Реферат по химии металлы в авиастроении
Обновлено: 02.07.2024
В технике используют обычно не чистые металлы, а сплавы, потому чистые металлы в большинстве своем не имеют всех свойств, необходимых для практического применения. Алюминий – легкий, но непрочный металл, не имеющий достаточной твердости. Чтобы повысить твердость и прочность алюминия, добывают его сплав с такими металлами, как медь, магний, марганец. Золото хорошее, но очень пластичное. Изделия из чистого золота легко деформируются, стираются, поэтому для изготовления ювелирных изделий применяют сплав золота с медью.
Металлы в расплавленном состоянии растворяются друг в друге и при охлаждении образуется твердый раствор – или сплав.
Сплавы – это системы из двух или более металлов, а также металлов и неметаллов.
Основой сплавов служат такие металлы как железо, медь, алюминий, магний, титан. Из неметаллов важными компонентами являются углерод, бор, кремний и др.
Примеси металлов затрудняют перемещение свободных электронов в результате чего снижается электропроводность металлов.
Сплавы бывают твердые и мягкие, тугоплавкие, легкоплавкие, жаростойкие, кислотостойкие, стойкие к действию щелочей.
Современная техника использует более 5000 сплавов. Особенно выделяются алюминиевые сплавы:
1) дюралюминий (от французского слова dur – твердый и aluminium – твердый алюминий). Дюралюминий в своем составе может содержать:
Дюралюминий прочный и легкий, теплопроводный, коррозионно устойчивый используют в авиастроении для изготовления деталей турбореактивных двигателей;
2) магналии – сплавы алюминия с большим содержанием магния (5-13%), Mn (0,2-1,6%), Ni (1,75-2,25%), Be (до 0,15%), Ti (до 0,2%), Zr (0,2%) иногда Zn (3,5-4,5%). Магналий отличается высокой прочностью и устойчивостью к коррозии в пресной и даже в морской воде, устойчивы к кислотам. Применяют для изготовления арматуры строительных сооружений, деталей холодильных установок, декоративных бытовых предметов, в авиа-, судо- и машиностроении;
3) силумины – сплавы на основе алюминия с высоким содержанием Si. В состав силуминов входят: Si (3-26%), Cu (1-4%), Mg (0,2-1,5%), Mn (0,2-0,9%), Ni (0,8 -2%) иногда Zn (2-4%), Cr (0,1-0,4%), Ti (0,05-1,5%) и др. Силумины используют в авиастроении, вагоностроении, автомобилестроении, строительстве сельскохозяйственных машин, деталей колес, корпусов и деталей приборов;
4) САП – сплав Al и Al2O3 (20-22%) обладает повышенной устойчивостью к окислению, неизменный там, где температура эксплуатации превышает 400 ° C.
Применение металлических и неметаллических материалов для строительства самолетов. Сравнительные свойства различных конструкционных материалов. Признаки интегральной конструкции как сборочной единицы. Свойства бериллия и разработка бериллиевых сплавов.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 31.05.2015 |
| Размер файла | 247,4 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Московский авиационный институт
(национальный исследовательский университет)
Материалы авиационных конструкций
ст-т гр. 30-204С Нурматов Шарифджон
Проверил: Кошелев Б.В.
Доц. каф. 305 Кошелев Б.В.
1. Виды материалов
1.1 Металлические материалы
1.2 Неметаллические материалы
2. Свойства и характеристики
3. Разработка бериллиевых сплавов
Правильный выбор материала элементов конструкции может существенно улучшить весовые и лётно-тактические характеристики самолёта, а также снизить материальные затраты на его производство и эксплуатацию.
Однако наибольшее внимание при выборе материала уделяется удовлетворению требования обеспечения необходимых прочности и жёсткости конструкции при наименьшей массе, обеспечению весовой выгодности или весовой эффективности материала.
В отечественной практике А. м. по назначению подразделяются на конструкционные, определяющими характеристиками которых являются механические свойства, и материалы неконструкционного назначения, определяющими параметрами которых являются специфические физико-химические свойства. По своей природе А. м. подразделяются на металлические, неметаллические и композиционные; по условиям эксплуатации -- на жаропрочные, для работы при низких температураx, тепло-, износо-, коррозионно-, топливо-, масло-, огнестойкие и т. д. Отдельные классы А. м., в свою очередь, подразделяются на многочисленные группы: металлические А. м. -- на металлические сплавы и покрытия металлов; неметаллические А. м. -- на пластики конструкционного и радиотехнического назначения, волокнистые материалы, лакокрасочные материалы и эмали, клеи, смазочные материалы, оптические материалы, декоративные материалы, керамические и металлокерамические материалы, эластомерные материалы, рабочие жидкости бортовых систем, радиопрозрачные и радиопоглотающие материалы и др. Композиционные материалы по своей природе подразделяются на волокнистые, слоистые, порошковые и смешанного типа; по виду матрицы -- на материалы с металлическими и неметаллическими матрицами и полиматричные материалы.
