Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. Справочник

Подождите немного. Документ загружается.

тнчности достигается применением зонной плавки, что позволяет произ-

водить

холодную

деформацию прутков иодидного циркония с суммар-

ным

обжатием 99 %.

Горячая прокатка циркония в атмосфере

воздуха

приводит к газо-

насыщению.

Прокатка в гелии или в вакууме уменьшает окисление;

содержание азота практически не изменяется. Прокатка при 800 °С на

ноздухе

повышает содержание кислорода с

0,020

до 0,42 %, содержание

азота остается равным 0,015 %.

ТАБЛИЦА 27. СОДЕРЖАНИЕ ТАБЛИЦА 28. ВЛИЯНИЕ

КИСЛОРОДА

ЦИРКОНИИ

ПОСЛЕ СРЕДЫ НА ПЛАСТИЧЕСКОЕ

ГОРЯЧЕЙ

ПРОКАТКИ В РАЗЛИЧ- ОБЖАТИЕ ПРИ ПРОКАТКЕ

ПЫХ

СРЕДАХ, % [1] ЦИРКОНИЕВЫХ ОБРАЗЦОВ [1]

Среда

Ноздух

Гелий

BaicvyM.

Па:

Ю-

Содержание О. %. при

W °

900

0,073

0,026

0,024

0,019

1000

0,130

0,030

0,031

0,021

1100

0,260

0,037

0,040

0,020

1200

0,360

0,054

0,061

0,024

Среда

Воздух

Гелий

Вакуум,

Па:

Ю-

Обжатие

900

>90

исп

1000

>90

%. при

°С

1100

>90

1200

>90

Повышение

температуры прокатки увеличивает содержание кисло-

рода в цирконии (табл. 27).

Пластичность клиновидных образцов при горячей прокатке

улуч-

шается при замене

воздуха

гелием или вакуумом при малом остаточном

давлении (табл. 28).

150

725

100

rfVA

800 900 1О00 1100 1200

1100 1200

Рис.

36. Влияние среды на твердость (а) и относительное удлинение (6) цир-

кония,

прокатанного при

800—1200

"С в различных средах (1]:

/ —

воздух;

2 — вакуум 1 Па; 3 — гелий; 4 — вакуум 10 - Па

Использование

хорошего вакуума позволяет получать наилучшие

механические свойства по сравнению с прокаткой в

других

средах (рис.

36, 37).

Приведенные выше данные указывают на необходимость использо-

вания

при нагреве циркония вакуума лучше 10~

Па. Применение инер.

тного газа дает менее удовлетворительные результаты, так как даже

высокочистый инертный газ

(99,995

%) по содержанию активных приме-

сей соответствует низкому

вакууму.

Цирконий,

горячекатанный в вакууме, лучше обрабатывается в хо-

лодном состоянии, чем после горячей прокатки в атмосфере

воздуха

или

гелия. Циркониевая лента,

изготовленная из циркония,

прокатанного при 1100—

1200°С

на воздухе, непла-

стична — 6=17%; после

прокатки в гелии 6 = 38 %,

а после прокатки в вакууме

Ю-

Па 6 = 48

ГАФНИЙ

Атомный номер гафния 72,

атомная масса

178,49,

атом-

ный

радиус 0,159 нм. Гаф-

ний

имеет шесть стабиль-

ных изотопов. Электронное

строение

[Xe]4/

Элек-

троотрицательность 1,1. По-

тенциал ионизации 7,5 эВ.

Кристаллическая решетка —

п.

г. с параметрами: а —

бв,б.

,МПа

800

900 WOO

1WOt

Рис.

37.

Влияние среды

при

горячей прокатке

на

проч-

ностные характеристики

циркониевой

ленты

[I]:

—воздух:

вакуум

Ш~

Па

б —гелий;

в—

490

420

350

280

110

к-

у-

во

- 50

900

100

200 300 400 500

BOO

700t

°C

Рис.

38.

Влияние температуры

на

механи-

ческие свойства иодидного гафния после

дуговой

плавки

термообработки

при

750

°С (а) и

гафния после вакуумной

плавки,

отожженного

I ч при 700 °С (6):

0.2

Номер

кривой

при

испы-

таниях:

поперечных

....

продольных

....

/: «

7; 2

0,3197

нм, с =

0,5057

нм, с/а=

1,582;

при температуре 1742 °С — о. ц. к.

с параметром а =

0,3615

нм. Плотность 13,1 т/м

. <

пл

= 2231 °С,

ии

5225

°С. Упругие свойства гафния:

£=140

ГПа, G=31 ГПа, ц=0,35.

зависимости

от

метода изготовления гафний содержит различ-

ное

количество примесей (табл.

29).

Гафний

при

комнатной

повышенных температурах пластичен

(табл.

30, рис.

38—40).

ZOO WO 600t

ucn

°C

100

200 JOOt

°C

Рис.

39.

Влияние темпера-

туры

на

механические свой-

ства отожженного

при 700 °С

гафния

[1]:

—

продольные образцы;

—

поперечные образцы

Рис.

40.

Влияние темпера-

туры

на

механические свой-

ства отожженного

при

925

°С

иодидного гафния

ТАБЛИЦА

29.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРИМЕСЕЙ

ГАФНИИ,

ПОЛУЧЕННОМ

РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ

[1]

Примесь

А1

Со

Си

Способ получения

иодиднмй

(не

более)

0,012

0,00002

0,00005

0,00003

0,02

0,00005

0,004

0,08

0,00001

0,015

0,004

0,00001

0,004

0,006

0,004

0,01

0,003

0,000

дуговая вакуумная

плавка

0,044—0,09-

0,005—0,008

0,003—0,008

0,0016—0,0175

0,006—0,012

0,0003—0,0007

0,011—0,044

0,0001—0,0002

0,0005

0,02

0,001

0,003—0,0085

0,004

0,007—0,012

0,004—0,0155

2,1—2,2

электронно-

лучевая плавка

0,014—0,036

0,002—0,006

0,003—0,015

0,0009—0,0022

0,0025—0,005

0,00005

0,001—0,005

0,001

—

0,007

0,001

0,001—0,003

0,001—0,002

1,4—1,8

ТАБЛИЦА

30.

МЕХАНИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА ПОЛУФАБРИКАТОВ

ГАФНИЯ.

ПОЛУЧЕННЫХ

РАЗЛИЧНЫМИ

МЕТОДАМИ [I]

'отж

фабриката,

„.

МПа

°0,2-

МПа

•Ф.

920

700

Электронно-лучевой,

прокатка,

отжиг

296

456

540

364

182

384

303

Иодидный,

прокатка,

отжиг

900

700

——

296

260

816

410

232

456

277

155

75,0

243

240

Иодидный,

выдавливание

676

141

294

118

Пластичность

гафния при увеличении температуры повышается и

при

800°С

достигает г|з=100% и 6=80%. Гафний с 3% циркония

также достаточно пластичен [1]:

исп

°С 24

сг

, МПа 407

154

а„,

МПа

б, %

t|>,

149

317

120

260

259

371

204

482

178

593

141

Примесь

меди повышает прочность, но понижает пластичность гаф-

ния

(рис. 41).

Обработка давлением гаф-

ния

в холодном состоянии зна-

чительно затрудняется при на-

б/,/1Пй

дичии

0,12 % О или 0,015 % 350

аналогичное действие ока-

зывает примесь более 0,01 %

Си.

Твердость слитков гафния

промышленной

чистоты после

дуговой плавки составляет НВ

188—200,

а после электронно-

лучевой плавки НВ 153—173.

Нагрев

слитков перед го-

рячей

деформацией производят

р фр р

атмосфере очищенного арго-

на,

содержащего не более

0,02 % (объемн.) примесей, или

очищенном гелии (не более

0,05 % примесей).

го

ВО ВО 0 20

Cll

-W,7o

40 6п

Рис. 41.

Влияние

содержания

меди

на ме-

ханические

свойства

гафния

[1]

Гафний

обладает достаточной пластичностью для обработки дав-

лением вгорячую и вхолодную. Он деформируется не так легко, как цир-

коний,

поэтому его нагревают до более высокой температуры; 950—

100 °С при ковке и

815—930

°С — при прокатке. После горячей де-

формации

гафний можно прокатывать

вхолодную

до полос и фольги

толщиной

0,05 мм, штамповать, а также волочить до проволоки с про-

межуточными отжигами после 35 % общего обжатия, так как гафний

быстро нагартовывается.

