книги / Строение и свойства металлических сплавов

Т а б л и ц а 34. Механические свойства однофазных титановых сплавов после различных режимов термической обработки

^ “ударная вязкость образца с трещиной.

I

она ниже, чем закаленных. В одном из сплавов (ОТ-4) отрица­ тельное влияние микронеоднородности на чувствительность к трещине после длительного отжига даже возрастает. Наиболее полно пластичность восстанавливается при отжиге сплава ВТ-5. Вероятно, устранение химической неоднородности в распределе­ нии а-стабилизаторов (в сплаве ВТ-5, легированном алюмини­ ем) происходит легче, так как они сосредоточены не на границах, а в центре кристалла.

Более равномерное распределение компонентов, а также уменьшение масштаба микронеоднородности может быть достиг­ нуто за счет применения высокотемпературной термомеханиче­ ской обработки (ВТМО).

В работе [291] влияние ВТМО на характер концентрационной неоднородности исследовалось для титановых сплавов ВТ-5 (5,36% А1) и ВТЗ-1 (4,9% А1; 1,8% Сг; 1,75% Мо). Деформация растяжением (10—40%) приводит к измельчению структуры и к уменьшению микронеоднородности, хотя полностью не устраня­

ет ее.

Уменьшение концентрационной неоднородности в случае высокотемпературной деформации объясняет в известной мере характер изменения механических свойств титановых сплавов после ВТМО — увеличение не только прочности, но и пластич-

349

ности. Так, после ВТМО (деформация 60%. при 1000° С) свой­ ства меняются следующим образом: аь = 1,65 Гн/м2 (168 кГ/мм2)

это связано с возникновением конфигурации дефектов, которая в первом случае более устойчива по отношению к нагреву, чем

во втором.

Нет оснований считать, что структурная и химическая' неод­ нородность возникает только при полиморфном превращении титановых сплавов. По-видимому, в той или иной степени она возникает во всех сплавах, претерпевающих полиморфные пере­ ходы. В ряде работ [320, 321] было показано, что в стали в процессе изотермического превращения переохлажденного аустенита в бейнитной области наблюдается перераспределение углерода между у- и a -фазами и обогащение углеродом аусте­ нита. Например, в ванадиевой и кремнистой стали при среднем содержании углерода 0,3—0,4% содержание его в у-фазе достигало 1,2—1,4%. Как известно, углерод является у-стабили- затором. Однако распределение примеси в пределах одной фазы в этих работах не исследовалось. Отдельные опыты на железе, которые были проведены с помощью радиоактивного никеля (тоже у-стабилизатор), показали, что в процессе медленного охлаждения никель стремится высадиться на поверхность разде­ ла кристаллов a -фазы (в титане никель сегрегировал на границы а-пластин).

Используя явление преимущественного обогащения внутрен­ них зон кристаллов или поверхностей раздела их, которое зависит от состава и условий термической обработки, можно осуществить избирательное легирование сплава.

Высокая прочность и композиционные материалы

Как было уже показано (см. стр. 280), теоретическая прочность при сдвиге меньше хрупкой прочности (табл. 21 и 22). Физическая причина этого понятна. При сдвиге по плоскости скольжения связи между атомами периодически ослабляются и вновь усиливаются по мере сближения соседних атомов. При этом новых плоскостей не образуется; возникают лишь неболь­ шие ступеньки сдвига. В то же время при хрупком разрушении все связи в плоскости скола разрушаются одновременно, что требует большой затраты энергии. Г ц. к. металлы имеют отно­

350

при одноосном растяжении при комнатной температуре совер­ шенные металлические монокристаллы будут разрушаться путем сдвига и, следовательно, их прочность ограничена максимальным значением т.

Прочные тела по определению должны одновременно иметь высокое сопротивление пластической деформации и высокое сопротивление хрупкому разрушению. В соответствии с уравне­ нием Орована материалы с высокой хрупкой прочностью должны обладать высоким модулем Юнга, большой поверхностной энер­ гией у и малым параметром решетки. Для обеспечения высокой прочности при сдвиге необходимо использовать материалы с высоким модулем сдвига G и большим отношением тт аx/G.

При очень тщательном устранении поврежденного поверх­ ностного слоя удается, как указывалось ранее, достигнуть прочности хрупких материалов (стекла, сапфира, кремния), близкой к теоретической. Тем не менее вряд ли хрупкие высоко­ прочные материалы найдут широкое применение в практике, так как всегда есть опасность потери прочности из-за случайного повреждения поверхности. Однако если из хрупкого материала, например стекла или кварца, получить нити и связать их пла­ стичной матрицей, то можно одновременно обеспечить высокую прочность и высокое сопротивление хрупкому разрушению. В данном случае задача решается благодаря геометрии волокон: в тонких нитях трещины либо очень короткие, если они распо­ ложены поперек волокон, либо безопасны, если ориентированы вдоль волокон: если одно или несколько волокон порвется, то нагрузка перераспределится на другие волокна и материал не разрушится. Таким образом, возможное решение противоречи­ вой задачи: хрупкость — пластичность — это композиционные материалы, состоящие из пластичной матрицы и высокопрочного наполнителя (принцип стеклопластиков). Поскольку в волокнах подвижные дислокации не нужны для создания высокого сопро­ тивления распространению трещин, то целесообразно использо­ вать волокна хрупких, высокопрочных материалов. В табл. 35—37 приведены данные о прочности некоторых нитевид­ ных кристаллов — естественных, стеклянных, кварцевых воло­ кон, а также прочность некоторых видов поликристаллической металлической проволоки при комнатной температуре.

Практически высокопрочные композиционные материалы мо­ гут быть получены как в результате армирования матрицы (ме­ таллической или неметаллической) непрерывными волокнами, так и дискретными нитевидными кристаллами. Первая реализуется технологически проще, вторая сулит более высокую прочность.

Среди перечисленных высокопрочных волокон преимущество по удельной прочности и жесткости остается за керамическими нитевидными кристаллами. Отдельные, «рекордные» нитевидные кристаллы имеют прочность, близкую к теоретической, например усы сапфира.

351

352

Нитевидные кристаллы

Под нитевидными кристаллами пли усами («whiskers») понимают кристаллы, которые обладают некоторыми особенно­ стями структуры и геометрии, а также необычными механически­ ми и физическими свойствами. Усы имеют большое отношение

В настоящее время ведутся интенсивные работы с целью исполь­ зования высокой прочности нитевидных кристаллов и создания новых конструкционных материалов. Изучение поведения ните­ видных кристаллов различных материалов имеет большое теоре­ тическое значение для выяснения многих вопросов физики твер­

старение в усах должны протекать иначе, чем в обычных метал­ лах. Поскольку прочность и кинетика многих процессов сильно зависят от дефектов структуры, бездефектный нитевидный кри­ сталл представляет собой великолепный, хотя и трудный для исследования, объект.

За последние годы разработано несколько лабораторных способов выращивания нитевидных кристаллов, среди которых наибольшее распространение получили метод конденсации из пара и метод химических транспортных реакций. Поскольку усы сапфира являются весьма перспективными с практической точки зрения, ниже рассматривается кинетика роста этих нитевидных кристаллов.

Кинетика роста нитевидных кристаллов сапфира

В работе [327] отмечалось, что рост нитевидных кристаллов из газовой фазы подчиняется тем же закономерностям, что и рост монокристаллов из пересыщенного пара. Для описания роста усов существует модель Сирса, в которой рассматривается процесс соударения атомов из пересыщенной газовой фазы с боковой поверхностью кристалла, физическая адсорбция, по!- верхностная диффузия этих атомов к вершине нитевидного кристалла и десорбция тех атомов, которые за время жизни т в адсорбированном состоянии не достигли вершины кристалла [348]. Атомы, достигающие вершины, встраиваются в решетку, например, на ступеньке аксиальной винтовой дислокации.

В работе [327] рассмотрены различные способы решения дифференциального уравнения по Сирсу и дана эксперимен­ тальная проверка этих решений для тех случаев, когда растущий кристалл находится в окружении одноатомного газа, не отли­ чающегося по составу от нитевидного кристалла (примеры —

В работе [329] экспериментально и теоретически исследована 'связь между радиусом кристалла усов сапфира и линейной ско­ ростью роста при разных температурах. Получены линейная зависимость скорости vmax от обратного радиуса, а также изме­ нение наклона прямых с температурой.

Следует отметить, что при повышенных температурах растут преимущественно толстые кристаллы. С повышением температу­ ры величина vR сначала возрастает, достигая максимума при 1500°С, а затем падает (рис. 157). Следовательно, для интен­ сификации процесса роста усов сапфира нецелесообразно

■величин, входящих в формулу для скорости, объяснено в [329]. Зависимость lg(t;i?) от обратной температуры для восходи­ вшей ветви оказывается линейной. Определение энергии акти­ вации процесса роста усов сапфира дало величину Е, равную 320 кжд/моль (75 ккал/моль) . Она, по-видимому, представляет собой линейную комбинацию теплоты десорбции молекул Л120, энергии активации поверхностной диффузии молекул и теплоты химической реакции образования AUO. Таким образом, резуль­ таты работы [329] позволили сделать вывод о том, что теория роста нитевидных кристаллов, разработанная для того случая, когда кристалл растет в окружении своего пара, применима также к кристаллам, получение которых сопровождается хими­

ческими реакциями.

Некоторые механические свойства хрупких и пластичных нитевидных кристаллов

Почти для всех исследованных до сих пор нитевидных кри­ сталлов (пластичных и хрупких) обнаружена зависимость прочности от геометрических параметров — длины и пиаметрп.

356

Рис. 160. Масштабная зависимость прочности «хороших» (верхняя кривая) и «пло­ хих» (нижняя кривая) усов сапфира

таких усов ниже. Влияние масштабного фактора на прочность должно также зависеть от состава усов и температуры испытания.

Динамическую и статическую прочность усов сапфира при повышенных температурах впервые исследовал Бреннер. Он отметил две наиболее интересные особенности. Масштабная зависимость прочности при растяжении усов сапфира выше 1500° С отсутствует, а в интервале 1100—1400° С наблюдается резкое понижение предела прочности. Однако заметных следов пластической деформации не было обнаружено даже при 2000° С. Близкие результаты получены при изгибе усов сапфира при 700—1600° С. Однако в работе Солтиса была обнаружена пла­ стичность усов сапфира ниже 900° С и даже при комнатной температуре. Наконец, недавние исследования [330] влияния ориентации, условий роста, примесей и состояния поверхности на прочность нитевидных кристаллов сапфира при 350—1800° С привели к выводу о том, что данные Бреннера для зависимости прочности от температуры завышены.

На рис. 161 представлены данные по зависимости прочности усов сапфира различной ориентации в зависимости от площади

разброс частных значений прочности уменьшается, что, по-види­ мому, связано с меньшим абсолютным значением прочности. В пределах разброса нельзя установить влияния ориентации на прочность нитевидных кристаллов при повышенных темпера­ турах.

На рис. 162 представлен график зависимости средней прочно­ сти усов диаметром 10 мкм от температуры. Средняя прочность снижается с 9,3 Гн/м2 (950 кГ/мм2) при 25° С до 1,5—2,0 Гн/м2

358