Уже за три столетия до создания первых летательных аппаратов тяжелее воздуха люди понимали, что необходимые для них материалы должны отвечать определенному требованию -- сочетанию лёгкости и прочности. Однако разработкой таких материалов не занимались, и для постройки (1883) первого в России самолёта А. Ф. Можайский использовал обычные материалы: сталь, шёлк, льняной линь и т. п. Но в начале XX в., когда в России появились заводы для строительства самолётов, А. м. были выделены в отдельную группу материалов; начали публиковаться научные работы отечественных учёных в области А. м. Основными А. м. тогда были древесина (сосна, липа, тополь и другие), одной из важных характеристик которой считалась способность надёжно держать гвозди. Для обтяжки крыльев и поверхностей применялись ткани (перкаль, шёлк), прорезиненные или с водонепроницаемым покрытием, например лаками. Алюминий только осваивался промышленностью и применялся в виде отдельных отливок, листов и тянутого материала для капотов двигателей и обшивки гондол. Некоторые детали самолётов изготавливали из магналия (сплав 90--98% алюминия и магния). Но в силу исторически сложившихся традиций и реальных возможностей строительства самолётов основным конструкционным материалом в отечественном авиастроении оставалась древесина, которая широко использовалась вплоть до окончания Великой Отечественной войны. Материалы конструкции самолета с тех пор постоянно улучшались и совершенствовались.
1. Виды материалов
Алюминиевые сплавы - сплав, основной массовой частью которого является алюминий. Самыми распространенными элементами в составе алюминиевых сплавов являются: медь, магний, марганец, кремний и цинк.
Магниевые - сплавы на основе магния. Наиболее прочные, в том числе и наиболее жаропрочные, М. с. разработаны на основе систем магний -- металл с ограниченной растворимостью в твёрдом магнии.
Титановые - сплавы на основе титана. Лёгкость, высокая прочность в интервале температур от криогенных (-250 °С) до умеренно высоких (300-- 600 °С) и отличная коррозионная стойкость.
материал авиационный сплав бериллий
Композиционные материалы - это конструкционные материалы, состоящие из матрицы (основы) с распределённым в ней армирующим материалом. В качестве армирующего материала могут применяться волокна стекла, углерода, бора, органические волокна.
2. Свойства и характеристики
а. Алюминиевые сплавы- по содержанию в земной коре ( ~8 % ) является одним из самых распространенных металлов. К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность ( 2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов.
На современном этапе развития дозвуковой и сверхзвуковой авиации алюминиевые сплавы являются основными конструкционными материалами в самолетостроении.
В авиации США широко применяются сплавы серии 2ххх, Зххх, 5ххх, 6ххх и 7ххх. Серия 2ххх рекомендована для работы при высоких рабочих температурах и с повышенными значениями коэффициента вязкости раз-рушения. Сплавы серии 7ххх - для работы при более низких температурах значительно нагруженных деталей и для деталей с высокой сопротивляемостью к коррозии под напряжением. Для малонагруженных узлов применяются сплавы серии Зххх, 5ххх и 6xxx. Они же используются в гидро-, масло-и топливных системах.
В России при изготовлении авиационной техники успешно используются упрочняемые термической обработкой высокопрочные алюминиевые сплавы Al-Zn-Mg-Cu и сплавы средней и повышенной прочности Al-Mg-Cu. Они являются конструкционным материалом для обшивки и внутреннего сплавного набора элементов планера самолета (фюзеляж, крыло, киль и др.).
Сплав 1420, принадлежащий системе Al-Zn-Mg, используют при конструировании сварного фюзеляжа пассажирского самолета. При изготовлении гидросамолетов предусмотрено применение свариваемых коррозионностойких магнолиевых сплавов (AМг5, АМг6) и сплавов Al-Zn-Mg (1915, В92, 1420).
Термически упрочняемые алюминиевые сплавы имеют особое значение, потому что благодаря упрочнению достигаются прочностные параметры, которые практически сопоставимы с параметрами стали. Из алюминиевых сплавов изготавливают преимущественное количество деталей планера самолета, например лонжерон, шпангоут, стрингер, а также наружную обшивку.