21.

МЕТАЛЛЫ

ПОДГРУППЫ

/ванадий,

ниобий

тантал

устойчивы на

воздухе

при обычной темпера-

туре,

при повышенной взаимодействуют с кислородом, галогенами, азо-

том, углеродом, водородом, со щелочами. Ванадий не стоек в соляной,

серной,

азотной, плавиковой кислотах и в царской водке. Ниобий и

особенно тантал стойки к действию соляной, серной и азотной кислот;

танталовые тигли применяют для плавки редкоземельных металлов.

Температуры плавления соединений металлов VA подгруппы при-

ведены ниже, °С:

Соединение . . VC VN

NbC NbN Nb

TaC TaN

Ta,G

ПЛ

, °С. . . .

2780 2360

685

3480 2400

1500

4000

3090

1895

Ванадий, ниобий и тантал обладают высокой пластичностью при

20 °С: поперечное сужение их равно

96—97%

даже

при наличии не-

скольких сотых долей процента примесей. Так как при улучшении очи-

стки

от примесей металлов VA подгруппы пластичность повышается,

можно рассчитывать, что при более совершенной очистке их относи-

тельное сужение при 20 °С достигнет 100 %.

повышением температуры пластичность остается высокой без ка-

ких-либо зон хрупкости. Небольшое понижение пластичности при про-

межуточных температурах наблюдалось только у загрязненных ме-

таллов.

При

низких температурах примеси существенно

ухудшают

пластич-

ность ванадия, ниобия и тантала.

Горячая деформация в атмосфере

воздуха

ухудшает

пластичность

этих металлов; наилучшие результаты получены при вакуумной про-

катке.

Металлы VA подгруппы при небольшом содержании примесей хо-

рошо выдерживают деформацию вхолодную, допуская большие обжа-

тия;

это позволяет изготавливать из них давлением любые полуфабри-

каты.

ВАНАДИИ

Атомный номер ванадия 23, атомная масса

50,942,

атомный радиус

0,134 нм. Известно девять изотопов, из них два стабильных. Электрон-

ное

строение [Ar]

Электроотрицательность 1,2. Потенциал ио-

низации

6,74 эВ. Кристаллическая решетка — о. ц. к. с параметром

а=0,3028 нм. Плотность 6,1 т/м

. /

л=1917°С, /

КИ

п=3392°С.

Упругие

свойства:

£=126

ГПа,

G=47

ГПа.

При

температурах до 300 °С ванадий может поглотить до 157 см

/г

водорода с образованием гидрида, который разлагается в

вакууме

при

900 °С.

Азот

также поглощается ванадием; нитрид ванадия разлагается

при

температуре выше

2000

°С.

Чистый ванадий очень пластичен [1];

ранее его считали хрупким, что было обу-

обусловлено наличием примесей внедрения,

которые существенно влияют на его механи-

ческие свойства (рис. 42—45). Наиболее

пластичен иодидный ванадий (ф = 95 %), со-

держащий небольшое количество приме-

сей.

Ванадий, восстановленный кальцием,

менее чист и менее пластичен (табл. 31).

повышением температуры прочность

ванадия уменьшается, пластичность увели-

чивается.

Наличие

примесей

(0,062

% С;

0,085

О;

0,0068

% Н; 0,11 % N) нарушает общую

закономерность влияния температуры при

400 °С:

110

40 ВО 80е,°/о

Рис.

42.

Влияние холодной

деформации

на

твердость

ванадия,

полученного

раз-

личными

методами:

/ —

кальциетермический

ва-

надий;

2 —

карботермиче-

ский;

3 —

карботермическии,

рафинированный

церием;

—

электролитический;

5 —

иодидный

'исп>

сг

МПа

б,

%. .

Ч'.

% • •

628

400

678

600 800 1000

275 157 49

38 36 50

87 89 100

Более

чистый

ванадий,

содержащий

0,08 % О, 0,046 % N, 0,029 % С, <0,001 %

Н,

полученный дуговой вакуумной

плавкой,

горячей,

холодной обработкой и отжигом,

обладает

более

высокой

пластичностью:

при

20 °С i|) = 84 %,

6=42

% [1]. С

повыше-

нием

температуры

показатели

пластичности

увеличиваются,

достигая при 920 °С соответ-

ственно

100 и 95 %.

HRB

100

•

о/

•Z

0,1

о.з

0,5

300

200

100

0,%

0,04 0,08

HRB

120

Рис.

43.

Влияние содержания кислорода

на

механические свойства электро-

литического

(/) и

кальциетермического

(2)

ванадия

ТАБЛИЦА

31.

ВЛИЯНИЕ

ПРИМЕСЕЙ НА

МЕХАНИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА

ОТОЖЖЕННОГО

ВАНАДИЯ

[1]

Содержание примесей, 10

100

130

170

<ю

100

4,3

2,8

4,3

2,1

2,5

7,2

0,9

"в

о,2

МПа

197

258

377

477

437

414

456

512

467

573

384

424

401

158

288

432

384

357

439

380

295

328

378

333

/о

-—/f ^

При

понижении температуры

прочность ванадия возрастает, пла-

стичность уменьшается, особенно у

загрязненного ванадия (табл. 32).

Примеси

внедрения повышают

температуру перехода к хрупкости

(рис.

46 и 47); водород оказывает

влияние

даже при содержании

0,001 %. Иодидный ванадий при со-

держании 0,015 % О,

0,0005

°/о N,

0,0001

% Н, 0,015 % С нехладноло-

мок

до температуры —196 °С; пла-

стичность сохраняется и при увели-

чении

содержания кислорода до

0,15 %. С повышением его содержа-

ния

возрастает: при 0,18 % О до

—125 °С и при 0,3% О до —

°С

[П.

Ванадий с примесью

0,025

% С,

<0,001 % Н и

0,032

% O + N обла-

дает высокой пластичностью; при 20 °С г|) = 97 %, при —196 °С г|) = 80 %;

б равно соответственно 37 и 25 % (рис. 48). Кислород и азот при сум-

марном содержании до

0,056%

не охрупчивают ванадий до —196 °С.

При

увеличении содержания этих элементов /

повышается; при сум-

марном их содержании

0,155%

она находится выше 0°С [1].

Горячая обработка ванадия в воздушной атмосфере приводит к

охрупчиванию, поэтому ее проводят в защитной среде, стальных обо-

лочках или в вакууме 10~

Па.

При

прокатке клиновидных образцов в вакууме 7

•

10—

Па

уста-

новлено,

что литой ванадий выдерживает 50%-мое обжатие при 800 °С

60 %-ное — при

900—1000

°С; отожженный после деформации вана-

дий выдерживает 90 %-ное обжатие при

800—1000°С.

Ванадий, прокатанный в вакууме

7-10~

Па при 800 °С (числитель),

обладает более высокими свойствами, чем прокатанный в воздушной

,г,МПа

100

ЮООЦК

Рис.

44. Влияние на предел теку-

чести ванадия температуры и со-

держания кислорода, %:

/ — 0.185

2—0,170;

3 —

0,132;

-1

—

0,084;

5 —

0.049

0,МПа

SOD

100

,Мпа

500

20 W0

-—

схш

fa-

'.ML.-

I»

•—4

„———

0,2

0,6 1,0

С, %(ат.)

0.2 0.6 10

Z,%(am.)

0,2 0,6 1,0

Рис.

45. Влияние содержания

углерода

на свойства отожженных и состарен-

ных сплавов ванадия:

а — отожженные сплавы; / — о"

; 2, 3 — верхний и нижний пределы текуче-

сти; 4 — 8; б — облагороженные сплавы: / — а

; 2— 0

jl 3 — 6; в — твер-

дость HV отожженных (/) и облагороженных сплавов при 350 °С в течение

15 (2), 30 (3), 50 мин (4)

ТАБЛИЦА 32. ВЛИЯНИЕ

НИЗКИХ

ТЕМПЕРАТУР НА МЕХАНИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА ИОДИДНОГО И ВОССТАНОВЛЕННОГО КАЛЬЦИЕМ

ВАНАДИЯ [1]

'исп'

-f 20

—

100

—

ПО

—

120

—

140

—

150

—

179

-f 22

—

105

—

132

, МПа

°0,2'

МПа

Иодидный ванадий

196

206

216

206

245

255

275

294

402

412

421

431

108

150

108

147

137

176

264

216

265

382

402

б, %

Ванадий,

восстановленный

кальцием**

255

343

313

353

422

460

156

186

196

157

216

373

•

Слитки диаметром 19 мм, прокатанные до диаметра II мм и подвергну-

тые рекристаллизационному

отжигу

при

1100°С.

48 ч, в вакууме.

*•

Слитки массой 400 г, прокатанные при 400 °С с 45 %-ным обжатием и под-

вергнутые рекристаллизационному

отжигу

при 900 °С, 3 ч, в вакууме.

U»

tucn,

300

250

200

150

-50

-то

450

о/

ft*

1л

/«

О 0,1 0,2 0,3 0,4

Примеси

внедрения,

Л*

Л!

\fz

]

'/*

-200-160-120-80-40

О 40

t "г

Рис.

46.

Влияние примесей внедрения

на

температуру перехода ванадия

хрупкости

Рис.

47.

Влияние водорода

температуры

на

равномерное удлинение ванадия:

—

ванадий отожжен

вакууме;

— V+0,001

%Н; 3 —

V+0,005 %Н-

4 — V+

0,01

%Н; 5

—V+0.08

%Н

атмосфере при 400 °С (знаменатель) [1]:

Обжатие, %. .

, МПа . . .

б, %

467/451

11,0/8,0

505/449

10,5/7,5

550/424

10,0/6,8

581/339

8,3/5,0

Прокатка

в вакууме при Ю~' Па дает аналогичные результаты, а

вакууме 1,3 Па —меньшие значения пластичности.

Чистый ванадий очень пластичен, хорошо обрабатывается давле-

нием,

допуская обжатия более 95 %.

Лента ванадия толщиной 0,8 мм, содержащего 0,07 % С, 0,08 % N,

0,02 % О, 0,02 % Fe и 0,1 % Si, была раскатана до фольги толщиной

0,025

мм. Некоторая хрупкость ванадия наблюдается при 0,05 % кисло-

рода; при содержании его более 0,15 % ванадий разрушается при хо-

лодной деформации, а при 0,5 % кислорода холодная деформация не-

возможна. Пластичный ванадий должен содержать не более 0,015 % N.

Появление

некоторой хрупкости наблюдается при 0,3—0,5% С [1].

НИОБИЙ

Атомный номер ниобия 41, атомная масса 92,906, атомный радиус

0,147 нм. Известно 13 изотопов, из них один стабильный. Электронное

строение [Кг]

4rf'5s

Электроотрицательное™ 1,2. Потенциал иониза-

ции

6,88 эВ. Кристаллическая решетка — о. ц. к. с параметром а~

800

600

400

200

•

У *

——4-«

•5-

cg=—

••—=

•

—4

-i№7

-150

-100

-50 О

-200

-150 -100 -50 О

Рис.

48.

Влияние

температуры на механические свойства

ванадия

различ-

ным

содержанием

примесей:

/-0,025 %С, 0,032

0,62 %Al

Fe;

2 — 0,03 %С, 0,155

0,81

%A1+Si

Fe;

a —

испытание

на растяжение гладких и надрезанных (о",

<|>

)

образцов;

б — ударное

испытание

на

изгиб;

в — статическое

испытание

на

изгиб;

/„—прогиб

при

разрушении;

В —

относительная

волокнистость

образца

0,330

нм. Плотность 8,57 т/м*. *

пл

=2469 °С, /

КИ

„=4842°С. Упругие

свойства: £=110 ГПа, G=37 ГПа.

В атмосфере

воздуха

и кислорода при температурах более 200 °С

ниобий

окисляется; с азотом взаимодействует при температуре выше

400 °С. При 20 °С ниобий поглощает до 104 см

/г водорода; при тем-

пературе более 1000 °С водород практически не растворяется. С угле-

родом при высоких температурах ниобий образует карбид

Механические свойства ниобия подчиняются общей закономерно-

100