-1, ПТ-7М, ПТ-3В. 6. Магний и его сплавы. Среди промышленных металлов магний обладает наименьшей плотностью(1700 кг/м³). Магний и его сплавы неустойчивы против коррозии, при повышении температуры магний интенсивно окисляется и даже самовоспламеняется. Он обладает малой прочностью и пластичностью, поэтому как конструкционный материал чистый магний не используется. Для повышения химико-механических свойств в магниевые сплавы вводят алюминий, цинк, марганец и другие легирующие добавки. Магниевые сплавы подразделяют на деформируемые (ГОСТ 14957-76) и литейные (ГОСТ 2856-79). Первые маркируются буквами "МА", вторые "МЛ". После букв указывается порядковый номер сплава в соответствующем ГОСТе. Например: МА1-деформируемый магниевый сплав №1; МЛ19-литейный магниевый сплав №19

7Никель и никелевые сплавы характеризуются высокой коррозионной стойкостью как в обычных атм. условиях, так и во мн. агрессивных средах, что в значит, степени связано со сравнительно высокой термодинамич. устойчивостью никеля и его сплавов в окислительных средах. Среди различных сплавов на никелевой основе представляют большой практич. интерес коррозионно-стойкие сплавы, легированные медью, хромом, молибденом, кремнием.

Сплавы никель — медь. При содержании меди ок. 30% сплавы системы Ni—Си имеют наиболее высокую коррозионную стойкость. Широкое применение имеет деформированный сплав монель-металл, содержащий 30% меди, 1,5—2% железа, 1,5% марганца, остальное— никель. Монель-металл имеет значительно более высокую коррозионную стойкость, чем никель в неокислит, к-тах, содержащих кислород (аэрированные растворы). Монель-металл стоек в растворах плавиковой к-ты всех концентраций (включая безводную плавиковую к-ту) и хорошо сопротивляется воздействию чистой фосфорной к-ты всех концентраций при ограниченном доступе воздуха. При повыш. аэрации или введении окислителен скорость коррозии монель-металла в плавиковой и фосфорной к-тах резко возрастает. В азотной к-те монель-металл разрушается. Монель-металл устойчив в морской воде, при этом застойные условия, так же как для никеля, менее благоприятны. Высокой коррозионной стойкостью характеризуется монель-металл в растворах щелочей и мн. органич. к-тах (при ограниченном доступе кислорода). Монель-металл устойчив в растворах мн. солей, в т. ч. в растворах хлоридов (NaCl, ZnCl2). В кислых растворах солей, содержащих ионы — окислители Fe3 +, Си2 +, N03, монель-металл неустойчив. В атм. условиях сплав чувствителен к примесям сернистых газов. С повышением темп-ры скорость коррозии монель-металла значительно увеличивается во всех средах, за исключением растворов плавиковой к-ты, не содержащих избытка воздуха.

Сплавы никель — хром. Различают железистые и нежелезистые нихромы. Железистые нихромы содержат 60% никеля и 13—15% хрома, остальное — Fe. К железистому нихрому относится также сплав инконель, содержащий 73—75% никеля, 13—15% хрома и 5—6% железа. Нежелезистый нихром обычно содержит ок. 20% . хрома. Железистые и нежелезистые нихромы имеют высокую коррозионную стойкость в сельских и морских атм. условиях.

 

Альта Дженетикс Раша Традиционное и разделенное по полу семя КРС голштинской и др. пород. Покупаем кабельные барабаны б у, деревянные, без повреждений Тепло не покинет Ваш дом с контроллером систем отопления "Кситал GSM". SMS-оповещения! Оригинальные товары для детей в магазине стильных мелочей! Выбирайте, порадуйте любимых! begun

 

В пром. атмосфере, содержащей сернистые газы, нихромы подвержены коррозии. Нихромы весьма устойчивы в пресной воде, а также в движущейся морской воде, застойная морская вода менее благоприятна; они устойчивы также в рудничных водах.

При обычных темп-pax нихромы устойчивы в растворах серной к-ты (до 5%), растворах плавиковой и фосфорной к-т всех концентраций (в т. ч. безводной плавиковой к-те, а также в растворах сероводорода). В азотной к-те особенно высокую коррозионную стойкость имеют сплавы при содержании 20% хрома. В сильно концентрированной азотной к-те (более 96%) и др. сильных окислителях нихромы разрушаются вследствие явления перепассивации. Чем больше содержание хрома в никелевых сплавах, тем более они устойчивы в растворах азотной к-ты; добавки железа при этом повышают устойчивость нихромов. В горячих растворах азотной к-ты стойкость нихромов уступает стойкости хромоникелевой и хромистой нержавеющих сталей. Нихромы устойчивы в растворах солей, в кислых растворах хлоридов, за исключением растворов FeCl3 и СиС12. В органич. к-тах при обычных темп-pax нихромы устойчивы, в кипящих растворах уксусной и муравьиной к-т их коррозионная стойкость резко уменьшается. Нихромы устойчивы в щелочных растворах, за исключением высококонцентрированных (при высоких темп-pax), йапр. 90—98%. NaOH при 375—475°, при этом более устойчивы железистые нихромы. Нихромы также устойчивы в водном растворе аммиака.

Сплавы никель — молибден — железо и никель — молибден— железо — хром. Легирование никеля молибденом резко повышает его коррозионную стойкость в растворах соляной к-ты. Сплавы Ni—Mo имеют также высокую стойкость в растворах серной к-*ы. Практич. применение нашли сплавы, легированные железом, т. к» в этом случае удалось получить сплавы, обрабатываемые давлением по обичной технологии. Сплавы Ni—Mo—Fe дополнительно легируются хромом, вольфрамом и кремнием. Имеются два сплава типа Ni—Mo— Fe: сплав А (ЭИ460), содержащий 20% молибдена и 20% железа, сплав В (ЭИ461) с содержанием 30% молибдена и 5% железа. Оба сплава устойчивы в растворе соляной к-ты. С повышением темп-ры скорость коррозии возрастает, особенно сплава А. Сплав В устойчив в растворах соляной к-ты всех концентраций, вплоть до темп-ры кипения. Сплавы устойчивы в растворе серной к-ты до 50% и при темп-ре до 70°, однако в присутствии окислителей коррозионная стойкость их резко снижается как в серной, так и соляной к-тах. Они также имеют низкую коррозионную стойкость в растворах азотной к-ты. С целью обеспечения высокой коррозионной стойкости сплавов Ni—Mo—Fe в окислит, условиях, их дополнительно лети- руют хромом до 15% и вольфрамом до 5% (сплав С) или только хромом до 20% (сплав F). По стойкости в соляной к-те, не содержащей кислорода, эти сплавы уступают сплаву В, особенно при повыш. темп-pax. Коррозионная стойкость сплавов А и В резко снижается в присутствии ионов Fe3+, Cu2+, в то время как сплавы С и F в этих условиях характеризуются высокой коррозионной стойкостью. Все указанные сплавы устойчивы в органич. к-тах, растворах щелочей, нейтральных и щелочных растворах солей.

Из литейных сплавов на никелевой основе наибольшее применение нашли сплав D и сплав G (иллиум).- Сплав D содержит 10% кремния, 3% меди, он используется для работы в горячих растворах серной к-ты всех концентраций, растворах соляной к-ты средней концентрации и др. неокислит. к-тах и солях. В окислит, кислых средах сплав характеризуется низкой коррозионной стойкостью. Сплав G имеет более сложный состав: 22% хрома, 6% меди, 6% молибдена, 6% железа, иногда содержится до 2% вольфрама и до 1% алюминия. Этот сплав устойчив в серной, азотной, фосфорной к-тах и их смесях, а также в растворах солей. С повышением темп-ры скорость коррозии сплава G увеличивается. Сплав характеризуется высокой коррозионной стойкостью в морской воде. В растворах соляной к-ты и влажном хлоре он имеет недостаточную коррозионную стойкость. В числе литейных сплавов находит применение сплав инконель, содержащий ок. 2% кремния; по коррозионным св-вам он близок к деформированному инконелю. Находят применение также литейные варианты деформируемых сплавов А, В, С, F.

Классы коррозионной стойкости показаны в соответствии с логарифмич. шкалой скорости коррозии по ГОСТ 5272—50: I — совершенно стойкие, скорость коррозии зионная стойкость сплавов F и С подобна коррозионной стойкости нержавеющих сталей, что связано с их высокой способностью к пассивированию вследствие легирования хромом.

В зависимости от величины стационарного потенциала никелевые сплавы, как и нержавеющие стали, могут находиться в активном, пассивном состояниях и состоянии перепассивации (см. Коррозия нержавеющих сталей).

Сплавы на никелевой основе менее чувствительны к структурной коррозии, чем нержавеющие стали, что, по-видимому, связано с большей коррозионной стойкостью никеля в активном состоянии в неокислит, средах по сравнению с железом и хромом. Однако и никелевые сплавы в нек-рых условиях могут проявлять склонность к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. Так, сплавы системы Ni — Си могут подвергаться коррозионному растрескиванию при воздействии ртути и ртутных соединений, растворов кремнефтористоводородной к-ты. Концентрированные растворы едкого натра при высоких темп-pax вызывают коррозионное растрескивание сплавов Ni — Си f нихромов, хотя нихромы отличаются более высоким сопротивлением этому виду разрушения. Сплавы типа нихрома проявляют склонность к точечной коррозии, особенно в застойных условиях морской воды, однако в значительно меньшей степени, чем нержавеющие стали; образующиеся при этом питтинги более широкие и менее глубокие. Особенно сильно проявляется язвенная коррозия в растворе солей хлорноватистой к-ты. Высокой сопротивляемостью к точечной коррозии характеризуется сплав D и сплавы, содержащие молибден.

Никелевые сплавы А, В, С, F после нагрева в интервале 500—700° склонны к межкристаллитной коррозии вследствие обеднения границ зерен молибденом и хромом.

Методы защиты никелевых сплавов от коррозии. Прежде всего должен быть обеспечен правильный выбор сплавов для работы в тех или иных агрессивных средах. В неокислит, агрессивных средах не следует применять сплавы, легированные хромом; в этих условиях как при обычных, так и повыш. темп-pax используют монель- металл и сплавы А, В. Наоборот, сплавы А и В не следует применять в кислых окислит, средах. В соляной к-те при высоких концентрациях и темп-pax, наиболее высокой стойкостью обладает сплав В, дополнительное легирование к-рого сурьмой (0,5%) значительно повышает его коррозионную стойкость. В присутствии окислителей целесообразно использование сплавов, легированных хромом (С, F), в ряде случаев они могут быть заменены нихромами. Для сплавов, содержащих хром, применима анодная защита, при этом сплавы из активного состояния переводятся в пассивное состояние, к-рое поддерживается при крайне незначит, плотности тока. Для борьбы с коррозионным растрескиванием сплавов системы Ni — Си применяется отжиг. Склонность сплавов Ni — Mo — Fe и Ni — Mo—Fe—Сг к межкристаллитной коррозии после нагрева в интервале 500—700° понижается путем легирования ниобием, связывающим углерод в карбиды. Однако эффективность легирования ниобием значительно меньшая, чем нержавеющих сталей. Применяем ся также совместное легирование ниобием и танталом. Для уменьшения склонности к межкристаллитйой коррозии эффективно легирование ванадием до 1,5%.

Для снижения склонности сплавов А и F к межкристаллитной коррозии применяют нагрев до 1000° в течение 1—2 час., для сплавов В и С эта термич. обработка не эффективна. (Об оптимальной термич. обработке никелевых сплавов см. Никелевые сплавы кислотостойкие). В атм. условиях сплавы на основе никеля характеризуются высокой коррозионной стойкостью, особенно в полированном состоянии.

Никель устойчив при нагреве в окислит, атмосфере до 900°, но в присутствии сернистых газов коррозионная стойкость его снижается. Сильно снижают окисление никеля при высоких темп-pax хром, алюминий и кремний, а также небольшие добавки кальция и церия. Наиболее эффективно совместное легирование никелевых сплавов этими элементами. В качестве жаростойкого материала широко применяются нихромы, а в качестве жаростойкого и жаропрочного материала сплавы типа нимоник, дополнительно легированные титаном и алюминием. Исключительно вредной примесью в никелевых сплавах является сера, в присутствии к-рой на границе зерен образуется легкоплавкая эвтектика Ni—Ni3S2, что при высоких темп-pax вызывает склонность сплавов к межкристаллитной коррозии. Для повышения коррозионной стойкости в окислит, и восстановит, атмосферах, содержащих сернистые газы, никель легируют марганцем (до 4,5%) или хромом.

Коррозия никелевых сплавов в расплавленных металлах и гидроокисях. Никель и его сплавы (хастелой А, В, С; инконель; нихромы; монель-металл) обладают высокой коррозионной стойкостью в расплавленном натрии, калии и их сплавах при темп-ре до 650° и перепаде темп-р равном 150°. При более высоких темп-pax коррозионная стойкость их уменьшается. В расплавленном литии никелевые сплавы могут иметь лишь ограниченное применение, при этом хромоникелевые сплавы отличаются более высокой коррозионной стойкостью, а никель и монель-металл более низкой. Никель и его сплавы быстро разрушаются в расплавленном висмуте, свинце и их сплавах. В расплавленном едком натрии никель устойчив до 675°, при более высоких температурах никель растворяется с переносом на холодные участки коммуникаций. Выше 800° отмечается интенсивное растворение. Добавки алюмината натрия и соды уменьшают коррозию никеля. В восстановит, атмосфере (напр., в водороде) уменьшается также растворимость никеля по сравнению с нейтральной и окислит, атмосферами.

8 У некоторых сплавов обнаружено удивительное свойство: помнить свою форму. Работы по изучению и применению таких сплавов ведутся во многих странах. Пружину сжали, а потом отпустили, она тут же вернулась в исходное состояние. То же самое произойдет с изогнутой стальной линейкой, растянутым куском резины... Материал во всех этих случаях восстанавливает свои первоначальные размеры и форму. Это кажется естественным и никого не удивляет. Но так происходит только в пределах упругой деформации. Если же превысить предел упругости материала, наступит пластическая деформация. Теперь, после снятия нагрузки, исходную форму сам он не примет, для этого необходимо продеформировать материал в противоположном направлении. Таковы были общепринятые, привычные представления.

Сравнительно недавно исследователи обнаружили сплавы, которые и после пластической деформации оказались способными «вспоминать» свою первоначальную форму. Представьте себе, что кусок проволоки из такого сплава изогнут так, что он принял форму слова «ПАМЯТЬ». После этого проволока может быть смята. Но стоит ее слегка нагреть, как она снова самостоятельно «напишет» слово «ПАМЯТЬ». Естественно, такие опыты удивляют и воспринимаются скорее как фокус.

Исследование феноменального свойства металлов показало, что его механизм определяется весьма тонкими процессами, происходящими с кристаллической решеткой, в частности явлением, которое получило название «термоупругое равновесие фаз в твердом теле». Сначала оно было предсказано теоретически действительным членом АН УССР Г. В. Курдюмовым, а затем им и его сотрудником Л. Г. Хандросом установлено экспериментально.

Даже популярное изложение существа проблем, связанных с эффектом памяти формы в сплавах, предполагает наличие некоторого обязательного объема сведений из области металловедения.

Мартенситное превращение

Каждый металл и сплав имеет свою кристаллическую решетку, архитектура и размеры которой строго заданы. Но у многих металлов с изменением температуры, давления решетка не остается одной и той же: наступает момент, когда происходит ее перестройка. Такая смена типа кристаллической решетки — полиморфное превращение — может осуществляться двумя способами.

Для наглядности представим себе решетку в виде здания, сложенного из детских кубиков. Как теперь из этих же кубиков (атомов) построить здание другой архитектуры («произвести» полиморфное превращение)? Ответ очевиден: разобрать старое здание и сложить новое. Конечно, теперь каждый кубик может оказаться в любом месте нового здания, в окружении уже других соседей. Это понятно, ведь при перестройке путь любого кубика индивидуален — никак не связан с другими. Именно по такой схеме и происходит перестройка решетки, если подвижность атомов — диффузия — достаточно высока, чтобы обеспечить их перемещение на новые места. Это возможно, когда полиморфное превращение происходит при высокой температуре.

А как произойдет перестройка решетки в тех случаях, когда температура полиморфного превращения низка? С энергетических позиций решетка высокотемпературной модификации обязательно должна перестроиться, но диффузия атомов практически отсутствует, так как энергия их тепловых колебаний недостаточна для отрыва от соседей. Значит, должен существовать другой, бездиффузионный способ?

Действительно, такой способ был обнаружен при изучении одного из древнейших процессов термической обработки стали — закалки. В результате ее образуется фаза с новой кристаллической решеткой — мартенсит; соответственно способ перестройки решетки получил название мартенситного превращения.

В дальнейшем оказалось, что мартенситное превращение — это вообще один из фундаментальных способов перестройки кристаллической решетки. Он характерен не только для сталей, но и для чистых металлов, цветных сплавов, полупроводников, полимеров всегда, когда перестройка решетки вынуждена происходить в отсутствие диффузии.

Каковы же особенности перестройки решетки при таком, бездиффузионном способе превращения? Вернемся к нашей модели с кубиками. Теперь старое здание разобрать на кубики не удастся — диффузия отсутствует. Остается одна возможность: не отрывая кубики друг от друга (не разрушая межатомные связи), перемещать их целыми кооперативами, практически одновременно из старых положений в новые. Ясно, что такое коллективное, согласованное перемещение носит характер сдвига (поэтому мартенситное превращение называют иногда сдвиговым).

Кооперативный сдвиг атомов неизбежно приводит к изменению формы объема сплава. Изменение формы — это главная особенность мартенситного превращения.

Именно с ней связан эффект памяти сплавов. Но не следует думать, что любой сплав, претерпевающий мартенситное превращение, обладает памятью. Как станет ясно из дальнейшего, изменение формы при таком превращении — это условие необходимое, но еще недостаточное для проявления памяти.

В многолетней истории изучения мартенситных превращений можно выделить три ключевых события, которые оказали непосредственное влияние на формирование нового неумного направления, занимающегося изучением и применением эффекта памяти формы в сплавах.

Событие первое. В 1949 году в журнале «Доклады Академии наук СССР» появилась статья Г. В. Курдюмова и Л. Г. Хандроса «О термоупругом равновесии при мартенситных превращениях». Ее авторы в одном из медных сплавов обнаружили ранее неизвестную особенность мартенситного превращения.

Здесь придется обратиться к считавшейся классической картине мартенситного превращения. Свободная энергия рождающихся кристаллов мартенсита меньше, чем исходной фазы. Именно это стимулирует развитие мартенситного перехода. Однако появляются и силы препятствующие. Прежде всего это повышение свободной энергии из-за возникновения границы раздела старой и новой фаз. Кроме того, растущие кристаллы мартенситной фазы вынуждены деформировать окружающую матрицу, которая, конечно, сопротивляется этому. В результате возникает упругая энергия, которая препятствует дальнейшему росту кристаллов. Накопление упругой энергии подобно пружине, сжимающейся по мере роста кристалла. Когда эта энергия превысит предел упругости, происходит как бы разрушение пружины, что вызывает интенсивную деформацию материала в окрестности границы раздела фаз. Рост кристалла прекращается. Этот процесс может происходить исключительно быстро, подобно взрыву, и тогда отдельные кристаллы мартенсита вырастают практически мгновенно до своих конечных размеров. В сталях мартенситное превращение происходит именно так.

Обратный переход мартенсита в аустенит (так называется высокотемпературная фаза стали, из которой он образовался) уже не может произойти по обратному «взрывному» механизму. Пружина была сломана, границы между фазами нарушены, и теперь обратная бездиффузионная, сдвиговая перестройка решетки затруднена. Нужен значительный перегрев сплава, чтобы в недрах мартенсита начали зарождаться и расти кристаллы аустенита. При этом их исходная форма, как правило, не восстанавливается (атомы не попадают на свои прежние места).

Особенность мартенситного превращения, которую наблюдали в медном сплаве, состояла в том, что при его охлаждении мартенситные кристаллы росли медленно, а при нагреве постепенно исчезали. Если продолжить аналогию с пружиной, то можно сказать, что в данном случае она успевает остановить рост кристалла прежде, чем сама разрушится. Кристалл мартенсита оказывается как бы подпружиненным, что и обеспечивает динамическое равновесие границы между ним и исходной фазой: при охлаждении граница смещается в одну сторону, при нагреве — в обратную.

Вскоре авторы обнаружили также, что граница между фазами ведет себя аналогично, если охлаждение и нагрев заменить соответственно приложением и снятием нагрузки.

Новое явление получило название термоупругого равновесия фаз в твердом теле.

Термоупругое мартенситное превращение также сопровождается изменением формы, но в данном случае это изменение носит (что очень существенно) обратимый характер: исходная форма кристаллов аустенита восстанавливается. И, как стало ясно в дальнейшем, именно такое превращение в основном и обеспечивает память металлов.

Событие второе. В 1958 году на Всемирной выставке в Брюсселе внимание посетителей привлекало устройство американских ученых Т. Рида и Д. Либермана. Основной его частью был тонкий (диаметром 3 мм) длинный (100 мм) стержень из золото-кадмиевого сплава (66% золота). Одним концом он был жестко закреплен в стойке и находился в горизонтальном положении. На свободный конец стержня подвешивали груз (около 50 г), под тяжестью которого стержень изгибался. Поведение стержня было необычным. Когда от нагревателя к стержню подводили тепло, он выпрямлялся и поднимал груз, но стоило вентилятору охладить стержень, как он снова изгибался и т. д. Это была действующая модель теплового двигателя, у которого твердое рабочее тело из золото-кадмиевого сплава в результате охлаждения и нагрева обратимо меняло форму, что было прямым следствием термоупругого мартенситного превращения.

Так наглядно было продемонстрировано неизвестное ранее у металлов свойство памяти формы.

Событие третье. В начале 60-х годов в одной американской лаборатории в результате поисков материала, который был бы прочным, относительно легким и при этом мог бы работать в агрессивных средах, был создан сплав никеля с титаном (1 : 1).

В процессе обработки этот сплав неожиданно проявил свойство, о существовании которого исследователи даже и не подозревали: предварительно деформированный образец при нагреве вспоминал свою первоначальную форму.

Открытие в «рядовом» сплаве уникального свойства (которому именно тогда и дали название «эффект памяти») восприняли как сенсацию.

Эффект проявлялся настолько сильно, что буквально захватывало дух от перспектив его использования. С другой стороны, случайность сделанного открытия не позволила сразу дать правильное объяснение природы эффекта, и это, естественно, сдерживало его широкое практическое применение.

Новый материал нитинол (образован из слов НИкель, ТИтан и НОЛ — сокращенное название лаборатории, где он был получен) и его замечательное свойство памяти стали объектом интенсивного изучения. Но только через несколько лет стало ясно, что и в данном случае память сплава — следствие мартенситного превращения.

Под влиянием всех трех событий к концу шестидесятых годов сформировалась целая область физических исследований и технических применений эффекта памяти формы в сплавах.

Когда каждый кристалл сам по себе

Существуют сотни сплавов с мартенситным превращением. Но далеко не все из них способны вспоминать форму. А сплавов, где этот эффект проявляется настолько сильно, что может иметь практическое значение, вообще известно лишь несколько. В чем же дело?

Как уже говорилось, при мартенситном превращении происходит коллективное перемещение атомов в определенном направлении, сопровождающееся самопроизвольной (мартенситной) деформацией материала. Поскольку при таком способе перестройки решетки соседство и межатомные связи подавляющего большинства атомов не нарушаются, то они сохраняют возможность вернуться на свои прежние места, а материал соответственно к исходной форме.

Но это лишь возможность, и для ее реализации нужны особые условия.

Обратная перестройка структуры в общем случае не обязательно должна происходить путем «попятного» движения атомов. Направлений, которые приводят к исходной архитектуре решетки, может быть несколько. Все определяется сложностью кристаллической решетки мартенсита: чем она сложней, тем меньше этих направлений. Когда решетка мартенсита настолько сложна, что вообще не предоставляет выбора, то остается только один вариант ее обратной перестройки — «попятное» движение атомов на исходные позиции. Только в этом случае мартенситное превращение обеспечивает кристаллу память исходной формы. Именно такое превращение и память у отдельных кристаллов наблюдали в описанном выше событии № 1.

Но память отдельного кристалла — это еще не память всего объема сплава. И вот почему.

Сплав, как правило, имеет поликристаллическое строение, то есть состоит из множества отдельных кристаллитов (зерен), которые отличаются друг от друга ориентацией кристаллических решеток — словно детские кубики, беспорядочно насыпанные в коробку. Поскольку сдвиг атомов при мартенситном превращении происходит в решетке по определенным плоскостям и в определенном направлении, то в силу различной ориентации зерен сдвиги в каждом зерне будут осуществляться в самых разных направлениях. Поэтому после мартенситного превращения, несмотря на значительную деформацию отдельных кристаллов, образец в целом не испытывает заметного изменения формы.

Ясно, что заметное изменение формы всего образца произойдет лишь в том случае, если создать определенный порядок в расположении кристаллов. В идеальном случае — сделать так, чтобы все они были ориентированы в одном направлении.

Именно этого удалось добиться исследователям, демонстрировавшим проявление памяти сплава в событиях № 2 и № 3.

Второе событие (как и третье) отличается от первого тем, что превращение в сплаве происходит с участием внешней нагрузки.

Она и есть та управляющая сила, которая при мартенситном превращении организует преимущественную ориентировку кристаллов.

Как это происходит? В момент перехода при охлаждении, когда атомы должны покинуть свои старые места и занять новые, из всех возможных направлений они выберут только такие, которые совпадают с направлением действия внешней силы. Это естественно, поскольку в противном случае атомам пришлось бы совершать дополнительную работу против внешней нагрузки, что с энергетической точки зрения явно невыгодно. Итак, процесс мартенситного превращения заставляет атомы покинуть свои позиции и отправиться в путь, а внешняя нагрузка задает направление движения.

В результате такого организованного движения атомов образец в целом испытывает деформацию в направлении действия внешней силы. Вспомним, как в событии № 2 при охлаждении стержень изгибался в направлении действия груза. При нагреве, когда атомы вынуждены возвращаться на исходные позиции, происходит восстановление первоначальной формы, даже против действия внешней силы (груза), так как других направлений движения у атомов, кроме обратного, попросту нет.

Интересно, что внешняя нагрузка может управлять движением атомов не только в процессе самого мартенситного превращения, но и после его завершения, как это было в событии № 3. Она способна в этом случае изменить уже сложившуюся ситуацию с хаотически ориентированными кристаллами мартенсита.

Под действием нагрузки увеличивается число кристаллов с мартенситной деформацией, совпадающей по направлению с приложенным усилием. Процесс развивается до тех пор, пока все кристаллы не выстроятся, и образец в целом не продеформируется в направлении действия силы. Подчеркнем еще раз, что это происходит без разрыва межатомных связей и нарушения соседства атомов. Поэтому при нагреве они возвращаются на свои исходные позиции, восстанавливая первоначальную форму всего объема материала.

В данном случае внешняя нагрузка действует на мартенситные кристаллы, подобно магниту на железные опилки, которые выстраиваются в магнитном поле в строго определенном порядке.

Таковы механизмы, благодаря которым реализуемся эффект памяти формы, основанный на термоупругом равновесии фаз и управляющем действии нагрузки.

Эффект, описанный в событии № 3,— по существу, память материала на одну, высокотемпературную свою форму. В событии № 2 наличие внешней силы (груза) позволило добиться памяти на две геометрические формы: низкотемпературную форму сплав принимал при охлаждении, высокотемпературную — при нагреве.

Оказывается, можно «обучить» сплав запоминать две формы и без всякого постоянно действующего источника внешней силы. Идея такого способа предложена советскими учеными и признана изобретением (авторское свидетельство № 501113). Сущность его состоит в специальной термомеханической обработке сплава, создающей внутри материала микронапряжения, действие которых на атомы при мартенситных переходах аналогично действию внешней нагрузки. В результате сплав при охлаждении самопроизвольно принимает одну форму, при нагреве возвращается к исходной и т. д. Например, можно «обучить» пластину сворачиваться в кольцо при охлаждении, а при нагреве разворачиваться, или наоборот.

Часто у материалов с памятью формы наблюдается другое необычное свойство — сверхэластичность (резиноподобное поведение). Этот эффект проявляется в том случае, если мартенситное превращение вызывается не охлаждением, а приложением внешней нагрузки. Тогда превращение и «наведение порядка» в расположении кристаллов происходят одновременно. В результате наблюдается значительная деформация сплава, которая исчезает при разгрузке. При этом величина обратимой деформации раз в десять выше, чем у лучших пружинных материалов. Использование таких сплавов открывает новые возможности создания высокоэффективных пружинных амортизаторов, аккумуляторов механической энергии и т. д.

Еще одна особенность сплавов с памятью: высокая циклическая прочность, то есть способность выдерживать большие знакопеременные нагрузки без разрушения. Особенно эффективно использование таких материалов при значительных деформациях. В этом случае «долговечность» изделий из сплавов с памятью может быть в тысячи раз больше, чем изделий из традиционных материалов. Вспомним, например, как быстро разрушается любая проволока, когда подвергается гибу-перегибу в одном месте. Сплавы с памятью в принципе могут выдержать любое число таких циклов.

Циклическая стойкость обеспечивается все тем же особым механизмом мартенситного превращения, которое не сопровождается нарушением соседства атомов и разрушением межатомных связей, а следовательно, не происходит и накопления дефектов структуры, которые в конечном счете приводят к образованию трещин и разрушению обычных сплавов.

Наконец, еще об одном свойстве сплавов с памятью. Оказалось, что им присуща высокая способность рассеивать механическую энергию. Это связано с тем, что при мартенситных превращениях перестройка кристаллической решетки сопровождается выделением или поглощением тепла. Поэтому если внешняя нагрузка вызывает мартенситное превращение, то происходит интенсивный  переход механической энергии в тепло. Кстати, при эффектах памяти наблюдается обратный процесс: превращение тепла в работу.

Профессии сплавов с памятью

Среди всех известных материалов с памятью формы наиболее перспективен для техники нитинол. Именно его чаще всего используют в приборах и устройствах разного назначения. Этому способствует не только отличная его память, но и целый комплекс других полезных свойств: высокая коррозионная стойкость, значительная прочность, технологичность.

Сегодня уже четко обозначились области, где применение сплавов с памятью наиболее перспективно. Прежде всего это энергетика. С их помощью пытаются создать тепловые двигатели, использующие низкотемпературные источники тепла. В 1977 году в Киеве на международной конференции по мартенситным превращениям демонстрировался фильм о таких устройствах. Схема теплового двигателя предельно проста (напомним, что прототипом его было устройство, описанное в событии № 2). Рабочие элементы, выполненные из нитинола и насаженные по окружности колеса, попадая в холодную воду, принудительно деформируются,— например, плоские пластины изгибаются в полуокружности. Затем в горячей воде пластины выпрямляются и при этом совершают работу. Часть ее идет на деформацию рабочих элементов, находящихся в это время в холодной воде, а другая часть на привод колеса, которое, в свою очередь, вращает электрогенератор.

Пока существуют лишь модели таких двигателей. Но даже они показывают высокую эффективность превращения тепла в работу с помощью сплавов с памятью. При этом надо еще раз подчеркнуть, что для работы тепловых двигателей используется тепло, которое пока другими способами превратить в работу сложно и дорого, а часто и вообще невозможно. Такое тепло, как правило, сегодня «пропадает» (солнечная энергия, геотермальные источники и тепловые отходы электростанций и др.).

Естественно, что материалы с памятью формы эффективны и для обратного процесса: «перекачки» тепла, то есть в качестве рабочего тела для холодильников или тепловых насосов.

Другое применение сплавов с памятью — герметизация и соединение различных деталей. В частности, применяют втулки из нитинола для соединения трубопроводов. Из сплава делают втулку, внутренний диаметр которой чуть меньше наружного диаметра трубопровода, охлаждают ее и раздают по диаметру так, чтобы свободно надеть на концы трубопровода. Затем втулку нагревают, и она восстанавливает (вспоминает) свой первоначальный размер, плотно обжимает трубопровод и тем самым осуществляет герметичное соединение. О высокой надежности такого соединения свидетельствует, например, следующий факт. Более 100 тысяч втулок из нитинола было установлено на истребителях F-14 (США) — и ни единого случая разрушения соединений или поломки при эксплуатации.

С помощью нитинола герметизируют также корпуса радиотехнических приборов без применения сварки или пайки. Здесь плоскую крышку предварительно деформируют в полусферу и свободно устанавливают в корпусе прибора. При нагреве крышка возвращается к исходной плоской форме, при этом врезается в пазы корпуса, надежно изолируя прибор от внешней среды.

Сплавы с памятью находят применение и в качестве рабочих элементов различных термочувствительных, сигнальных и исполнительных устройств и механизмов.

Большой интерес для космической техники представляют саморазвертывающиеся устройства, например, антенны, сделанные из нитинола. Изделие, имеющее большие размеры, свертывают (деформируют) и в таком компактном виде транспортируют к месту назначения, где после нагрева оно восстанавливает свою форму.

Нитинол находит применение и в медицине. За рубежом, например, разрабатываются методы лечения сколиоза (деформации позвоночника) с помощью стержня из нитинола.

Оригинальные работы ведутся Сибирским физико-техническим институтом совместно с Читинским и Томским медицинскими институтами, Курганским научно-исследовательским институтом экспериментальной и клинической ортопедии и травматологии. Разработан ряд новых хирургических приспособлений для соединения и сращивания отломков костей, протезирования и пломбирования зубов. Исследуются также возможности применения нитинола для создания новых медицинских инструментов.

Этими примерами, конечно, не исчерпываются все области использования сплавов с памятью. Послужной список их профессий, несомненно, шире, - и он непрерывно растет.

Вызывать у сплава мартенситный переход и соответственно управлять обратимым изменением формы можно не только с помощью нагрева и охлаждения или нагрузки. Такую роль может играть электрическое или магнитное поле. Следовательно, в принципе возможно создание, например, сплавов с магнитоупругим мартенситным превращением. В таких материалах магнитное поле либо самостоятельно, либо в совокупности с температурой (или нагрузкой) должно стимулировать мартенситный переход и тем самым приводить к обратимому изменению формы, то есть к памяти формы.

Вообще-то сплавы, где магнитным полем можно вызвать мартенситный переход, известны. Однако мартенсит в них, как правило, не упругий, а следовательно, и без памяти. А в сплавах, где наблюдаются термоупругие переходы, они практически не чувствительны к изменению напряженности магнитного поля. Но несомненно, что материалы с магнитомеханической памятью должны существовать.

Остановимся еще на одном интересном направлении, которое связано с изучением сплавов с памятью.

Смена типа кристаллической решетки при мартенситном превращении, кроме обратимого изменения формы, должна, конечно, вызывать и изменения всех других свойств, которые определяются строением решетки. Очевидно, что наряду с необычным механическим поведением сплавы с памятью» должны отличаться и особым комплексом обратимо меняющихся физических свойств. Для управления ими достаточно незначительно изменить температуру или приложить небольшую внешнюю нагрузку. Ситуация уникальная. Теоретически все именно так. А практическая задача состоит в том, чтобы найти сплавы, где нужные свойства будут существенно меняться. Первые успехи в этом направлении уже есть. Так, экспериментально наблюдали, что при нагружении нитинола выше некоторой величины электрическое сопротивление его скачком увеличивается на десятки процентов.

Кандидат физико-математических наук В. Хачин.

9 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необходимо применение материалов со строго регламентированными значениями в определенных температурных интервалах эксплуатации таких физических свойств, как температурные коэффициенты линейного расширения α (ТКЛР) и модуля нормальной упругости β (ТКМУ). Эти коэффициенты определяют характер изменения размеров детали и модуля упругости сплава при нагреве.

ТКЛР сплава определяют с помощью дилатометра по относительному удлинению образца в заданном температурном диапазоне.

Согласно правилу Курнакова, в том случае, если компоненты образуют твердый раствор, то ТКЛР сплава изменяется по криволинейной зависимости внутри пределов, ограниченных значениями ТКЛР этих чистых компонентов. Коэффициент линейного расширения α возрастает с повышением температуры (рис. 24.1). Однако сплавы Fe—Ni не подчиняются общим закономерностям. В области концентраций от 30 до 45 % для них характерны аномалии, связанные с инварным эффектом (рис. 24.2). Самое низкое значение ТКЛР в диапазоне температур от –100 до 100 °С имеет сплав, содержащий 36 % Ni. Этот сплав был открыт Гийомом в 1897 году и назван инваром (лат. неизменный) из-за минимальных значений теплового расширения.

Для металлов с кубической кристаллической решеткой ТКЛР изотропен. Его значения не зависят от направлений кристаллической решетки и преимущественной ориентации текстуры. Термический коэффициент объемного расширения втрое превышает ТКЛР.

Рис. 24.1. Кривая расширения сплавов при повышении температуры

Рис. 24.2. Температурный коэффициент линейного расширения сплавов Fe—Ni

Рис. 24.3. Температурный коэффициент модуля упругости сплавов Fe—Ni

Для сплавов Fe—Ni инварного состава помимо низких значений ТКЛР характерна еще одна аномалия — аномалия термического коэффициента модуля упругости ТКМУ. В любых твердых телах, в том числе металлах, при нагреве наблюдается уменьшение модуля упругости, являющегося мерой сил межатомных связей. В сплавах с инварным эффектом модуль упругости растет или остается постоянным с повышением температуры. Характерно, что максимальной величиной ТКМУ обладает тот же сплав Fe—Ni с самым низким значением ТКЛР, содержащий 36 % Ni (рис. 24.3). Подбор определенного химического состава позволяет разработать сплавы, модуль упругости которых практически не зависит от температуры. Сплавы, сохраняющие постоянство модуля упругости в широком температурном диапазоне, называют элинварами. Природа аномального изменения ТКЛР инварных сплавов, так же как и модуля нормальной упругости, имеет ферромагнитное происхождение.

В ферромагнитных сплавах Fe—Ni инварного типа велик уровень объемной магнитострикции — изменения объема за счет внутреннего магнитного поля. При нагреве происходит уменьшение магнитострикционной составляющей объема. Выше температуры точки Кюри магнитострикционные деформации полностью исчезают в связи с переходом металла в парамагнитное состояние.

ТКЛР ферромагнетиков определяется формулой: α = α₀ – Δ, где α₀ — нормальный коэффициент линейного расширения, определяемый энергией связи атомов; Δ — составляющая ТКЛР, обусловленная магнитострикцией парапроцесса.

Нормальная составляющая ТКЛР при нагреве растет вследствие уменьшения энергии связи атомов. Этот рост компенсируется уменьшением магнитострикции в результате снижения намагниченности, как следствие усиления тепловых колебаний атомов. В итоге при нагреве до температуры точки Кюри объем инварных сплавов мало меняется. ТКЛР для некоторых сплавов может даже приобретать отрицательные значения, и их объем даже уменьшается.

Внешние растягивающие напряжения действуют на Fe—Ni-ферромагнетики инварного состава подобно магнитному полю и также способствуют проявлению объемной магнитострикции, обычно называемую в этом случае механострикцией. Высокий уровень механострикции в элинварных сплавах способствует аномальному изменению модуля упругости при нагреве. Влияние нагрева на модуль упругости элинварных сплавов может быть описано формулой Е_t = Е₀ (1 + βt), где Е₀ — модуль упругости обычных сплавов, β — температурный коэффициент модуля нормальной упругости. В элинварных сплавах этот коэффициент всегда имеет положительное значение.

Снижение модуля упругости при нагреве обычных сплавов компенсируется составляющей за счет механострикции, что в итоге способствует стабилизации модуля упругости в широком температурном диапазоне.

Для обеспечения стабильности температурного коэффициента линейного расширения и модуля упругости для каждого конкретного случая необходимо применение сплавов строго определенного химического состава. Такие сплавы обычно называют прецизионными сплавами (от фр. precision), т. е. отличающимися высокой точностью химического состава.

10Технический прогресс связан с непрерывным ростом потребления электроэнергии. Ограниченность запасов органического топлива, преодоление энергетического кризиса и приемлемая стоимость производства электроэнергии обусловили необходимость использования атомной энергии и широкомасштабного строительства атомных электростанций (АЭС) во всех развитых странах мира. Ядерная энергетика — это энергетика будущего.

По принципу действия АЭС и тепловые электростанции (ТЭС) мало отличаются друг от друга. На АЭС и ТЭС вода доводится до кипения, и образующийся пар подается на лопасти высокоскоростной турбины, заставляя ее вращаться. Вал турбины соединен с валом генератора, который при вращении вырабатывает электрическую энергию. Различие АЭС и ТЭС состоит в способе нагрева воды до кипения. Если в ТЭС для нагрева воды сжигается уголь или мазут, то в АЭС для этой цели используют тепловую энергию управляемой цепной реакции деления урана.

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СОВРЕМЕННОГО ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Для выработки электроэнергии в настоящее время в большинстве стран применяют легководные реакторы (LWR). Реакторы этого типа имеют две модификации: реакторы с водой под давлением (PWR) и кипящие реакторы (BWR), из которых имеют большее распространение реакторы с водой под давлением. Некоторые материалы, используемые в реакторах, приведены в табл. 26.1.

На рис. 26.1 представлена схема АЭС, оборудованная легководным реактором с водой под давлением. В корпусе реактора находится активная зона и первый контур. В первом контуре циркулирует вода, являющаяся теплоносителем и замедлителем. Вода отводит тепло от активной зоны к теплообменнику (парогенератор), в котором тепло передается второму контуру, где вырабатывается пар. Преобразование энергии происходит в турбогенераторе, где пар используется для выработки электроэнергии. Первый контур со всеми трубопроводами и компонентами заключен в специально созданную конструкцию, называемую контейнментом. Таким образом, любые радиоактивные продукты деления, которые могут выйти из топлива в воду первого контура, изолируются от окружающей среды.

В первом контуре вода находится под давлением 15,5 МПа и при максимальной температуре 315 °С. Эти условия предохраняют воду от кипения, поскольку точка кипения воды при давлении 15,5 МПа значительно выше 315 °С.

Топливо состоит из слабообогащенного диоксида урана (UO₂), изготовленного в виде цилиндрических таблеток размером 8 × 12 мм. Таблетки спекаются при высокой температуре, обрабатываются до нужного размера и укладываются в трубки, которые заполняются гелием и герметически запаиваются. Получаются длинные топливные стержни с диаметром около 10 мм (рис. 26.2). Затем стержни собираются в сборки. Сборка является топливной единицей, содержащей большое количество энергии. Обычная 1000 МВт станция содержит около 200 топливных сборок и от 40 000 до 50 000 топливных стержней. Общее количество топлива в активной зоне реактора PWR мощностью 1000 МВт равно приблизительно от 100 до 110 т диоксида урана.

Рис. 26.1. Схема передачи тепла между элементами станции PWR: 1 — бетонная оболочка; 2 — нержавеющая планировка; 3 — турбина; 4 — генератор; 5 — конденсатор; 6 — градирня; 7 — парогенератор; 8 — циркулярный насос; 9 — корпус реактора; 10 — активная зона; 11 — компенсатор давления; 12 — контейнмент

В каждом реакторе от 16 до 25 ячеек (в зависимости от конструкции) оставлены свободными для регулирующих стержней. Они перемещаются при помощи управляющего стержня, проходящего через крышку корпуса реактора. Пар, выходящий из турбины, конденсируется в водоохлаждаемом конденсаторе, с помощью которого сбрасывается оставшаяся тепловая энергия. В некоторых системах охлаждения используется градирни.

Рис. 26.2. Размещение топлива в тепловыделяющем элементе для промышленных станций с реактором типа LWR: 1 — топливная таблетка; 2 — газовый зазор; 3 — заглушка; 4 — пружина; 5 — изолятор; 6 — оболочка

Таблица 26.1

Компоненты ядерного реактора и материалы

Компонент	Применение	Материал
Топливо	Для осуществления реакции выделения и выработки энергии	233U, 235U, 239Pu, 241Pu
Теплоноситель	Для отвода тепла из активной зоны реактора	Обычная вода, тяжелая вода, органические жидкости, CO2, воздух, He, Na, Bi, эвтектика натрий — калий
Замедлитель	Для замедления быстрых нейтронов деления	Обычная вода, тяжелая вода, графит, Be, оксид бериллия
Отражатель	Для уменьшения утечки нейтронов, для защиты персонала от ионизирующего излучения	То же, что и в замедлителе
Управляющие стержни	Для контроля критичности и мощности	Cd, B, Hf, Gd, Ag, In
Конструкционные материалы	Для оболочки топлива, для сооружения активной зоны	Коррозионностойкая Cr—Ni сталь, сплавы на основе Al и Zr

Стоимость оборудования станции, осуществляющего выработку и передачу энергии, — корпус реактора, теплообменники, насосы, емкости, трубопроводы, составляет около 90 % от стоимости станции. Оборудование должно быть правильно сконструировано и изготовлено из экономичных, но гарантированно надежных материалов.

РАДИАЦИОННАЯ ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ядерная энергетика предъявляет повышенные требования к используемым конструкционным материалам, технологии их производства и контролю работоспособности. Конструкционные материалы под действием облучения испытывают структурные превращения, оказывающие отрицательное влияние в первую очередь на механические свойства и коррозионную стойкость. Из всех видов облучения (нейтронами, α- и β-частицами, γ-излучения) наиболее сильное влияние оказывает нейтронное облучение.

Радиационностойкими материалами называют материалы, сохраняющие стабильность структуры и свойств в условиях нейтронного облучения.

Радиационную среду принято характеризовать нейтронным спектром и нейтронным потоком. Спектр определяется дискретными уровнями энергии нейтронов. В зависимости от энергии нейтронов, используемых для осуществления цепной ядерной реакции, различают реакторы на тепловых (медленных) и быстрых нейтронах. Нейтронный поток характеризует интенсивность радиационной среды и выражается числом нейтронов с энергией Е > 0,1 МэВ, пересекающих площадь 1 см² за 1 с (нейтрон/см² · с). Нейтронный поток, суммированный по времени (нейтрон/см²), или флюэнс нейтронов, характеризует суммарную дозу облучения и является мерой накопления радиационного воздействия. Более точной характеристикой дозы облучения является суммарное количество смещений в расчете на один атом (смещ/ат). На рис. 26.3 представлена модель радиационных повреждений, возникающих при соударении высокоэнергетических нейтронов с атомами кристаллической решетки. Соударения вызывают смещения атомов или каскад смещений в решетке в зависимости от количества энергии, передаваемой нейтроном атому металла. Подвергшийся удару нейтроном первый атом, подобно биллиардному шару, ударяя по другим атомам, вызывает в решетке дополнительные смещения. В результате развития каскада образуются объемы с высокой концентрацией вакансий, по периферии окруженные зонами с повышенной плотностью межузельных атомов. Один нейтрон способен создать в алюминии более 6000 вакансий, в бериллии с большей энергией межатомной связи — более 450 вакансий.

Рис. 26.3. Модель радиационных повреждений, возникающих при соударении нейтронов с атомами кристаллической решетки (модель Зеегра)

Помимо смещений большие нейтронные потоки за счет своей энергии возбуждают атомы, усиливают их колебания (это явление Инденбом назвал «радиационной тряской»), что сопровождается локальным повышением температуры. Рост температуры способствует радиационному отжигу, сопровождающемуся аннигиляцией вакансий и межузельных атомов. Высокие температуры и нейтронное облучение могут вызвать в материале ядерные реакции с образованием гелия, что в свою очередь приводит к появлению газовых пузырей по границам зерен.

Структурные изменения приводят к изменению механических свойств. В результате при температуре ниже температуры рекристаллизации — низкотемпературного облучения — металл упрочняется, но теряет вязкость и пластичность. Влияние суммарного нейтронного потока Ф на временное сопротивление, предел текучести и пластичность при 20 °С аустенитной хромоникелевой стали при-ведено на рис. 26.4. Сталь приобретает максимальное упрочнение при Ф = 3·10¹⁹ нейтрон/см², причем σ_0,2 растет интенсивнее σ_в, что приводит к снижению способности к деформационному упрочнению. Дальнейшее увеличение потока практически не влияет на свойства стали.

Кроме флюенса на свойства оказывает влияние температура, при которой проходит низкотемпера-турное облучение (рис. 26.5). Наиболее резко охрупчивание аустенитных сталей проявляется после облучения в температурном интервале 250–350 °С. Пластичность титановых сплавов после облучения также падает. Однако, в отличие от сталей, они не имеют провала пластичности в этом температурном интервале (рис. 26.6).

Рис. 26.4. Изменение механических свойств при 20 °С аустенитной стали 12Х18Н10Т после низкотемпературного облучения нейтронами: 1 — σ_В ; 2 — σ_0,2; 3 — δ

Рис. 26.5. Влияние температуры нейтронного облучения (7·10²⁰ нейтрон/см²) стали А304 (Х18Н9) на изменение механических свойств при комнатной температуре

Рис. 26.6. Деформационная способность α-сплава титана до (1) и после (2) нейтронного облучения (2·10²¹ нейтрон/см²; Т  250 °С; Е > 1 МэВ)

Действие низкотемпературного облучения на свойства напоминает наклеп — холодную пластическую деформацию. Однако, несмотря на такую аналогию, механизмы воздействия радиационного повреждения и наклепа на структуру материала принципиально различны, поскольку радиационное повреждение связано преимущественно с образованием точечных дефектов, тогда как деформационное упрочнение связано в основном с появлением линейных дефектов.

В условиях облучения выше температуры рекристаллизации (высокотемпературное облучение) роль точечных радиационных дефектов снижается. Вакансии и межузельные атомы частично аннигилируют друг с другом, частично взаимодействуют с примесями, дислокациями, границами раздела. Оставшиеся межузельные атомы и вакансии объединяются в кластеры, которые в свою очередь могут превращаться соответственно в дислокационные петли межузельного или вакансионного типов (рис. 26.7).

Рис. 26.7. Эволюция дефектной структуры аустенитной стали при облучении ионами хрома (Е = 1 МэВ)

Высокотемпературное облучение активизирует диффузионные процессы и способствует распаду пересыщенных твердых растворов (старению). Этим объясняется высокотемпературная хрупкость аустенитных хромоникелевых сталей. Активизацией диффузионных процессов также объясняется снижение длительной прочности при облучении. Падение жаропрочности растет с увеличением температуры и интенсивности нейтронного потока.

При высокотемпературном облучении большими нейтронными потоками в аустенитных сталях и сплавах на основе Ni, Ti, Mo, Zr, Be зарождаются и растут вакансионные поры, а более подвижные межузельные атомы уходят на дальние стоки (краевые дислокации, границы зерен и др.), что приводит к заметному увеличению объема металла — радиационному распуханию.

Объем аустенитных сталей, облученных при рабочей температуре 450 °С, линейно растет с увеличением нейтронного потока (рис. 26.8). Объем может увеличиться на 20 % и более. Распухание усиливается в результате скопления в микропорах газов, образовавшихся при облучении.

Рис. 26.8. Влияние облучения при 450 °С на относительное увеличение объема аустенитной стали 12Х18Н10Т

Легирование хромоникелевых сталей Ti, Mo, Nb снижает их распухание. Высокохромистые ферритные и перлитные стали с меньшей растворимостью водорода характеризуются меньшей склонностью к распуханию.

Воздействие облучения на полимерные материалы приводит к разрыву полимерных цепочек. Смещение обрывков цепей и свободных радикалов изменяет свойства полимеров и способствует их разрушению.

Примеры изменения свойств некоторых материалов под действием нейтронного облучения приведены в табл. 26.2.

При облучении резко снижается коррозионная стойкость металлов и сплавов. Вода и водяной пар являются теплоносителями в водном и водно-паровом трактах АЭС. Вследствие радиолиза меняется состав электролита — происходит разрушение молекул воды с образованием ионов и атомов кислорода, водорода и щелочной гидроксильной группы —OH. Конструкционные реакторные материалы, подвергающиеся облучению, работают в контакте с водой и паром. Образующийся кислород окисляет металл, а водород его наводораживает и тем самым дополнительно охрупчивает. Радиолиз воды и увеличение концентрации гидрооксильных групп способствует растворению поверхностных оксидных пленок, в обычных условиях защищающих металл от коррозии.

Скорость коррозии сплавов на основе алюминия в водной среде в условиях облучения возрастает в 2–3 раза. Аустенитные хромоникелевые стали во влажном паре подвержены межкристаллической коррозии и коррозионному растрескиванию.

Помимо изменения механических свойств (упрочнению и снижению пластичности) и вакансионного распухания, радиационное повреждение сталей приводит к появлению новых эффектов: радиационной ползучести, высоко- и низкотемпературному радиационному охрупчиванию (ВТРО и НТРО).

Таблица 26.2