б. Магниевые сплавы- в полтора раза легче алюминиевых, отлично обрабатываются резанием, могут свариваться, имеют хорошие литейные качества. Недостатки: малая коррозийная стойкость, недостаточная пластичность при нормальной температуре, низкая температура плавления (пожароопасность).
Сплав, получивший название "электрон", был первым в ряду магниевых сплавов, нашедших применение в самолетостроении и других областях техники. В 1932 г. промышленность стала выпускать полуфабрикаты из "электрона": литье, листы, профили и трубы. Для применения "электрона" в конструкции самолета необходимо было отработать его клепку, сварку, выколотку и штамповку. В 1933 г. на одном из авиазаводов по инициативе его директора А. М. Беленковича в небольшой мастерской началась работа по освоению конструкций из "электрона". В это же время
в Московском Авиационном Институте конструкторская группа, состоящая преимущественно из студентов, завершала проект первого цельно-электронного самолета. Вся работа авиапредприятий и маевских конструкторов велась по принципу кооперации, закрепленному официальными договорами.
Авиационный завод отливал металл и прокатывал листовой и прутковый материалы. В августе 1933 г. "электронная" мастерская переведена в более удобное помещение при экспериментальном цехе. Появились медники, приобрели кое-какой инструмент; в основном же инструменты изготавливали своими силами. Был составлен план работы мастерской.
Первой изготовлена нервюра крыла для статических испытаний, затем шпангоут ¦1 и отсек лонжерона крыла. Медники освоили производство небольших деталей и узлов.
В первые месяцы брак при обжиме труб доходил до 80-90% и только после создания специальных приспособлений снизился до 70%. По нескольку раз приходилось переделывать детали, т.к. в местах деформаций возникали трещины. Технологами сделано множество приспособлений и устройств, обеспечивающих изготовление деталей без брака: гибочные машины, протяжки, трехвалки, специальные тиски с электроподогревом. Многие устройства выполнены на уровне изобретений - например, электрифицированные патроны для фасонного обжатия труб.
Вследствие малой пластичности нового сплава технология его обработки требовала разогрева металла до 280-290¦ С. Такую температуру необходимо было обеспечить и сохранять в процессе обработки детали. Кроме того, при сварке металла, горящего при нагреве, и его клепке брак не допускался, а готовые изделия требовали надежной защиты от коррозии.
Первое крупное изделие, выпущенное "электронной" мастерской, - монокок хвостовой части фюзеляжа, который при статических испытаниях показал вполне удовлетворительные результаты. После удачных испытаний мнение об "электроне" у многих работников промышленности изменилось.
В июле - августе 1934 г. были изготовлены центральная часть фюзеляжа и крыло для статических испытаний, одновременно запущена в производство хвостовая часть фюзеляжа и крылья летного экземпляра.
После незначительных переделок в соответствии с протоколами статиспытаний (проводимых в ЦАГИ) в ноябре 1934 г. работа по изготовлению первого цельноэлектронного самолета была завершена. Технологию изготовления самолета разработали С. М. Петров, С. М. Воронов, Л. С. Золотухин, Я. Е. Афанасьев и другие. В работе над самолетом принимали участие М. М. Пашинин, Л. П. Курбала, Н. М. Суматохина, Ф. П. Курочкин и другие студенты и сотрудники.
Конструкторы назвали свой самолет "Серго Орджоникидзе". Он имел несколько обозначений: "ЭМАИ-1", "ЭМАИ-1-34", "Э-1".
в. Титановые сплавы- в металловедении классифицируются по конфигурации кристаллических решёток, от которой напрямую зависят те или иные свойства конечного материала. Определённые легирующие элементы стимулируют стабилизацию кристаллических решёток титанового сплава в форме гексаэдра (б-состояние) и в форме куба (в-состояние). Поэтому специалисты различают три вида титановых сплавов б, в и смешанное - (б + в).
К титановым сплавам с кристаллической решёткой типа б относят соединения с использованием в качестве легирующих элементов алюминия, циркония и олова. Соединение титана с алюминием или оловом позволяет получать титановый пруток из жаропрочных сплавов, который применяются при изготовлении термостойких деталей, работающих в условиях повышенных температур на ответственных участках. Подобные сплавы сохраняют свою техническую и конструктивную прочность при температуре до 400 °С. Дополнительные основные свойства б-сплавов можно перечислить следующим списком:
· низкий предел застывания.
Последние два свойства позволяют активно использовать титановые б-сплавы в отливке деталей и заготовок фасонным методом.
Если в б-сплавах процентный состав легирующих элементов минимален, то подобные соединения называют техническим титаном. Технический титан хорошо поддаётся холодной штамповке и другим видам механической обработки.
Титановые сплавы второй категории, так называемые в-сплавы, отличаются следующими свойствами:
· более высокая пластичность;
· способность к холодной механической обработке;
· возможность упрочнения различными методами.
Единственный недостаток титановых сплавов этой категории - это сравнительно низкий термальный предел рабочего режима - при температуре выше 300 °С металлы этой группы склоны к охрупчиванию.
И, наконец, двухфазные титановые сплавы (б + в) представлены самой широкой группой соединений титана, используемых в промышленном масштабе. Эти металлы вобрали в себя все ценные свойства двух вышеупомянутых вариантов, за исключением хорошей свариваемости - из-за особенностей структуры кристаллической решётки на сварных швах титановых сплавов (б + в) могут наблюдаться явления охрупчивания и растрескивания.
г. Композиционные материалы- С ростом спроса к новым моделям беспилотной техники растет потребность в создании новых материалов для ее изготовления. С 1960-х годов благодаря своим характеристикам композиционные материалы успешно внедряются в авиационную и космическую технику [1].
Композитные материалы представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом композитные материалы позволяют эффективно использовать индивидуальные свойства составляющих композиции. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать композитные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости. Композиты обладают комплексом конструкционных и специальных свойств, практически недостижимых в традиционных материалах на металлической, полимерной, керамической, углеродной и других основах. Сравнительные свойства различных конструкционных материалов представлены в таблице1.
В статье рассматриваются основные виды сплавов, используемые в авиастроении. Производится анализ их технических свойств и химического состава. Изучается их производство и применение.
Данная тема для статьи была взята на рассмотрение, поскольку Самара один из городов, в котором развито авиастроение. В городе выпускают самолеты ТУ-154, аэродромное оборудование, авиационные детали. Авиакор – авиационный завод, основной продукцией которого являются пассажирские самолеты (ТУ-154М и АН-140-100). Основные его потребители – это гражданская и военная авиация. Так же данное предприятие производит обслуживание и капитальный ремонт самолетов.
ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ
Алюминиевые сплавы – это сплавы, в состав которых входит алюминий и легирующие добавки, такие как цинк, медь, марганец, литий. В следствии чего появляется возможность подвергать такие сплавы упрочняющей термической обработке. Для производства сплавов используется алюминий, выпускаемый в виде чушек. Такие сплавы образуют твердые растворы, эвтектики. Их подвергают закалке, старению и отжигу. При закалке Tнагрева = 485. 525°С. после охлаждения деталь подвергают старению при Т = 150. 200°С на протяжении 10. 24 часов. Благодаря таким тепловым обработкам увеличивается твердость и прочность обрабатываемых сплавов.
Деформируемые сплавы – металлические сплавы для изготовления изделий, которые подвергают пластической деформации в горячем и холодном состоянии.
Высокопрочные сплавы
Алюминий В95пч – высокопрочный термоупрочняемый сплав алюминия с цинком, магнием и медью (табл. 1). Это самый прочный из наиболее известных сплавов алюминия. Сплав обладает высокой твёрдостью и прочностью (σв = 500–560 МПа; σ0,2 = 430–480 МПа; δ = 7–8 % [1]) в виду образования твёрдых кристаллических образований в нём. Широко применяемый высокопрочный сплав в виде катаных и прессованных длинномерных (до 30 м) полуфабрикатов для верхних обшивок крыла (плиты, листы), стрингеров, балок, стоек (профили, трубы) и других элементов фюзеляжа и крыла (рис. 1) современных самолетов (Ту-204, Бе-200, Ил-96, SSI-100).
Зарубежные металлургические компании выпускают следующие материалы – аналоги В95пч:
В современных авиаконструкциях применяются разнообразные материалы, но наиболее широко — алюминиевые и магниевые сплавы, стали различных марок, титан и его сплавы. Кроме металлических материалов, используются и неметаллические (резиновые, пластмассовые и другие).
В авиастроении алюминий применяют в основном в виде сплавов. Методом сплавления алюминия с другими металлами (медь, магний, марганец и др.) и соответствующей термической обработкой получают сплавы во много раз более прочные, чем алюминий. Большая группа высокопрочных алюминиевых сплавов, содержащих в качестве основного легирующего компонента медь, известна в технике под названием дуралюмин. Относительно высокая коррозионная стойкость чистого алюминия обуславливается наличием на его поверхности окисной пленки. Она быстро образуется благодаря легкому взаимодействию алюминия с кислородом. Различные добавки, вводимые в алюминий для придания ему необходимых механических свойств, нарушают однородность его поверхности, поэтому сплавы не имеют непрерывной, плотной и однородной окисной пленки, как чистый алюминий, что способствует уменьшению его коррозионной стойкости. 8
В зависимости от способа изготовления все алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные.
Деформируемые сплавы выпускаются в виде самых разнообразных полуфабрикатов: листов, профилей, панелей, труб, прутков, штамповок, поковок, проволоки и др. Листы могут быть плакированные и неплакиро- ванные. Метод плакирования состоит в том, что на плиту из сплава накладывается со обеих сторон по листу чистого алюминия, после чего плита подвергается горячей прокатке, в процессе которой алюминиевые листы свариваются с сердцевиной. Плакирование производится для повышения коррозионной стойкости. Деформируемые алюминиевые сплавы по коррозионной стойкости могут быть разделены на две группы.
К первой группе относятся сплавы, обладающие сравнительно высокой коррозионной стойкостью - зто сплавы, не содержащие медь, например: АМц, АМцІ, AMrl, АМг2 и другие, а также плакированные сплавы Діб, Д19, В95. Ко второй — сплавы с пониженной коррозионной стойкостью неплакированные Д1, Діб, Д19, В95, ковочные сплавы АК4, АК6, АК8 и другие.
Литейные сплавы обладают различной коррозионной стойкостью. Сплавы АЛ5, АЛ6, АЛ12 и АЛ19 содержат медь, коррозионная стойкость их низкая. Хорошей стойкостью обладают сплавы: АЛ2, АЛ8, АЛ12 и АЛ13. Жаропрочные сплавы ВАЛІ, ВАЛ19 обладают пониженной коррозионной стойкостью. Коррозионная стойкость литейных алюминиевых сплавов зависит не только от состава, но и от степени пористости. Алюминиевые сплавы в самолето- и вертолетостроении широко применяют для изготовления крыльев, фюзеляжа и оперения (стабилизатор, киль, рули). Для этих целей расходуется примерно 60 . 90 % алюминиевых сплавов из всех сплавов, используемых в авиационных конструкциях. Они также расходуются на изготовление заклепок, колес, шасси, лопастей воздушных винтов, внутренней отделки и в приборах.
Магниевые сплавы. Вследствие малой механической прочности и низкой коррозионной стойкости чистый магний в авиастроении не применяется. В авиационных конструкциях используются главным образом детали из литейных магниевых сплавов. Большим преимуществом их по сравнению с другими сплавами является меньшая масса, плотность их равна 1,76 .. . 2,00 г/см3, что примерно в 4 раза меньше, чем у стали, и в 1,5 раза меньше, чем у алюминиевых сплавов. Из магниевых сплавов отливают корпуса компрессоров и приборов, картеры, крышки картеров, корпуса нагнетателей, картеры масляных насосов, детали авиаколес (тормозные барабаны, колодки, реборды, корпуса тормозов и др.), штурвалы, колонки управления, фермы шасси, кронштейны, каркасы фонарей, окон, люков, сидений и многие другие детали самолетов и авиадвигателей.
Стали. В авиастроении применяются стали различных марок.
К первой группе относятся углеродистые стали: СтЮ, СтЮА, Ст20, Ст20А и т.д. до Ст65А, имеющие низкую коррозионную стойкость; из них изготавливают малонагруженные и средненагруженные детали самолетов
9 Наиболее распространенными методами предохранения металлов и сплавов от коррозии является создание на их поверхности защитных покрытий. По виду материалов, из которых состоят защитные покрытия, их можно разделить на следующие группы:
неорганические неметаллические (окисные, фосфатные и т.п.), органические (лакокрасочные).
Из всех видов защитных противокоррозионных покрытий наибольшее распространение получило применение лакокрасочных покрытий в сочетании с неорганическими. Применение лакокрасочных покрытий является наиболее доступным способом защиты металлических и неметаллических изделий от коррозии и разрушений. Они весьма выгодно отличаются от других защитных покрытий сравнительно низкой стоимостью и простотой технологии их получения. .
Кроме защиты от коррозии металлических материалов и разрушения неметаллических, лакокрасочные покрытия придают летательным аппаратам красивый внешний вид, отражают солнечные лучи, что позволяет уменьшить нагрев пассажирских кабин при стоянке летательных аппаратов на аэродромах в летнее время года.
Покрытия также могут быть применены для повышения видимости машин в туманную погоду и сумерки и выполнять ряд других функций.
Читайте также: