Остаточной пористости

Уже в первых исследованиях наноматериалов, выполненных Гляйтером с сотрудниками [1] и И. Д. Мороховым с соавторами [5], были обнаружены изменения удельной теплоемкости, упругих модулей, коэффициентов диффузии и других фундаментальных параметров. Это позволило утверждать [1] о формировании особого нано структурного состояния твердых тел, принципиально отличного от аморфного или кристаллического. Однако последующие исследования показали, что вклад в изменение фундаментальных характеристик связан не только с наноструктурой, но и во многом с дефектами получаемых образцов — остаточной пористостью, загрязнениями, примесями. Поэтому исследования фундаментальных физических свойств наноструктурных материалов, полученных ИПД методами и лишенных этих недостатков, имеют большой научный интерес.

Компактные материалы Изделия с миним. остаточной пористостью (не более 0,5%) Изготовляются в виде деталей из самых различных металлов взамен деталей, получаемых методом механич. обработки с целью экономии металла Те же области, в к-рых применяются детали, изготовляемые др. методами. Компактные спеченные изделия, подвергнутые деформации, не уступают по своей прочности изделиям, изготовл. методом механич. обработки из обычного литого и дефор-миров. металла. Прочность спеченных компактных изделий, не подвергнутых деформации, примерно до 2 pas нише

вые трещины в основном образуются в переходной зоне между неизменяющимся и изменяющимся горючим (эти процессы будут рассмотрены ниже), но могут возникать и вблизи от этой зоны ца меньших радиусах. Первая зона изменения структуры таблеток, работающих при высоком удельном энерговыделении, совпадает с зоной изотропного роста зерен, т. е. образования зерен, размер которых значительно превышает средний размер зерна в необлученном горючем. Эту зону можно сравнить с колонкой зерен низкой пористости, оканчивающейся в центральной полости. Предполагают, что такие колонки зерен образуются в результате движения газовых пузырьков к центральным и к более горячим зонам горючего. Они могут возникать и при плавлении горючего, но в этом случае они отличаются более низкой остаточной пористостью. Радиоавтографическое исследование поперечного сечения твэла показывает наличие областей с пониженным содержанием продуктов деления. Такое снижение может быть следствием 'расплавления горючего перед осмотром, хотя при этом не всегда наблюдается пониженная пористость в районе колонок зерен. *

Плотные металлоке-рамические изделия Различные конструкционные детали Изготовляются из порошков железа, бронзы, латуни, нержавеющей стали, вольфрама и других металлов с минимальной остаточной пористостью Машиностроение и приборостроение

Все исходные порошки имели средний размер частиц от 0,5 до 5 мк. Смеси прессовались в брикеты при давлении 4—6 Т/см2. После предварительного отжига при температуре 850° С в атмосфере водорода брикеты подвергались горячему динамическому прессованию в специальных условиях при 1150° С и давлении 8 Т/см2. Затем проводился отжиг при температуре 950J С в течение 1,5 час в атмосфере водорода. Приведенный технологический процесс обеспечил получение заготовок материала с остаточной пористостью 6%. Полученный сплав двухфазный (см. рисунок). Микротвердость основного поля равнялась 400—450 кГ/мм2, включений — 600—850 кГ/мм2.

значение связано с остаточной пористостью и наличием включений

и спекания под давлением 4 и 7,7 ГПа. В последнем случае удается получить образцы с низкой остаточной пористостью (<3 — 5 %) и сохранить наноструктуру (см. рис. 2.1, в), тогда как обычное спекание без приложения высоких давлений либо сопровождается недостаточным уплотнением (остаточная пористость > 10—12 %), либо требует более высоких температур спекания, что приводит к значительной рекристаллизации и исчезновению наноструктуры.

Указанные недостатки в сочетании с большой стоимостью железных порошков сдерживали использование технологии порошковой металлургии в машиностроении. Расширить производство деталей, к которым предъявляются требования высокой прочности и одновременно высокой ударной вязкости, можно в результате разработки новых методов уплотнения порошков без нагрева, позволяющих обеспечить высокую плотность деталей. Например, требуемый комплекс механических характеристик можно получить, если изготовить холодной штамповкой детали с остаточной пористостью менее 5 % и осуществить диффузию при спекании в защитной атмосфере.

Для получения деталей электротехнического назначения, а также с целью улучшения обрабатываемости порошковых деталей на основе железных порошков в последние годы широко используются порошки частичнолегированные фосфором, полученные путем введения в них дисперсных частиц феррофосфора. В порошковых материалах из таких порошков наблюдается снижение коэрцитивной силы и потерь на гистерезис, а также повышение магнитной проницаемости по сравнению с порошковыми изделиями из высококачественных железных порошков типа ASC100.29 и АВС100.30. Имеются данные, что введение фосфора существенно повышает усталостную прочность в порошковых сталях, обладающих остаточной пористостью.

Порошковые нержавеющие стали, полученные горячим прессованием в вакууме, с остаточной пористостью 1...3 %, имеют коррозионную стойкость в растворах солей и кислот выше, чем литые прокатанные стали того же состава.

порошком помещали в пресс-форму, нагревали до 670° С в инертной атмосфере (аргоне) и прессовали под давлением 2,8 кгс/см3. Образцы композиционного материала при V) = 11 об.% имели предел прочности при растяжении около 230 МН/ма (23,5 кгс/мма) и модуль упругости 80 ГН/м2 (8160 кгс/см2). Эти значения составляют примерно 75 и 88% от теоретических, несоответствие экспериментальных и теоретических данных авторы работы объясняют разориентировкои армирующих волокон и остаточной пористостью композиционного материала.

Компактные материалы Изделия с миним. остаточной пористостью (не более 0,5%) Изготовляются в виде деталей из самых различных металлов взамен деталей, получаемых методом механич. обработки с целью экономии металла Те же области, в к-рых применяются детали, изготовляемые др. методами. Компактные спеченные изделия, подвергнутые деформации, не уступают по своей прочности изделиям, изготовл. методом механпч. обработки из обычного литого и дефор-миров. металла. Прочность спеченных компактных изделий, не подвергнутых деформации, примерно до 2 pas ниже

Свойства вольфрамовых сплавов зависят также от величины остаточной пористости. Изменения в структуре сплава особенно существенно влияют на значения аи.

баниями величины остаточной пористости сплавов. В особенно широких пределах колеблются значения сопротивления изгибу, так как на этом свойстве особенно заметно отражаются видоизменения в структуре сплава. Изменение свойств в зависимости от температуры для сплавов некоторых составов видно из графиков на фиг. 4—6.

В связи с нестабильностью этого типа возникает еще одна проблема, а именно, образование пор из-за неравенства диффузионных потоков (эффект Киркендалла). Пористость вокруг вольфрамовой проволоки видна на рис. 5 и 6. В последнем случае показана структура образца, упрочненного 24 об.% проволоки из сплава W+3% Re, после испытаний под напряжением 14,7 кГ/мм2 при 1422 К в течение 689 ч без разрушения. По предположению Кляйна и др. [21], поры образуются потому, что поток материала из матрицы в проволоку не уравновешивается диффузией вольфрама в матрицу. Обнаружено также, что зарождение пор ускоряется, если на исходной поверхности раздела волокно/матрица есть остаточная пористость. Снижение остаточной пористости увеличивает время до образования пор Киркендалла на порядок.

К настоящему времени разработано несколько методов получения таких материалов. Большинство из них включает компак-тирование порошков, которые, однако, получают разными способами. Среди них ультрадисперсные порошки, полученные газовой конденсацией в атмосфере инертного газа [1, 5] или плазмохими-ческим методом [5], аэрозольным [6] и химическим синтезом [7], а также измельчением порошков в шаровой мельнице [2, 13] и др. Некоторые из этих методов были успешно использованы для создания объемных наноструктурных материалов. Это прежде всего газовая конденсация с последующим компактированием [1] и обработка порошков в шаровой мельнице с последующей консолидацией [2, 13]. Данные методы явились основой многочисленных исследований структуры и свойств нанокристаллических и нано-фазных материалов. Вместе с тем до сих пор существуют проблемы в развитии этих методов, связанные с сохранением некоторой остаточной пористости при компактировании, загрязнением образцов при подготовке порошков или их консолидации, увеличением геометрических размеров получаемых образцов, практическим использованием данных методов.

Ряд исследований электросопротивления в зависимости от размера зерен для d < 1 мкм проводился на образцах, полученных компактированием ультрадисперсных порошков, [5] и на электро-осажденных фольгах [271, 272]. В первом случае, однако, было трудно отделить влияние остаточной пористости на электросопротивление образца, а во втором случае на него влияли также внешние поверхности фольг из-за малой толщины последних, сравнимой с длиной свободного пробега электронов.

Диффузионные процессы в наноструктурных материалах, полученных консолидацией ультра дисперсных порошков, были объектом ряда исследований [279-281]. Полученные данные демонстрируют резкое ускорение диффузионных процессов в этих материалах, однако количественные оценки и интерпретация результатов весьма противоречивы. Предполагается, что это связано с сохранением некоторой остаточной пористости в образцах, а также нестабильностью их структуры в процессе диффузионных экспериментов.

Вместе с тем, как отмечалось выше, существуют нерешенные проблемы в получении таких наноматериалов традиционными методами — газовой конденсацией или шаровым размолом в связи с сохранением в них при компактировании некоторой остаточной пористости и дополнительными трудностями при приготовлении массивных образцов [1, 2, 4]. Как результат, до недавнего времени были выполнены лишь единичные работы по исследованию механических свойств наноструктурных металлов и сплавов, имеющих размер зерен около 100 нм и менее. Большинство проведенных исследований связано с измерениями микротвердости, и полученные данные весьма противоречивы. Например, в некоторых работах [320, 321] обнаружено разупрочнение при уменьшении зерен до нанометрических размеров, в то же время в ряде других работ [322, 323] наблюдали в этом случае упрочнение, хотя наклон кривых был меньше по сравнению с соотношением Холла-Петча.

Из табл. 25 видно, что наиболее высокие значения прочности наблюдаются у образцов, полученных по режимам 1 и 2. При этом у образцов, полученных по режиму 1, имеет место минимальный разброс прочности. Режим 3, хотя и имеет преимущество в отношении более высокой производительности по сравнению с первыми двумя процессами, уступает им в воспроизводимости результатов. Большой разброс данных в этом случае связан с верояностью наличия в полученном материале остаточной пористости из-за малой выдержки, возможностью поломки и ухудшения свойств волокон из-за высокого давления и высокой температуры. Режим 2 из всех остальных является наиболее подходящим для изготовления длинномерных изделий методом ступенчатого прессования.

Важно отметить, что в отличие от процессов спекания неармированных систем, в которых возможно достижение теоретически любой сколь угодно малой остаточной пористости, при спекании армированных композиций существует предельно достижимое значение пористости О», ниже которого уплотнение матрицы невозможно. Очевидно, что 6^ может быть получено из уравнения (65) при т->оо.

баниями величины остаточной пористости сплавов. В особенно широких пределах колеблются значения сопротивления изгибу, так как на этом свойстве особенно заметно отражаются видоизменения в структуре сплава. Изменение свойств в зависимости от температуры для сплавов некоторых составов видно из графиков на фиг. 4—6.

Пористыми называют материалы, в которых после окончательной обработки сохраняется 10—30 % остаточной пористости. Эти сплавы используют главным образом для изготовления антифрикционных деталей (подшипников, втулок) и фильтров.