Металлы и сплавы с особыми свойствами

Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необходимо применение материалов со строго регламентированными значениями в определенных температурных интервалах эксплуатации таких свойств, как температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) и модуль нормальной упругости (ТКМУ). Основным представителем сплавов с минимальным ТКЛР является инвар – сплав 36Н. Он используется в качестве конструкционного материала для деталей, для которых важно постоянство размеров в интервале рабочих температур от -100 до 100 ^ОС. Содержание углерода в сталях инварного класса не должно превышать 0.05%..В результате закалки с 830 ^ОС, отпуске при 315 ^ОС и последующей холодной деформации можно получить инвар с ТКЛР почти равным нулю. Дополнительно снизить ТКЛР можно за счет легирования кобальтом и малыми добавками меди. Такой сплав называют суперинваром.

Состав сплавов для пайки и сварки со стеклом подбирают таким образом, чтобы ТКЛР стекла и металла были близки во всем интервале температур вплоть до размягчения стекла. Ковар применяют для соединения с термостойкими стеклами, а платинит с обычными легкоплавкими.

Сплавы с заданными свойствами упругости, помимо низких значений ТКМУ, должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям в условиях статического и циклического нагружения. Такие сплавы называются элинварами. Помимо железа и никеля в них содержится хром,титан, кобальт, алюминий или бериллий. Такие элинварные сплавы, как 42 НХТЮ, 44НХТЮ и 30Н25КТЮ применяют для изготовления упругих чувствительных элементов прецизионных приборов, динамометров, волосковых спиралей часовых механизмов.

Достаточно обширный класс металлических материалов, в которых обратимая неупругая деформация может осуществляться за счет структурного превращения получил название материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ). При теплосменах такие сплавы могут многократно обратимо деформироваться, причем способность к восстановлению деформации не может быть подавлена даже при высоком силовом воздействии. Эффект памяти формы проявляется в сплавах, характеризующихся термоупругим мартенситным превращением и малым изменением объема при превращении (менее 0.5%).

Из большого числа сплавов с ЭПФ наиболее перспективными для практического применения является сплавыTi-Ni эквиатомного состава, обычно называемый нитинолом. Реже используют более дешевые сплавы на основе меди Cu-Al-Ni и Cu-Al-Zn.

Сплавы с ЭПФ нашли применение при создании космических аппаратов, для монтажа конструкций на больших глубинах, термомеханического соединения и ремонта труб, заклепок, при невозможности осуществления каких-либо действий на противоположной стороне скрепляемых деталей, в медицине при изготовлении имплантируемых органов, благлдаря хорошей биосовместимости.

Ядерная энергетика предъявляет повышенные требования к используемым материалам, технологии их производства и контролю работоспособности. Конструкционные материалы под действием облучения испытывают структурные превращения, оказывающие негативное влияние на механические свойства (увеличение предела текучести) и коррозионную стойкость. Наиболее сильное влияние оказывает нейтронное излучение. Наиболее опасным следствием является радиационное распухание, которое удается подавить за счет развитого дисперсионного твердения. Типичными представителями радиационно-стойких сталей являются 03Х18Н10Т2, 04Х15М3Т2Ч, 03Х12Н23МТЭРЦЧ.

Использование специальных методов закалки, позволяющих достигать скорости охлаждения более 10⁵ К/с, позволяет получать ряд металлических сплавов в стеклообразном аморфном состоянии. В структуре аморфных сплавов нет кристаллической анизотропии, отсутствуют границы зерен, и другие дефекты, присущие кристаллическим сплавам. Следствием такой аморфной структуры являются необычные магнитные (экстремально высокая магнитная мягкость), механические (исключительно высокая твердость и прочность при растяжении), электрические свойства (высокое удельное электрическое сопротивление) и коррозионная стойкость.

Для практического применения обычно используют сплавы переходных металлов (Fe, Co, Ni, Mn, Cr и др.), в которые для образования аморфной структуры добавляют до 30% аморфообразующих элементов (B, C, Si, P, S). Например? Ni₄₉Fe₂₉P₁₄B₆Al₂, Fe₈₀B₂₀, Fe₆₀Cr₆Mo₆B₂₈.

Вблизи абсолютного нуля у многих металлов и сплавов проявляется эффект сверхпроводимости. Из чистых металлов наивысшей критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние обладает ниобий (9.2 К). Кроме ниобия d такие сплавы добавляют Zr, Ti, Sn, Ge/ для повышения значения критического магнитного поля. В настоящее время разработаны керамические материалы с переходом при температуре 250 К и выше. Типичные представители - Nb₃Ga, Ba(Pb)O₃, LaSrCuO₄, VBa₂Cu₃O₉.

Среди сплавов с магнитными свойствами различают магнитотвердые и магнитомягкие материалы. Магнитотвердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов. Магнитомягкие используются для работы в переменных магнитных полях.

Для листовых электротехнических сталей принята следующая маркировка: После первой буквы «Э» следуют две или больше цифры. Первая показывает содержание Si, вторая характеризует уровень электротехнических свойств (чем цифра выше, тем выше и эти свойства).

Примеры: ЕХ3 – магнитотвердая сталь с 3 % Cr, Э1 – магнитомягкая динамная сталь, Э4 – трансформаторная сталь.

Что касается производства сплавов для особо сильных постоянных магнитов, то существуют две основные технологии на основе использования редкоземельных металлов: порошковая, основанная на спекании и упрощенная технология получения постоянных магнитов, состоящих из порошка и полимерного связующего. Разработаны три базовых сплава (SmCo₅, Sm₂Co₁₇, Nd₂Fe₁₄B), которые легируют Al, Cu, Nb, Zr, Ga, Dy, Tb в зависимости от технических требований и условий эксплуатации.

К материалам со специальными магнитными свойствами относят сплавы с большой магнитострикцией и термомагнитные сплавы.

Сплавы с большой магнитострикцией (изменение объема и линейных размеров при изменении состояния намагниченности) используют в ультразвуковой и гидроакустической аппаратуре (49К2Ф, 65К, 14Ю).

Термомагнитные сплавы – металлические материалы, магнитная индукция которых меняется почти линейно с изменением температуры во много раз сильнее, чем у других магнитных материалов. Применяются в магнитоэлектрических приборах (гальванометры, счетчики электроэнергии) для снижения их погрешности (кальмаллой -NiCu₃₀, термаллой -FeNi₃₈).