Металлокерамические материалы

Лекция 12. Алюминий и его сплавы В АТОМНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

 

Алюминий, основные свойства

Взаимодействие с другими элементами, сплавы алюминия

Металлокерамические материалы

Сплавы алюминия в атомной технике. Коррозионная и радиационная стойкость

1. Алюминий. основные свойства

Содержание в земной коре	8,8 %
Способы получения	Электролитическое рафи-нирование (чистота 99,9998 %)
Аллотропия	ГЦК - решётка
Температура плавления	660оС
Положение в таблице Менделеева	IIIв-группа, Z=13, 1s22s22p63 s23p1, A=26,98, промежуточный элемент между металлами и металлоидами (хим. соединения Al)
Сечение поглощения т.н., 10-24см2	0,235 (сталь – 2-3, Mg -0,066, Zr – 0,180)
Атомный радиус, нм	0,143 (Mg -0,160, Zr – 0,159)
Параметры ГЦК-фазы	а, нм	0,405
плотность, г/см3	2,7 (Mg -1,73, Zr – 6,51)
Удельная теплоемкость, Дж/(кг∙К)	(Mg -1200, Zr – 290)
Теплопроводность λ, Вт/(м∙К)	207(Mg -158, Zr – 24,1)
Т-коэффициент объемного расширения, 10-6 град-1	23,8(Mg -27, Zr – 5,8)
Температура рекристал-лизации, оС	~150 (Mg ~150, Zr – 400-450)
Модуль Юнга, МПа	7,2×104 (Mg - 4,5×104, Zr – 10,2×104)
Предел прочности, МПа	80-100 (Mg – 100-150, Zr – 200-250)
Относительное удлинение, %	30-50 (Mg – 10-15, Zr – 25-30)
Параметры основного трансмутанта	28Al, g-излучатель с перио-дом полураспада 2,3 мин

Периодическая система элементов

IA 0

1 H 1.0080

IIA

IIIB

IVB

VB

VIB

VIIB

2 He 4.003

3 Li 6.940

4 Be 9.013

IIIA IVA VA VIA VIIA VIII IB IIB

5 B 10.81

6 C 12.011 2,4

7 N 14.007

8 O 16.000

9 F 19.00

10 Ne 20.182

11 Na 22.990

12Mg 24.32

13 Al 26.98

14 Si 28.09

15 P 30.97 3,5

16 S 32.066 2,4,6

17 Cl 35.453 1,3,5

18 Ar 39.946

19 K 39.100

20 Ca 40.08

21 Sc 44.96

22 Ti 47.90 2,3,4

23 V 50.95

24 Cr 52.01 3,6

25Mn 54.94 2-4,6,7

26 Fe 55.85 2,3

27 Co 58.94 2,3

28 Ni 58.71

29 Cu 63.54 1,2

30 Zn 65.38

31 Ga 69.72 3,1,2

32 Ge 72.59 4,2

33 As 74.91 3,5

34 Se 78.96 2,4,6

35 Br 79.91

36 Kr 83.80

37 Rb 85.48

38 Sr 87.62

39 Y 88.92

40 Zr 91.22 4,2,3

41 Nb 92.91

42Mo 95.95

43 Tc

44 Ru 101.1 6,4,8

45 Rh 102.91 3,4

46 Pd 106.4 2,4

47 Ag 107.87

48 Cd 112.40

49 In 114.82 3,1,2

50 Sn 118.69 4,2

51 Sb 121.74 3,5

52 Te 127.61 2,4,6

53 I 126.91

54 Xe 131.3

55 Cs 132.91

56 Ba 137.36

57 La 138.92

72 Hf 178.6

73 TA 180.95

74 W 183.85

75 Re 186.22 6,7

76 Os 190.2 6,4,8

77 Ir 192.2 3,4

78 Pt 195.09 2,4

79 Au 197.0 1,3

80 Hg 200.6 2,1

81 Tl 204.37 1,3

82 Pb 207.2 2,4

83 Bi 209.0 3,5

84 Po

85 At

86 Rn

87 Fr

88 Ra 226.05

89 Ac

 

58 Ce 140,13 3,4

59 Pr 140.92 3,4

60Nd 144.24

61Pm

62Sm 150.35 2,3

63Eu 152.0 2,3

64Gd 157.25

65Tb 158.92 3,4

66Dy 162.50

67Ho 164.93

68Er 167.3

69Tu

70Yb 173.04 2,3

71Lu 174.98

 

90 Th 232.05

91Pa 231.1

92 U 238.07 4,5,6

93Np

94 Pu

95Am

96Cm

97Bk

98 Cf

99 Es

Fm

Mv

(NO)

Lw

Критериальные условия при синтезе материалов с заданными свойствами

 

 

- критерий распределения легирующего элемента в твердом сплаве

Ω= α₁ / α₂

 

- критерий жидкотекучести

λ_жт=ab/bd

- склонность к растрескиванию

t_р=ob/oa

- склонность к порообразованию

δ_п=ab/bc

- критерий эффективности термообработки

γ_то=cd/c¹d¹

2. Взаимодействие с другими элементами, сплавы алюминия

· промежуточное значение (1,5) электроотрицательности у алюминия (у натрия 0,9, у хлора 3,0)

· не образует непрерывных рядов твердых растворов ни с одним элементом (фактор соотношения размеров атомов не главный), ограниченная растворимость в Al с образованием интерметаллидов

Система	Предел растворимости,%	Тэвт, Тперит, оС	Интерметал-лидные фазы
20оС	Тэвт, Тперит
Al-Cu	<0,05	5,7		CuAl2
Al-Mg	<1,4	17,4		Mg2Al3
Al-Si	<0,01	1,65		Эвтектики из почти чистых металлов
Al-Fe	Следы	0,05		FeAl3
Al-Ni	Следы	0,05		NiAl3
Al-Mn	Следы	1,4		MnAl3

· классификация легирующих элементов

- основные

Обеспечивают прочность, должны удовлетворять условиям: α₁ ≥ 1%, ω ≥ 0,05

Zn, Ag, Mg, Li, Ga, Ge, Cu, Si (наиболее дешевые – Mg, Zn, Cu, Si)

Сложные системы – Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg, Al-Mg-Cu

 

- вспомогательные

Должны удовлетворять условиям: 0,01< α₁ < 1%, ω ≥ 0,05

Для этой роли подходят 27 элементов, из них наиболее доступны: Mn, Ca (для упрочнения),

Be (сопротивление окислению),

In, Cd (повышение надёжности),

Sc (стабильность мех. свойств),

- модификаторы

Ti, Zr (карбидообразователи), Cr, Mo, B, Ba, Na

- вредные примеси, α₁ ≥ 0,001%, ω < 0,05

Co, As, O₂, H₂, N₂

· классификация сплавов:

Деформируемые

- небольшое количество легирующих добавок и интерметаллидов,

- большая роль твёрдорастворного упрочнения,

- снятие упрочнения при нагреве выше температуры фазового превращения,

- естественное старение (<Т_крис) даже при 20^оС и выше с образованием сегрегаций меди (зон Гинье-Престона)

– обладают пониженным сопротивлением деформированию и высокой пластичностью, обрабатываются давлением,

- термообрабатываются благодаря переменной растворимости элементов и интерметаллидов (закалка + старение, s_в до 470 МПа),

- разупрочнение из-за заметной диффузии при низких температурах, особенно интенсивно выше 200^оС (недостаточная жаропрочность),

- низкая коррозионная стойкость в воде и паре выше 200^оС, рабочие температуры до 200 ^оС

Примеры: дюралюмины Al-Cu(3-5 %),

дюралюмины c Mg(0,5-2 %) – Д1, Д16

Дюралюмины с Si – увеличение прочности

Алюминиево-магниевые сплавы –АМг-5,АМг-7

Литые

- на основе алюминия и кремния эвтектического состава с С_Si 11-13 % (силумины), изначально низкую прочность увеличивают до 200 МПа при d=5-10% путём добавления 0,1% натрия (модификатора),

- используют в реакторостроении для деталей арматуры благодаря хорошим ядерным характеристикам,

- легирование никелем и железом несколько увеличивает прочность вследствие появления интерметаллидов и коррозионную стойкость при Т>100^оС и обеспечивают ковкость (марки АК)

Металлокерамические материалы

· направление создания сплавов, упрочнённых дисперсными частицами, сохраняющимися до температуры плавления матрицы

· металлокерамические композиции из алюминия и частиц оксида Al₂O₃ – спечённые алюминиевые порошки (САП)

- изготавливают методами порошковой металлургии (прессование, спекание), размеры частиц алюминия от 0,1 до 10 мм

- ядерные свойства лучше, чем у алюминия (кислород имеет малое сечение поглощения тепловых нейтронов – 0,2 б)

- теплопроводность лишь на ~15% хуже, чем у алюминия

- прочностные свойства приближаются к деформируемым сплавам, но сохраняются до более высоких (400^оС) температур

- для сохранения достаточной пластичности содержание оксида не превосходит 13-14%

- частицы оксида не коагулируют вплоть до расплавления матрицы

- не растут зёрна при повышении температуры

- обладают хорошей коррозионной стойкостью до 400 ^оС

- препятствием использованию САП для изготовления трубчатых и пластинчатых оболочек твэлов является плохая свариваемость

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: