Химический состав (ГОСТ 14957-76) и типичные механические свойства некоторых деформируемых сплавов представлены в табл. 13.5. среди деформируемых сплавов наибольшей прочностью обладают сплавы систем Mg – Al и Mg – Zn, легированные цирконием, кадмием, серебром, редкоземельными металлами.

Сплавы системы Mg – Al содержат 0,2 – 1,5% Zn (МА5). Алюминий и цинк обладают высокой растворимостью в магнии. Повышение их содержания в сплаве приводит к увеличению прочности сначала в результате возрастания концентрации твердого раствора, а затем благодаря появлению вторичных фаз Mg ₄ Al ₃ и Mg ₃ Zn ₃ Al ₂. Однако в промышленные сплавы не вводят более 10%Al и более 6%Zn, так как большое количество промежуточных фаз вызывает снижение пластичности. Сравнительно небольшой (около 30%) эффект упрочнения этих сплавов объясняется тем, что при распаде твердого раствора образуются сразу стабильные фазы с относительно большим расстоянием между частицами. Причем упрочняющие фазы в этих сплавах обладают большой склонностью к коагуляции, которая начинается до достижения полного распада пересыщенного твердого раствора.

Цинк и алюминий придают сплавам хорошую технологическую пластичность, что позволяет изготовлять из них кованые и штампованные детали сложной формы (например, крыльчатки и жалюзи капота самолета). Для устранения вредного влияния железа сплавы дополнительно легируют марганцем. Сплавы с низким содержанием алюминия и поэтому небольшим количеством вторичных фаз в структуре дают незначительное упрочнение при закалке и старении. Их применяют в горячепрессованном или отожженном состоянии. Сплавы с высоким содержанием алюминия, дополнительно легированные серебром и кадмием (МА10), обладают самыми высокими прочностью (σ_в = 430 МПа) и удельной прочностью (24 км) среди магниевых сплавов.

Кадмий неограниченно растворяется в магнии и не образует собственных фаз в сплавах системы Mg – Al. Легируя твердый раствор, кадмий повышает прочность и технологическую пластичность сплавов. Серебро обладает хотя и ограниченной, но значительной (15,5%) растворимостью в магнии. Высокая прочность этих сплавов объясняется наличием высоколегированного алюминием, серебром и кадмием твердого раствора и большого количества упрочняющей фазы Mg ₄ Al ₃.

Высокопрочные сплавы системы Mg – Zn дополнительно легируют цирконием (МА14), кадмием, редкоземельными металлами (МА15, МА19 и др.). увеличение содержания цинка в сплавах приводит к резкому повышению прочности и некоторому улучшению пластичности в результате легирования твердого раствора. Появление в структуре сплавов интерметаллидной фазы MgZn₂ ведет к дальнейшему упрочнению и снижению пластичности. Для того чтобы сохранить пластичность на допустимом уровне, содержание цинка в промышленных сплавах ограничивают 5 – 6%.

Цирконий оказывает рафинирующее и модифицирующее действие. Вступая в соединение с водородом, он уменьшает пористость. Измельчая структуру сплавов системы Mg – Zn, повышает временное сопротивление и особенно предел текучести и пластичность. Полной упрочняющей термической обработке эти сплавы обычно не подвергают, так как при нагреве под закалку снимается наклеп, полученный полуфабрикатами при прессовании, штамповке; упрочнение при старении настолько мало, что не обеспечивает уровня исходных свойств. Больший эффект дает старение, проведенное непосредственно после прессования (штамповки). К недостаткам этих сплавов можно отнести сложность их приготовления, обусловленную низкой растворимостью циркония в жидком магнии, а также склонность к образованию трещин, затрудняющих горячую прокатку и сварку сплавов. Сплавы системы Mg – Zn применяют для несвариваемых сильно нагруженных деталей (обшивки самолетов, деталей грузоподъемных машин, автомобилей, ткацких станков и др.).

Кадмий в сплавах системы Mg – Zn не образует промежуточных фаз. Легируя твердый раствор, он повышает прочность и пластичность сплавов этой системы. Редкоземельные металлы дополнительно увеличивают прочностные характеристики в результате образования промежуточных интерметаллидных фаз.

Сплавы системы Mg – Zn, легированные литием с добавками кадмия (МА21) или церия (МА18), относятся к сверхлегким (плотность 1,350 – 1,600 т/м³). Они обладают хорошей пластичностью, малой анизотропией свойств, высокой прочностью при криогенных температурах, отсутствием чувствительности к надрезу.

Магниевые сплавы выпускаются в виде поковок, штамповок, листов, прутков, труб, профилей.

Литейные магниевые сплавы

По химическому составу многие литейные сплавы магния близки к деформируемым (см. табл. 13.5). Преимуществом литейных сплавов перед деформируемыми является значительная экономия металла при производстве деталей, поскольку высокая точность размеров и хорошая чистота поверхности отливок почти исключает их обработку резанием. Однако из-за грубозернистой структуры они имеют более низкие механические свойства, особенно пластичность. Улучшение механических свойств литейных сплавов достигается различными способами: перегревом, модифицированием, гомогенизацией отливок, а также применением особо чистых шихтовых материалов при приготовлении сплавов. Перегрев дает хорошие результаты в сплавах с алюминием, выплавленных в железных тиглях. В результате взаимодействия алюминия с железом образуются частицы соединения FeAl ₃, которые являются дополнительными центрами кристаллизации.

Для модифицирования используют цирконий, магнезит, мел. При гомогенизации происходит растворение грубых интерметаллидных фаз, охрупчивающих сплавы.

Механические свойства литейных магниевых сплавов в основном находятся на уровне свойств литейных алюминиевых сплавов, но, обладают меньшей плотностью, превосходят их по удельной прочности.

Наибольшее применение нашли сплавы системы Mg – Al – Zn, особенно сплавы с повышенным содержанием алюминия. Для сплавов этой системы характерен более широкий, чем у алюминиевых сплавов, интервал кристаллизации. В результате они обладают пониженной жидкотекучестью, усадочной пористостью и низкой герметичностью, склонностью к образованию горячих трещин. С увеличением содержания алюминия литейные свойства сначала ухудшаются, поскольку увеличивается интервал кристаллизации, а затем при появлении неравновесной эвтектики – улучшаются; повышаются прочностные характеристики. Однако из-за большого количества интерметаллидных фаз, в том числе и эвтектических (рис. 13.14), сплавы с большим содержанием алюминия обладают пониженной пластичностью. Наилучшее сочетание литейных и механических свойств имеют сплавы, содержащие 7,5 – 10% Al (МЛ5, МЛ6). Небольшие добавки цинка способствуют улучшению технологических свойств. Гомогенизация при 420 (12 – 24 ч) и закалка с этой температуры способствуют повышению прочности и пластичности. Вследствие малой скорости диффузии алюминия в магнии сплавы закаливаются при охлаждении на воздухе. Старение при 170 – 190  дополнительно повышает временное сопротивление и особенно предел текучести сплавов.

Малая плотность магниевых сплавов, а в отдельных случаях высокая удельная прочность способствует их широкому применению в самолетостроении (корпуса приборов, насосов, коробок передач, фонари и двери кабин и т.д., ракетной технике (корпуса ракет, обтекатели, топливные и кислородные баки, стабилизаторы) конструкциях автомобилей, особенно гоночных (корпуса, колеса, помпы и др.), в приборостроении (корпуса и детали приборов). Вследствие малой способности к поглощению тепловых нейтронов магниевые сплавы используют в атомной технике, а благодаря высокой демпфирующей способности – при производстве кожухов электронной аппаратуры.

Более высокими технологическими и механическими свойствами при 20 – 25  и повышенных температурах обладают сплавы магния с цинком и цирконием (МЛ12), а также сплавы, дополнительно легированные кадмием (МЛ8), редкоземельными металлами (МЛ9, МЛ10). Последние улучшают литейные свойства магниевых сплавов, снижают склонность к образованию горячих трещин и пористости, увеличивают прочность при обычных и повышенных температурах. Цирконий значительно измельчает крупнозернистую структуру отливок, способствует очистке сплавов от вредных примесей, благоприятно влияет на свойства твердого раствора, повышает температуру рекристаллизации. Кадмий улучшает механические и технологические свойства.

Высокопрочные литейные сплавы применяют для нагруженных деталей самолетов и авиадвигателей (корпусов компрессоров, картеров, ферм шасси, колонок управления и др.).

Неметаллические материалы

Пластмассы

Общая характеристика

Пластическими массами, или пластмассами, называют материалы, изготовленные на основе полимеров. Состав композиций разнообразен: простые пластмассы – это полимеры без добавок, сложные пластмассы – это смеси полимеров с различными добавками (наполнители, стабилизаторы, пластификаторы и т.д.)

Наполнители – это органические и неорганические вещества в виде порошков (древесная мука, сажа, слюда, SiO ₂, тальк, TiO ₂, графит), волокон (хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые, полимерные), листов (бумага, ткани из различных волокон, древесный шпон). Их добавляют в количестве 40 – 70% для повышения механических свойств, снижения стоимости, изменения других параметров.

Стабилизаторы – различные органические вещества, которые вводят в количестве нескольких процентов для сохранения структуры молекул и стабилизации свойств. Под влиянием окружающей среды происходит как разрыв макромолекул на части, так и соединение макромолекул между собой поперечными связями. Изменения исходной структуры макромолекул составляют сущность старения пластмасс, которое необратимо снижает прочность и долговечность изделий. Добавки стабилизаторов замедляют старение.

Пластификаторы – вещества, которые уменьшают межмолекулярное взаимодействие и хорошо совмещаются с полимерами. Их добавляют в количестве 10 – 20% для уменьшения хрупкости и улучшения формуемости. Часто пластификаторами служат эфиры, а иногда и полимеры с гибкими молекулами.

Специальные добавки – смазочные материалы, красители, добавки для уменьшения статических зарядов и горючести, для защиты от плесени, ускорители и замедлители отверждения и другие – служат для изменения или усиления какого-либо свойства.

Отвердители в количестве нескольких процентов добавляют к термореактивным пластмассам для отверждения. При этом между макромолекулами возникают поперечные связи, а макромолекулы отвердителя встраиваются в общую молекулярную сетку. В качестве отвердителей используют органические перекиси и другие вещества, серу (в резинах).

Основой классификации пластмасс как конструкционных материалов, экономически целесообразно. По сравнению с металлами переработка пластмасс менее трудоемка, число операций в несколько раз меньше и отходов получается немного. Пластмассовые детали, как правило, не нуждаются в отделочных операциях.

Отличительными особенностями пластмасс являются малая плотность (1 – 2 г/см³, а у пенопластов от 0,015 до 0,8 г/см³); высокая химическая стойкость, хорошие электроизоляционные свойства, невысокая теплопроводность (0,2 – 0,3 Вт/(м К)) и значительное тепловое расширение в 10 – 30 раз больше, чем у обычных сталей). Преимущества пластмасс в сочетании с удобством переработки обеспечили им применение в машиностроении, несмотря на ограниченную теплостойкость, малую жесткость и небольшую вязкость по сравнению с металлами.