Прочность нитевидных

73. Колмыцев П. Т. Газовая коррозия и прочность'никелевых сплавов. М.: Металлургия, 1984. 2^6 с.

Давно известно, что дисперсная фаза упрочняет матрицу. Прочна сталь, содержащая дисперсные частицы цементита в ферритной матрице, независимо от того, представляют ли они собой пластинчатый цементит в перлитной структуре или сферический цементит в отпущенном мартенсите. Высокая прочность никелевых сплавов 'в большинстве случаев обеспечивается наличием фазы-упрочиителя NisAl(Ti). С увеличением содержания в сплаве алюминия и титана улучшаются его механические свойства. Однако с повышением температуры до 0,8 температуры плавления сплава частицы NisAl(Ti) переходят в раствор. Присадки других тугоплавких элементов, введение в сплав кобальта ненамного затрудняют процесс диффузии атомов алюминия и титана.

Рис. 1. Схема влияния легирования на прочность никелевых сплавов при 800°.

38. Коломыцев П. Т. Газовая коррозия и прочность никелевых сплавов. М.: Металлургия, 1984. 204 с.

Несмотря на глубокое познание связи между структурой и свойствами распространенных никелевых суперсплавов, многое все еще предстоит узнать. С позиций относительно эмпирического анализа, выполненного в рамках данной главы, ряд наиболее явных (в основном мнкроструктурных) особенностей, ответственных за хорошую длительную прочность никелевых сплавов, проиллюстрирован на рис. 4.14. В более определенном виде, помогающем понять содержание гл. 3, можно сформулировать для конструктора сводку основных ориентиров [2] для достижения высокой длительной прочности:

Главной упрочняющей фазой в жаропрочных сплавах на никелевой основе является у'-фаза Ni3(Ti, Al); в некоторых сплавах, легированных ниобием, такой является фаза типа Ni3(Nb, Al, Ti). Такие фазы, как бориды, нитриды, карбиды, вызьшают незначительное дополнительное упрочнение при низких температурах из-за их небольшой объемной доли. Однако эти фазы могут существенно изменять скорость ползучести и срок службы изделий. Прочность никелевых сплавов, упрочняемых у'-фазой, зависит от следующих факторов: объемной доли у'-фазы; радиуса частиц у'-фазы; прочности частиц у'-фазы.

Рис. 12. Влияние легирующих элементов на 100-часовую длительную прочность никелевых сплавов при800°С[26]:

Относительно влияния других легкоплавких ^примесей — висмута, мышьяка, сурьмы — автор не располагает собственными экспериментальными данными. В работе М. В. Приданцева и С. С. Астафьева [25 1 приведены некоторые материалы, свидетельствующие об отрицательном влиянии этих примесей на стойкость аустенитных швов против образования горячих трещин. Резко отрицательное воздействие указанных легкоплавких примесей на длительную прочность никелевых жаропрочных сплавов теперь общеизвестно.

Длительная прочность никелевых чугунов и хромоникелевой стали типа 19-9 при высоких температурах

38. Коломыцев П. Т. Газовая коррозия и прочность никелевых сплавов, М.: Металлургия, 1984. 204 с.

Сопротивление отрыву для железа, по данным различных авторов, теоретическое - 12000. ..100000 МПа, реальное - 300 МПа. Теоретическая прочность соответствует идеальной бездефектной кристаллической решетке металла (рис. 19). При определенном количестве дефектов металл имеет минимальную прочность (точка 1).С уменьшением количества дефектов прочность возрастает. Прочность нитевидных бездислокационных кристаллов "усов" приближается к теоретической. Они имеют почти идеальную поверхность без шероховатостей (не обнаруживается при увеличениях в десятки тысяч раз). Так, "ус" железа толщиной 1 мкм имеет предел прочности порядка 1,35 МПа, т.е. почти теоретическую прочность, однако пока длина "уса" не превышает 1 5 мм, и практическое применение их ограничено, например, армирование сапфировыми или графитовыми усами тугоплавких метал-

Правда, сразу же необходимо отметить, что экспериментальные данные по прочности нитевидных кристаллов отличаются значительным разбросом, а получаемая прочность нитевидных кристаллов того или иного металла, как уже отмечалось, сильно зависит от размера уса и количества де- фиг- 23. Зависимость максимальной фектОВ. Поэтому нами были прочности на разрыв от предельной

Прочность нитевидных кристаллов и предельная энергоемкость некоторых металлов

чем у меди, то очевидно, что прочность нитевидных кристаллов кобальта и никеля должна быть, по крайней мере, в 1,5 раза выше прочности нитевидных кристаллов меди.

Прочность и дисперсия прочности нитевидных кристаллов главным образом зависят от качества боковой поверхности кристаллов и степени загрязненности примесями, неизбежно попадающими в кристаллы в процессе их выращивания. О влиянии качества боковой поверхности на прочность нитевидных кристаллов сапфира свидетельствует хорошо известная [25 ] масштабная зависимость (рис. 14). Штриховая линия на рис. 14 указывает на стабильность предела прочности тщательно отполированных усов диаметром 5 — 15 мкм. Прочность нитевидных кристаллов, несмотря на значительный разброс частных значений, монотонно понижается по мере повышения площади поперечного сечения или площади боковой поверхности (длина кристаллов при испытании

Вначале полагали, что высокая прочность нитевидных кристаллов позволит широко использовать их в композиционных материалах. Однако это оказалось делом нелегким. Потребовалось фундаментальное изучение процесса получения волокон, их совместимости с разными матрицами, исследование зависимости свойств композиционных материалов t>T различных факторов.

В отличие от нитевидных кристаллов сапфира нитевидные кристаллы карбида кремния термодинамически менее устойчивы, а их взаимодействие с матричным металлом 6 большей степени требует защитных мер, заключающихся в нанесении на поверхность карбидов и силицидов переходных металлов четвер-• той, пятой и шестой групп периодической системы, например карбидов вольфрама, молибдена, титана и силицида кобальта. Использование никеля в качестве промежуточного защитного слоя в данном случае нецел есообразно, так как оно резко снижает прочность нитевидных кристаллов карбида кремния.

Прочность нитевидных кристаллов в значительной степени зависит от их размеров. При выращивании монокристаллов приходится регулировать те или иные параметры /процесса, влияющие на ориентацию, форму, состав, дефекты решетки.

У таких армирующих материалов, как непрерывные волокна бора, углерода, карбида кремния, окиси алюминия, прочность наиболее высокая. У двух первых она достигает 300—350 иг/мм2 при модуле упругости 30000—40000 кг/мм2. Средняя прочность нитевидных кристаллов карбида кремния и окиси алюминия в несколько раз превышает и эти показатели.

Несмотря на то что прочность нитевидных кристаллов превосходит прочность непрерывных волокон, разработка композиционных материалов на основе последних продвинулась значительно дальше. Относительно нитевидных кристаллов предстоит решить ряд проблем, главной из которых является способ их переработки в волокнистые маты.

Аналогичная картина значительного изменения прочности наблюдалась на кристаллах из смеси железа и меди. На рис. 3 приведены результаты испытаний на прочность нитевидных железомедных кристаллов [15].