Тема 2. 5. Стали и сплавы с особыми свойствами

Помимо рассмотренных выше наиболее распространенных групп сталей, к конструкционным относятся также высокопрочные, износостойкие, коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные стали, а также стали (и железосодержащие сплавы) с особыми физическими свойствами.

Высокопрочные мартенситно-стареющиебезуглеродистые (£ 0, 03 % С) стали, которые обладают большой прочностью и высоким сопротивлением хрупкому разрушению (табл. 2.6). Это обеспечивает малую чувствительность стали к концентраторам напряжений и, следовательно, высокую надёжность конструкций.

Таблица 2.6. Состав и свойства мартенситностареющих сталей

Наибольшее применение в технике получила высокопрочная мартенситно-стареющая сталь Н18К9М5Т, содержащая £ 0, 03 %; С; ~ 18 % Ni; ~ 9 % Co; ~ 5 % Mo; ~ 0, 7 % Ti.

Сталь подвергают воздушной закалке с 800-850 °С. После закалки она имеет структуру безуглеродистого мартенсита и обладает наряду с повышенной прочностью (s_B» 1100-1200 МПа) хорошей пластичностью и вязкостью (d» 18-20 %; KCU» 200-250 Дж/см²).

Старение (отпуск) закалённой стали при 480-520 °С повышает прочность, но снижает пластичность и вязкость (s_B = 1800-2000 МПа, s_{0, 2} = 1600-1800 МПа; d = 8-12 %; КCU = 40-60 Дж/см²). Упрочнение при старении связано с процессами образования (главным образом до момента обособления) из мартенсита вторичных фаз типа Ni₃Ti, (Ni, Fe, Cr)₃(Ti, Al), Ni₃Nb, Fe₃W₂, Fe₃Mo_2, Fe, Ni, Co)₇(W, Mo)₆. Мартенситно-стареющие стали применяют в авиационной промышленности, ракетной технике, судостроении, криогенной технике и в других отраслях машиностроения.

Основная цель легирования этих сталей – повышение прокаливаемости. Чем больше легирующих элементов, тем больше критический диаметр закаливаемых деталей, тем более крупный подшипник может быть изготовлен из данной стали.

Износостойкие стали. Высокоуглеродистую и высокомарганцовистую сталь Гадфильда аустенитного класса типа 110Г13Л (С = 0, 9-1, 3 %; Mn = 13 %; Mn: C ³ 10) применяют в качестве износостойкого материала. В литом состоянии сталь имеет структуру аустенита с карбидами марганца Mn₃C (см. рис. 2.17, а), которые обычно располагаются цепочкой по границам зёрен аустенита, что придаёт стали повышенную хрупкость. Сталь подвергают закалке с нагревом до 1100 °С и последующим быстрым охлаждением в воде. При нагреве под закалку карбиды растворяются в аустените, а при быстром охлаждении не успевают выделиться. Сталь приобретает структуру высоколегированного марганцовистого аустенита. В таком состоянии сталь обладает большой вязкостью и повышенной способностью к наклёпу при действии ударных и статических нагрузок (твёрдость повышается с НВ 2200 до НВ 5500 МПа). Высокая твёрдость поверхностного слоя обеспечивает хорошую износостойкость деталей.

Изделия, изготовленные из стали типа 110Г13Л, хорошо сопротивляются износу только тогда, когда трение сопровождается большими давлениями или ударами и воздействием абразива. Из стали типа 110Г13Л изготавливают путем литья зубья ковшей экскаваторов, крестовины и стрелки трамвайных и железнодорожных путей, шары и щеки камнедробилок, траки гусениц и т. п.

Коррозионно-стойкие стали. Введение в сталь хрома не менее 12 % делает ее коррозионно-стойкой во влажной атмосфере, в воде, в ряде кислот, солей и щелочей. Это обусловлено скачкообразным повышением электродного потенциала с +0, 2 до –0, 6 В в стали при содержании в ней углерода не менее 12%.

Стали, содержащие меньше 12 % Cr, практически также подвержены коррозии, как и железо.

1. Хромистые коррозионно-стойкие стали мартенситного класса 20Х13, 30Х13, 40Х13 и мартенситно-ферритного класса 12Х13. Коррозионно-стойкие хромистые стали с фазовым превращением 20Х13 (мартенситный класс) и с частичным фазовым превращением (мартенситно-ферритный класс) 12Х13 подвергают закалке (1000–1050 °С, воздух или масло) и высокому отпуску при 660–800 °С. Химический состав и механические свойства хромистых сталей типа Х13 приведены в табл. 2.7.

2. Хромистые коррозионно-стойкие стали ферритного класса 08Х13, 12Х17, 15Х25Т, 15Х28 и др. Хромистые стали ферритного класса 12Х17 и 08Х17Т применяются в отожженном состоянии; у этих сталей удовлетворительная пластичность в горячем и в холодном состоянии; однако вследствие пониженной пластичности сварных соединений, связанной с ростом зерна в зонах, прилегающих к сварному шву, в результате воздействия высоких температур при сварке и пониженной коррозионной стойкости зон, расположенных вблизи сварных швов, изделия из этих сталей изготовляют преимущественно без применения сварки; введение в 17%-ную хромистую сталь Ti, связывающего углерод в карбиды (TiC), способствует повышению сопротивляемости межкристаллитной коррозии (сталь 08Х17Т). Высокохромистые стали ферритного класса 15Х25Т, 15Х28Т в отожженном состоянии обладают высокой стойкостью в сильно-агрессивных средах. Химический состав и механические свойства ферритных хромистых сталей приведены в табл. 2.7.

3. Хромоникелевые коррозионно-стойкие стали аустенитного класса 12Х18Н9Т, 12Х18Н12Т, 10Х14Г14Н4Т, 03Х16Н15М3Б и др. Для повышения коррозионной стойкости стали подвергают закалке с нагревом до 1050-1150 °С (для растворения карбидов хрома Cr₂₃C₆) с охлаждением в воде для получения чисто аустенитной структуры.

Эти стали применяют для изготовления коррозионно-стойких изделий (лопатки турбин, трубопроводы, теплообменники, предметы домашнего обихода, скульптура и др.). Некоторые стали могут также применять как жаростойкие до 800 °С, реже 850-1000 °С и жаропрочные до 650-680 °С. Химический состав и механические свойства аустенитных сталей приведены в табл. 2.7.

Таблица 2.7. Химический состав и механические свойства хромистых

и хромоникеле­вых сталей

Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы. Это стали и сплавы, применяемые в энергомашиностроении для изготовления деталей, работающих при высоких температурах.

Жаростойкими (окалиностойкими) называют стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550 ° С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии (табл. 2.8).

Таблица 2.8. Химический состав некоторых жаростойких сталей

Жаропрочными называют стали и сплавы, сохраняющие при повышенных температурах в течение определенного времени высокую механическую прочность и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Жаропрочность характеризуется, в основном, пределами ползучести и длительной прочности. Ориентировочно о жаропрочности судят также по механическим свойствам, определяемым кратковременным испытанием на растяжение при рабочей температуре.

Жаропрочность стали (сплава) определяется химическим составом и структурой; к числу элементов, повышающим жаропрочность, относятся молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан, кобальт, алюминий и отчасти хром и никель. Последний, наряду с марганцем, имеет значение, главным образом, как аустенитообразующий элемент (поскольку аустенитная структура создает наибольшую жаропрочность стали). На жаропрочные свойства хром влияет меньше, чем многие другие элементы. Однако его присутствие в стали или сплаве наряду с алюминием и кремнием повышает их жаростойкость (окалиностойкость). Поэтому хром – обязательный компонент жаропрочных сталей и сплавов.

К жаропрочным сталям относят сплавы на основе железа, если содержание последнего превышает 50 %. В зависимости от суммарного содержания легирующих элементов жаропрочные стали могут быть низко-, средне- и высоколегированными.

В низколегированной стали суммарное содержание легирующих элементов не превышает 4–5 %. Среднелегированной называется сталь с суммарным содержанием легирующих элементов от 5 до 9 %, причем содержание каждого из них не должно превышать 5 %. Высоколегированной называют сталь, в которой содержание любого легирующего элемента превосходит 5 %, либо суммарное содержание всех легирующих элементов – более 10 %.

По микроструктуре (получаемой после охлаждения на воздухе с высокой температуры) жаропрочные стали подразделяют на семь классов: перлитный, мартенситный, мартенситно-ферритный, ферритный, аустенитно-мартенситный, аустенитно-ферритный, аустенитный.

Низколегированные стали относятся к перлитному классу, среднелегированные – к перлитному, мартенситному или мартенситно-ферритному, высоколегированные – к любому из перечисленных классов, кроме перлитного.

К сплавам на железоникелевой основе относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе. Суммарное содержание железа и никеля не менее 65 %.

К сплавам на никелевой основе относятся сплавы, содержащие не менее 50 % Ni, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в никеле (содержание железа не более 6–8 %).

Стали перлитного класса. Среди низколегированных сталей высокой жаропрочностью отличаются молибденосодержащие стали, например, хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые, хромомолибденовольфрамованадиевые, имеющие достаточно высокие сопротивление ползучести и длительную прочность при температурах до 565–580 °С. Такие стали условно называют теплоустойчивыми.

Химический состав теплоустойчивых сталей перлитного класса приведен в табл. 2.9. Они содержат 0, 5–3, 3 % Cr; 0, 25–1, 2 % Мо; 0, 15–0, 8 % V (15ХМ, 12ХМФ, 25ХМФ). Некоторые марки содержат 0, 3–0, 8 % W либо Nb. Режим термической обработки низколегированных сталей включает закалку в масле и высокий отпуск на структуру сорбит. Механические свойства при повышенных температурах, определяемые кратковременным испытанием на растяжение, как правило, не регламентируются. Решающее значение имеют нормы длительной прочности и ползучести при рабочих температурах в зависимости от длительности службы за время 10 000–100 000 ч (табл. 2.9). Эти стали применяют для изготовления различных деталей в котлостроении, работающих длительное время (10 000–100 000 ч) при температурах 500–580 °С, в частности, для паропроводных и пароперегревательных труб, а также для проката и поковок, используемых в турбинах и паровых котлах высокого давления.

Таблица 2.9. Химический состав и механические свойства жаропрочных сталей

Стали мартенситного класса. Стали мартенситного классасодержат 4, 5–12 % Cr, а также в значительно меньшем количестве Ni, W, Mo, V. Режим термической обработки мартенситных сталей включает закалку на воздухе или в масле и высокий отпуск на структуру сорбит. Стали марок 15Х5, 15Х5М, 15Х5ВФ и 15Х8ВФ широко применяют для изготовления элементов аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов – деталей насосов, задвижек, крепежных деталей, крекинговых труб, работающих при температурах 550–600 °С.

Коррозионно-стойкие стали марок 15Х11МФ и 15Х12ВНМФ применяются для лопаток турбин, работающих при температурах 550–600 °С. Стали этой же группы с более высоким содержанием Cr (6–10 %) и с повышенным содержанием Si (2–3 %), в основном, применяют для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания (40Х9С2, 40Х10С2М, табл. 2.8).

Стали мартенситно-ферритного класса. Стали мартенситно-ферритного классасодержат в структуре кроме мартенсита 10–25 % феррита. Основная легирующая добавка и в этих сталях – Cr (11–13 %), наряду с которым присутствуют менее значительные присадки Ni, W, Mo, Nb, V (модифицированные хромистые стали, табл. 2.9). Их термическая обработка заключается либо в закалке с отпуском, либо в нормализации с отпуском. Механические свойства при надлежащей температуре отпуска практически равноценны. Уровень жаропрочных свойств после оптимальной термической обработки для большинства сталей мартенситно-ферритного класса также примерно одинаков. Однако наиболее высокие (при обработке на одинаковую твердость) характеристики жаропрочности при 500–600 °С у стали 18Х12ВМБФР.

Эти стали изготовляют в виде сортового проката и применяют в турбостроении для лопаток и дисков турбин, а также для крепежных деталей. Ориентировочная рабочая температура для стали 15Х12ВНМФ – 550–580 °С и 570–600 °С – для стали 18Х12ВМБФР.

Стали аустенитного класса. Стали аустенитного класса– в основном хромоникелевые стали с содержанием Cr и Ni в пределах от 7 до 25 % каждого, наряду с которыми присутствуют W, Mo, Ti, Nb и др. Это самая многочисленная группа жаропрочных (и жаростойких) сталей (см. ГОСТ 5632–72).

В марках этих сталей приняты следующие обозначения для легирующих элементов: А – N, Б – Nb, В – W, Г – Mn, К – Co, М – Mo, Н – Ni, P – B, C – Si, T – Ti, Ф – V, X – Cr, Ю – Al. Цифра после буквы указывает на округленное (среднемарочное) содержание этого элемента в процентах (при содержании менее 1 % цифру не пишут). Исключение – углерод, содержание которого первые две цифры марки выражают в сотых долях процента. Например, марка 45Х14Н14В2М следующего состава: 0, 45 % С, 14 % Cr, 14 % Ni, 2 % W, и ≤ 1 % Мо. В соответствии с особенностями легированного аустенита характеристики жаропрочных свойств аустенитных сталей более высокие, чем у жаропрочных сталей перлитного или мартенситного классов.

Не упрочняемые термической обработкой стали типа 08Х18Н10Т подвергают аустенизации (охлаждение в воде, масле или на воздухе) для повышения их коррозионной стойкости. Сталь 08Х18Н10Т применяют как жаропрочную и жаростойкую. При температуре до 600 °С у стали стабильные механические свойства, она устойчива против межкристаллитной коррозии и хорошо сваривается. Сталь этой марки изготовляют в виде сортового проката, поковок, листа, труб для энергетического и химического оборудования. Аналогичные свойства у стали 12Х18Н12Т, которую применяют в тех же областях техники.

Упрочняемые термической обработкой стали, легированные W и Mo, подвергают аустенизации и старению при 700-800 °С для получения структуры аустенита и карбидов. У хромоникельвольфрамовых аустенитных сталей (45Х14Н14В2М) повышенные жаропрочность и сопротивление усталости при высоких температурах. Сталь 45Х14Н14В2М находит применение для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания. Для длительных сроков службы при температурах 600–650 °С рекомендуется сталь того же типа с пониженным содержанием С (до 0, 15 %).

Аустенитные стали применяют, как правило, для изготовления деталей, работающих при температурах 650–700 °С весьма длительное время. Механические свойства этих сталей при температуре 20 °С похожи, но пределы длительной прочности и ползучести отличаются весьма существенно. Наиболее жаропрочные из них стали 09Х14Н19В2БР1 и 09Х14Н19В2БР, которые применяют для изготовления пароперегревательных и паропроводных труб установок сверхвысокого давления.

Хромомарганцевые стали марок 30Х13Г18Ф и 37Х12Н8Г8МФБ – заменители жаропрочных сталей с более высоким содержанием никеля. Эти стали имеют достаточно высокую длительную прочность при температурах 500–650 °С.

Сплавы на железо-никелевой основе. Сплавы на железо-никелевой основе могут быть разделены на две группы: 1) с содержанием 14–16 % Cr и 32–38 % Ni и 2) с содержанием 20–25 % Cr и 25–45 % Ni (либо Ni + Mn). Сплавы первой группы дополнительно легированы вольфрамом и титаном и обладают высокой (приблизительно равной) жаропрочностью. Сплавы второй группы благодаря повышенному содержанию Cr жаростойкие, по жаропрочным свойствам они уступают сплавам первой группы, например, сплав ХН38ВТ.

Сплавы ХН35ВТ, ХН35ВМТ, ХН35ВТЮ поставляют преимущественно в виде горячекатаных и кованных прутков и полос, а также поковок. Из сплавов ХН35В5Т, ХН38ВТ и Х25Н16Г7АР, в основном, изготовляют горячекатаный и холоднокатаный лист и ленту, а из сплава ХН45Ю – также и трубы. В основном, сплавы на железо-никелевой основе применяют для изготовления деталей паровых и газовых турбин.

Сплавы на никелевой основе. Сплавы на никелевой основе подразделяют на две группы (см. ГОСТ 5632–72): 1) сплавы, применяемые преимущественно как жаропрочные, и 2) жаростойкие сплавы, обладающие необходимым минимумом жаропрочности.

Наиболее часто применяемые сплавы первой группы относятся к системе Ni–Cr–Ti–Al. Присутствие в этих сплавах Ti и Аl в количествах, превышающих их предельную растворимость в твердом растворе при температурах 650–950 °С, позволяет достигнуть после закалки (аустенизации) и отпуска существенного эффекта дисперсионного твердения, благодаря выделению дисперсных частиц интерметаллической фазы типа Ni₃(Тi, NiAl). Такая микроструктура делает сплав устойчивым против температурного воздействия при 700–800 °С и выше.

Введение в дисперсионно-твердеющие сплавы этой группы W и Мо (в сумме до» 10 %), а также Nb дополнительно упрочняет твердый раствор, замедляет развитие диффузионных процессов и увеличивает количество дисперсной упрочняющей фазы. Количество дисперсной фазы увеличивают также путем увеличения суммарного содержания Ti и Al. Все это приводит к существенному возрастанию жаропрочности сплавов, что делает возможным их применение при температурах до 800–850 °С и высоких напряжениях.

К особенностям состава никелевых жаропрочных сплавов относится присутствие в них небольших добавок поверхностно-активных элементов (В, Се, иногда Ва и Мg), способствующих рафинированию металла и упрочнению границ зерен, а также небольшое содержание в них примесей (S, P, Pb, др.).

Термическая обработка этих сплавов заключается в одинарной или двойной аустенизации с нагревом до высоких температур (1080–1200 °С) с охлаждением чаще всего на воздухе и последующем отпуске при температурах 700–850 °С. Для наибольшей стабилизации исходной структуры применительно к деталям с длительным сроком службы проводится многоступенчатый отпуск при постепенно понижающейся температуре.

Жаропрочные никелевые сплавы изготовляют в виде сортового проката (прутки круглого сечения) и частично в виде поковок различной конфигурации.

Основное назначение этой группы высоколегированных сплавов – изготовление рабочих лопаток и дисков газовых турбин. Диски работают при более высоких напряжениях, чем лопатки (но при несколько пониженной температуре), поэтому материал диска должен иметь высокое сопротивление ползучести (особенно на ободе) и повышенную прочность (в ступичной части).

Прочность сплавов на никелевой основе сохраняется высокой вплоть до температур 800–900 °С. Так, при 800 °С временное сопротивление σ _в наиболее легированных сплавов составляет 700–800 МПа, 100-часовая длительная прочность – 250–300 МПа. В то же время характеристики пластичности δ и ψ удовлетворительны при всех температурах испытания и несколько снижаются в температурном интервале дисперсионного твердения (700–800 °С). Остаточная деформация этих сплавов при испытаниях на длительную прочность при 700–800 °С порядка 3–10 %.

К материалам с особыми свойствами относят стали и сплавы, для которых основным требованием является обеспечение определённых физических или механических свойств. При этом, в первом случае, механические свойства могут играть второстепенную роль, во втором, наоборот – главную, а физические (электрические, магнитные и др.) – второстепенную.

Стали и сплавы с особыми магнитными свойствами. В материаловедении по магнитным свойствам материалы делят на магнитомягкие, магнитотвёрдые и немагнитные в зависимости от характера взаимодействия материалов с приложенным магнитным полем.

Важной характеристикой магнитных свойств ферромагнетиков является магнитная проницаемость – m, то есть скорость роста магнитной индукции В при увеличении напряжённости магнитного поля – Н. Эта характеристика является неким безразмерным коэффициентом пропорциональности между В и Н, и определяется тангенсом угла наклона начальной кривой намагничивания.

Магнитомягкими материалами называются материалы, намагничивающиеся в слабых полях, то есть имеющие высокую магнитную проницаемость – m, либо высокую индукцию насыщения – В_нас. при низкой величине коэрцитивной силы – Н_С.

Поскольку при перемагничивании магнитомягких материалов возникают тепловые потери, величина которых связана с частотой перемагничивания, то все магнитомягкие материалы делятся на высокочастотные и низкочастотные. Коэрцитивная сила для этих материалов обычно находится в пределах от 10 до 400А/м.

К низкочастотными материалами с высокой индукцией насыщения относятся железо и электротехническая сталь (Fe – 3 % Si), работающие в области частот до 100 Гц, либо легированная кобальтом электротехническая сталь – до 400 Гц. Эти материалы используют для изготовления различных трансформаторов, переключателей.

В приборостроении применяют магнитомягкие материалы с высокой магнитной проницаемостью. Такими материалами являются пермаллои (сплавы Fe – Ni с сод. Ni от 45 до 80 %). Эти сплавы могут работать при частотах до 25 кГц, а при легировании пермаллоев хромом, либо молибденом (напр., сплав 79НМ - Fe – 79 %, Ni – 5 % Мо) сплавы могут работать в области частот до 700 кГц. В пищевой промышленности пермаллои используют в приборах, управляющих работой автоматических линий различных технологических процессов, в различных узлах вычислительной техники.

В компьютерной и вычислительной технике некоторые запоминающие устройства работают при частотах порядка 1МГц (Мегагерц). В этих случаях в качестве магнитомягких материалов используются ферриты, спеченные из порошков оксидов железа (Fe₂O₃·FeO), либо оксидов железа с оксидами других металлов, например (Ba, Co) O·Fe₂O₃.

Магнитотвёрдые материалы намагничиваются в сильных магнитных полях. Для них характерна высокая коэрцитивная сила (Нc 1000кА/м) и высокая остаточная индукция – В_ост.. Но, поскольку магнитная индукция ограничена индукцией насыщения, то величину магнитной энергии этих материалов увеличивают, главным образом, за счёт повышения коэрцитивной силы. Магнитотвёрдые материалы используются для изготовления постоянных магнитов.

К магнитотвёрдым материалам относят деформируемые сплавы системы Cu-Ni-Co («кунико») и Cu-Ni-Fe («кунифе»), литые сплавы системы (Fe-Al-Ni-Co-Cu), напр., литой сплав «альнико». Удельная магнитная мощность магнитов из этих сплавов меняется в пределах от 10 до 35 кДж/м3 (более высокая для сплавов типа альнико).

Для изготовления магнитов малых размеров, но большой мощности, используют сплавы кобальта с редкоземельными элементами (напр., SmCo5, Sm5Co17 и др.). Удельная мощность таких магнитов почти в 1000 раз больше, чем для сплавов альнико и достигает 8-10 МДж/м3.

Немагнитные материалы. В приборах многие детали должны быть изготовлены из немагнитных материалов. К числу таких материалов относятся латуни (сплавы меди с цинком), бронзы (сплавы меди с Al, Ni, Si и др. элементами). Немагнитными являются и многие аустенитные стали (Х18Н9, 08Х18Н10Т, 55Г9Н9Х3, 45Г17Ю3 и др.).

Стали и сплавы с особыми электрическими свойствами. В зависимости от величины удельного электросопротивления r, измеряемого в Ом·м, все материалы делят на группы: 1) сверхпроводники (r ≤ 10 ^{- 20}Ом·м), 2) криопроводники (r от 10^-10 до 10^-8 Ом·м), 3) металлы и сплавы (r от 10^-8 до 10^-5 Ом·м), 4) полупроводники (r от 10^-5 до 10⁸ Ом·м), 5) диэлектрики (или изоляторы) от 10⁸ до 10²² Ом·м.

Сверхпроводящие свойства металлических материалов проявляются в интервале температур от 5 до 20 К. Такими свойствами обладает чистый ниобий и его сплавы (напр., 65БТ – 65 % Nb–24 % Ti–11 % Zr). Используются эти сплавы для изготовления магнитов большой мощности, а тонкие ленты и проволоки – в некоторых приборах автоматического управления.

Криопроводники работают в интервале ттемператур 77-120 К. К их числу относятся медь, бронза. Используются в электронных приборах.

Проводниковые материалы из металлов и сплавов делят на три группы: 1)металлы и сплавы высокой проводимости, 2) контактные материалы, 3) стали и сплавы высокого сопротивления.

К числу материалов высокой проводимости относятся Ag, Cu, Al, Fe и многие сплавы на их основе. Используются эти материалы в качестве токонесущих проводов, электрических шин, различных кабелей. Алюминий используется также в качестве конденсаторной фольги. Железо и низкоуглеродистые стали используются для изготовления рельсов трамваев, метро, электропоездов.

Для электрических контактов используют Cu, Ag, Au либо латуни. Основное требование к контактным материалам - низкое переходное электросопротивление. Контакты делят на неподвижные (зажимные), скользящие и разрывные. Для зажимных контактов основным требованием является высокое сопротивление окислению. Используют для их изготовления Cu, Zn, латунь.

Для скользящих контактов важно сопротивление привариванию. Поэтому при изготовлении их к Cu и Ag добавляют порошок графита.

Сплавы высокого сопротивления делят на две группы: 1) для изготовления сопротивлений нагревательных устройств, 2) для сопротивлений, работающих в приборах и реализации тонкого регулирования сопротивления.

Для этих материалов требуется точная воспроизводимость величины сопротивления.

Для сопротивлений-нагревателей (r» 1-1, 5)·10^-6 Ом·м обычно используются материалы со структурой твёрдых растворов. Эти материалы должны обладать высокой окалиностойкостью и прочностью при высоких температурах. Наиболее часто для этих целей используют нихромы Х20Н80, либо ферронихромы – Х15Н60, а также нихромы, легированные титаном – Х20Н79Т, Х20Н77Т3. Максимальная температура, до которой работают указанные сплавы – 1000-11500С (более высокая температура для сплавов, легированных титаном). Используют также и более дешёвые сплавы на основе железа Х13Ю4 (фехраль) и Х25Ю5А (хромаль). Последние работают до температур 850-1000 °С.

Для сопротивлений в приборах используют никелин (67 % Cu 2-3 % Mn –30-31 % Ni), константан (54 %Cu – 1 % Mn – 45 % Ni), манганин (86 % Cu – 12 % Mn – 2 % Ni) и мельхиор (60 % Cu – 17 % Ni – 23 % Zn). Сопротивление их примерно в 3-4 раза низкое, чем у нагревателей, а главное у них более низкая рабочая температура (до 300-400 °С), при которой обеспечивают более высокую стабильность свойств.

Характерной особенностью полупроводников является то, что в них валентные зоны электронов и зоны проводимости разделены зонами запрещенных энергий. Электрический ток в полупроводниках возникает лишь тогда, когда электроны из заполненной валентной зоны перейдут, преодолев зону запрещенных энергий, в зону проводимости. Энергию, необходимую для перехода электронов в зону проводимости, электроны получают либо при нагреве полупроводника, либо при освещении световым потоком.

Наиболее широко в технике используются германий (Ge), кремний (Si) и сплавы на их основе. При этом получают их особо чистыми и, как правило, в виде монокристаллов.

Полупроводники очень широко используются в различных отраслях промышленности (телевизионной промышленности и радиоэлектронике, вычислительной технике и автоматике) в качестве преобразователей одних видов энергии в другие, в частности для преобразования солнечной энергии в электрическую.

Диэлектрики (изоляторы). Наиболее широко используют для этих целей керамику, стекло, пластмассы и другие неметаллические материалы.

Сплавы с особыми физико-механическими свойствами. Для изготовления упругочувствительных элементов в различной измерительной аппаратуре используют сплавы с высокими упругими свойствами. К числу таких сплавов относятся элинвар (36НХ – 36 % Ni, 12 % Cr, ост. железо). Особенностью этого сплава является то, что при повышении температуры, упругие модули в нём практически не меняются, а не снижаются, как у других материалов.

В точном приборостроении и измерительной технике требуются также сплавы с низкими (порядка 10^-6 1/°С) температурными коэффициентами линейного расширения a, пригодные для спайки со стеклом и керамикой. Для этих целей широко используются инвары – сплавы железа с никелем, например, 36Н – (Fe – 36 % Ni). У этого сплава a примерно на порядок ниже, чем у компонентов его образующих (чистого железа и никеля). К сплавам с низкими температурными коэффициентами a относятся также суперинвар (32НКД – 32% Ni, 3-4 % Co, 0.7 % Cu, ост. Fe), ковар (29НК – 29 % Ni, 17 – 18 % Co, ост.Fe).

Сплавы с эффектом памяти формы. Сплавами с эффектом «памяти формы» называют сплавы, обладающие способностью восстанавливать форму в результате протекания в них фазового мартенситного превращения. Эффект проявляется в том, что если изменение формы изделия проводить при температурах ниже температуры М_Н (начала мартенситного превращения), а затем изделие нагреть до температуры А_К (А_К – температура окончания обратного мартенситного превращения), то изделие возвратится к своей исходной форме. Или, наоборот, если ленту или проволоку свернуть в спираль при температуре, соответствующей температуре А_К, затем охладить до температуры < М_Н и разогнуть при этой температуре, а затем снова нагреть до температуры А_К, то изделие снова свернётся в спираль. Изменение формы изделия при циклах нагрева и охлаждения может происходить многократно.

Описанным выше эффектом «памяти формы» обладают сплавы нитинол (50ат. % Ni - 50ат. % Ti), сплав Ni – 36ат. % Al, многие сплавы на основе марганца. Эти материалы широко используются в космической технике (для антенн), в качестве различных датчиков в атомной энергетике, термодатчиков соединительных элементов трубопроводов. В качестве термодатчиков вентиляционных установок целесообразно использовать более дешёвые сплавы на марганцевой основе, напр., сплав с содержанием 80 % Mn, 15 % Cu, 2 % Ni, до 3, 0 % Cr. В отличие от сталей, его маркируют как 80Г15Д2Н3Х (т.е. цифра, обозначающая количество элемента ставится не после буквы, а перед ней).

Вопросы для самоконтроля по теме:

1. Назовите основные группы коррозионно-стойких сталей и области их применения в промышленности.

2. Назовите основные группы жаростойких сталей и области их использования.

3. Какие стали возможно использовать при контакте с концентрированными уксусной и лимонной кислотами?

4. Какие из этих сталей являются коррозионно-стойкими?

1) 40ХН; 2) 30ХГСА; 3) 08Х18Н10Т; 4) 15Х14Г14Н2.

5. Какие стали относятся к жаростойким?

1) 14ХГС; 2) 25Г2С; 3) 10Х23Н18.

6. Какой характеристикой оценивают жаропрочность материала?

7. Какое минимальное содержание хрома должно быть в коррозионно-стойких сталях?

8. На какие классы делятся материалы по магнитным свойствам. Какими характеристиками они описываются?

9. Какие магнитомягкие материалы используют в конструкциях, работающих при низких частотах?

10.Какие материалы относятся к сверхпроводящим и какие – к криопроводникам?

11.Выберите материал для изготовления магнитов малых размеров, но высокой удельной мощности.

12.На какие группы делятся контактные материалы?

13.Какие материалы используются в качестве диэлектриков?

14.Какие материалы обладают аномальным тепловым расширением, и в каких областях техники их используют?

15.Где целесообразно использовать сплавы с эффектом памяти формы?