1. Моя освіта – реферати, конспекти, доповіді
  2. Фізика
  3. Зміцнення матеріалів

Зміцнення матеріалів

Отримавши жароміцний матеріал у вигляді Сапа, вчені задумалися над питанням, чи не можна мати аналогічні результати для інших металів, як вирішити задачу зміцнення матеріалів.

Перш за все необхідно визначити причину цього незвичайного явища, зрозуміти його механізм.

Жароміцність порошкових матеріалів

Не всі порошкові матеріали, отримані за такою ж технологією, як САП мають високу жароміцних. Досліди з порошками заліза, міді, нікелю не підтверджують цього припущення. Виходять звичайні матеріали зі звичайними властивостями. Значить така висока жароміцність характерна саме для алюмінію. Значить відповідь треба шукати, розглядаючи інші варіанти. Відомо, що пластична деформація є результат руху дислокацій, (докладніше: Дефекти кристалічної решітки). Отже, щоб матеріал краще пручався пластичної деформації, тобто був міцніше, потрібно якимось чином ускладнити рух дислокацій, спорудити на їхньому шляху перешкоди. А щоб матеріал був жароміцним, необхідно, щоб ці перепони існували не тільки при низьких, але і при високих температурах. Очевидно, в порошковому алюмінії такі перепони якимось чином виникають, а в залозі, міді, нікелі – немає. Що ж це за перешкоди? А чому ж нічого не виходило з порошками міді, нікелю, заліза та інших металів? Ну, перш за все, не можна говорити про всі інші металах. Наприклад, з магнієм, берилієм виходило, і зовсім непогано. А з міддю, нікелем, залізом, дійсно, нічого не вийшло.

Дисперсні частинки

Пояснення тут нескладна. Вся справа у властивостях шкарлупок, що покривають порошинки, і дисперсних частинках, що утворюються з цих шкарлупок. У алюмінію, магнію, берилію вони дуже міцні, тверді, тугоплавкі і термодинамічно стабільні (не розчиняються в матриці, не відновлюються і не мають тенденції до укрупнення при високих температурах). А у міді, нікелю, заліза вони погано сумісні з основним металом, нестійкі в ньому, не мають потрібних механічних властивостей при підвищених температурах. Тому і упрочнители з них не виходять.

Механізм зміцнення частинками

Так що ж, виходить, ці метали не можна зробити жароміцними, використовуючи механізм зміцнення частками? Чому ж? Можна, можливо. Ідея зрозуміла, механізм зрозумілий, тепер просто потрібно шукати інші способи його включення. Хіба обов’язково в якості добавок використовувати власні оксиди металу? Реально ввести в нього частки інших з’єднань, що володіють необхідними властивостями? Наприклад, той же оксид алюмінію не розчиняється в міді і може бути використаний для її зміцнення. А для нікелю прекрасно підходять оксиди торію і гафнію. Необхідно навчитися правильно вибирати добавки і правильно вести технологію отримання таких матеріалів. До речі, це будуть вже типові армовані композити.

Дисперсно-зміцнені композити

Заздалегідь, усвідомлено підбираються різні вихідні матеріали, утворюючи з них композиційний матеріал, що володіє якісно новими властивостями, не властивими кожному з компонентів окремо. Такі композити отримали назву дисперсно-зміцнених. (А ось дисперсно-тверднуть сплави, наприклад, сплави алюмінію з міддю, що мають дуже схожу структуру і працюють фактично за таким же механізмом, до композитам не належать. Так само, як у сталі або чавуну, їх композитне будова не є результатом усвідомленого об’єднання властивостей різних матеріалів в одному. Крім того, при високих температурах вони перестають бути композитами через розчинення дисперсних включень в матриці.) Отже, принципово дисперсно-зміцнений матеріал створити нескладно. Потрібно змішати порошок основного (матричного) металу з частками твердого, міцного, нерозчинного в матриці при високих температурах з’єднання і з отриманої суміші виготовити безпористого матеріал. Але ця простота оманлива. Коли справа доходить до практичної реалізації, виникають далеко не прості питання.
З якого саме матеріалу повинні бути дисперсні частинки, щоб вони найкращим чином зміцнюючих дану матрицю? Багато матеріалів (карбіди, оксиди, бориди) начебто підходять для зміцнення міді, але чомусь А1203 виявляється ефективніше остальних.Ілі чому саме двооксиду торію і гафнію краще за інших з’єднань підвищують жароміцність нікелю? Подібних питань можна поставити много.А щоб отримати правильні відповіді на них, тобто навчитися заздалегідь вибирати оптимальний склад дисперсних частинок, потрібно звернутися до дуже важливої ​​і цікавої галузі фізики – термодинаміки, зокрема до термодинаміки твердого стану. В першу чергу необхідно, щоб вони не взаємодіяли з матрицею шляхом розчинення або утворення нових сполук. А крім того зберігали досить високі твердість і міцність при нагріванні, тобто були тугоплавкими.

Якою має бути концентрація дисперсних частинок в композиті?

Якими мають бути їх розміри? Дійсно, неясно, скільки потрібно дисперсних добавок – частки відсотка? десятки відсотків? В сапі в залежності від розмірів алюмінієвих порошинок концентрація А1203 може становити від 4 до 14%. Але чи буде така концентрація підходити для інших систем? І яким повинен бути діаметр вводяться частинок? Міліметри, частки мікрометрів? А на якій відстані один від одного вони повинні знаходитися? Здоровий глузд підказує, що повинні існувати якісь оптимальні концентрації частинок і оптимальні відстані між ними, що забезпечують найбільш високі властивості матеріалу. Дійсно, якщо частинок мало, то вони будуть створювати мало перешкод руху діслокацій.Еслі їх занадто багато, дислокації зможуть рухатися з великими труднощами і на дуже обмежені відстані, а це значить, що композит буде руйнуватися без помітної деформації, тобто буде вести себе крихко . А тендітні матеріали дуже ненадійні, досить невеликого удару, щоб вони зруйнувалися. Використовувати їх в відповідальних конструкціях не можна. У всьому потрібно знати меру.Прі однаковою концентрації дисперсних частинок в залежності від їх розміру відстань між ними може змінюватися в дуже широких межах. Припустимо, що нам потрібно отримати дисперсно-зміцнений сплав, який містить 90% (за обсягом) міді і 10% (за обсягом) оксиду алюмінію. Якщо обсяг всього зразка 100 см, то обсяг оксиду алюмінію повинен скласти 10 см3. Ці 10 см3 ми можемо ввести і в вигляді десяти часток, кожна об’ємом 1 см3, і у вигляді 1013 частинок, кожна об’ємом 1 мкм3. У другому випадку відстань між частинками буде у багато разів менше, і дислокація доведеться обходити велику кількість перешкод. Але якщо частки будуть розташовані дуже близько один від одного (в межі – без зазору), виникнуть непереборні перешкоди для просування дислокацій, що призведе до крихкості. Оптимальні концентрації частинок, їх розміри і відстані між ними залежать від природи матричного металу, його структури, типу зв’язку між матрицею і часткою і ін. Обидва шляхи приводять до наступних результатів: для забезпечення максимальної жароміцності об’ємна концентрація частинок повинна становити від 2 до 10%, їх середній діаметр – 0,01-0,05 мкм, середня відстань між ними – 0, 1-0,5 мкм.

І як рівномірно розподілити за обсягом настільки малі частинки? Навіть якщо вдасться якимось чином отримати їх, є серйозна небезпека, що при змішуванні з матричним порошком вони будуть комковаться, утворювати скупчення. Зазвичай порошки металів мають розмір 10-100 мкм, і, змішуючи навіть надтонкі частинки з такими грубими, не вдається забезпечити необхідні межчастичного відстані в частки мікрометра.

На допомогу приходить хімія

Тут на допомогу приходить хімія, яка разом з фізикою є науковою основою матеріалознавства. У тих випадках, коли просте змішування не дає необхідного ефекту, надходять у такий спосіб. Змішують НЕ порошки, а рідкі розчини солей. Одна з них – сіль металу матриці, а інша – сіль металу, що входить в з’єднання, що використовується в якості зміцнюючої фази. Рідкі розчини можна перемішати дуже рівномірно. А після перемішування їх висушують, нагрівають і отримують суміші. При цьому з розчину випадають у вигляді найдрібніших частинок нерозчинені з’єднання обох металів, наприклад, оксиди. Оксид матричного металу легко можна відновити, нагріваючи його, наприклад, в водні, а оксид металу упрочняющей фази відновлення у водні не піддається. В результаті виходить дуже рівномірна суміш дуже дисперсних частинок, з якої потім можна отримувати дисперсно-зміцнений композит. Існують і інші хімічні методи отримання сумішей, і в кожному конкретному випадку вибирають найбільш прийнятний.

З сумішей нікелю з 2-3% НiO2 і Тh02 отримують дисперсно-зміцнені композити, здатні надійно працювати при 1400-1500 К, тобто при температурах, що доходять майже до 0,9 Тпл. нікелю, тоді як чистий нікель виявляється непрацездатним при нагріванні вище 800-900 К. Мідь, зміцнена 1,5-2% (за обсягом) Аl2O3, зберігає високу міцність до 1100-1200 К, а чиста мідь різко разупрочняется при температурах вище 700 К . За жароміцності дисперсно-зміцнена мідь далеко випереджає традиційні мідні сплави (бронзи, латуні), при цьому вона має набагато менший електричний опір, що дозволяє використовувати її в різних електротехнічних пристроях, що працюють при підвищених температурах. Дисперсним зміцненням матеріалів вдається різко підвищити жароміцність свинцю, магнію, берилію, срібла, платини, хрому та інших металів.

ПОДІЛИТИСЯ: