Дисперсными частицами

Так, например, при одинаковом составе по основным легирующим компонентам жаропрочность более чистого, вакуумного металла не повышается, а даже несколько понижается, но большая пластичность более чистого металла позволяет увеличить объем упрочняющей дисперсной фазы и тем самым достичь большей жаропрочности. Надо полагать, что это обстоятельство обусловлено более высокой растворимостью упрочняющей фазы в чистом металле и образованием большого объема дисперсных включений, повышающих жаропрочность.

В ниобии и тантале технической чистоты примеси внедрения при обычном их содержании находятся в растворе, а в молибдене и вольфраме (вследствие малой растворимости) — в виде дисперсных включений — карбидов, нитридов, оксидов, располагающихся по границам зерен или в приграничных объемах. Это способствует хрупкому разрушению, и порог хрупкости у молибдена и вольфрама резко сдвигается в область более высоких температур.

Зачастую в технических сплавах как бы смешаны химические дисперсные соединения и твердые растворы. Кристаллическая решетка у них общая. Усложнение химического состава твердого раствора, создание дисперсных включений с помощью присадок вольфрама, никеля, титана, молибдена, ниобия, тантала способствует улучшению механических свойств сплавов.

концу пятидесятых годов данных об улучшении высокотемпературных свойств металлов благодаря упрочнению их дисперсными частицами явно не хватало. Во многих лабораториях работы в этой области только начинались. Но было ясно, что в металлическую матрицу в качестве дисперсных включений следует вводить такой материал, который не растворяется в ней и обладает достаточно высокой твердостью при температуре эксплуатации, продолжительное время не изменяя своих свойств. А поскольку свободная энергия образования окислов намного больше, чем у карбидов, нитридов и интерметаллических соединений, окислы и являются тем материалом, который отвечает перечисленным требованиям.

В 1909 -году сотрудники лаборатории американской компании «Дженерал электрик» решили узнать, можно ли изготавливать из вольфрама надежные нити для электрических лампочек накаливания. Хрупкость и недолговечность вольфрамовых нитей задерживали широкое распространение электрического освещения. Молодой ученый И. Лангмюр, позднее нобелевский лауреат, сделал важное открытие. Испытывая способность вольфрамовых нитей испускать электроны, он установил, что введение в них дисперсных включений окиси тория (0,5—2 процента) повышает их долговечность во много раз. С тех пор торированный вольфрам начали широко использовать во всех работах, связанных с термоэлектронной эмиссией.

Значительный интерес представляют спеченные сплавы, полученные из порошков, легированных несколькими элементами [56, 57] (сплавы алюминия с Mg, Мп, Си и с добавками Cr, Ti, Fe, Zr, V). Эти сплавы в отличие от полученных обычным методом имеют более мелкое зерно. Упрочняющие фазы присутствуют в них в виде дисперсных включений и мало склонны к коагуляции. В порошковые сплавы можно вводить большее количество легирующих элементов без огрубления их структуры, чем в обычные сплавы. Прочность порошковых сплавов более высокая, чем прочность обычных сплавов, но удлинение у них ниже.

полностью по метастабильной диаграмме и наряду с аустенитом и цементитом имеется значительное число дисперсных включений графита (рис. 11.28). В результате при высоких температурах в аусте-

ний, приводящая к образованию несплошностей. Последние могут образовываться также около дисперсных включений второй фазы на границах зерен. Этот механизм наблюдали, в частности, в сплавах на никельхромо-вой основе {Л. '21, 22]. Первые несплошности в этих спла-

Окислы железа FeO, Ре2Оз и Fe3Oi располагаются в виде дисперсных включений, плен, прослоек, скоплений и т. п., находящихся в цементирующем веществе. Содержание окислов железа в корке — 7—10% Fe2O3, на контакте с формой — 3—4% FeO. Силикаты железа располагаются в покрытии в виде изолированных зерен фаялита и сопутствующего ферросилита FeSiO3, оси кристаллов которого ориентированы к поверхности контакта.

Присадки, повышающие обрабатываемость (S, Ca, Pb, Se), понижают конструктивную прочность стали. Свинец снижает предел выносливости после цементации (нитроцементации) на 40 % и после улучшения на 10 %. Сера и кальций снижают при химико-термической обработке предел выносливости а_г на 20 %, предел контактной выносливости сталей, содержащих РЬ, Са и S, более чем в 2 раза. Глобулярная форма дисперсных включений при однородно дифференцированной ферритно-перлитной структуре менее резко снижает механические свойства и улучшает обрабатываемость резанием. Значительная анизотропия ударной вязкости в сталях повышенной обрабатываемости не позволяет рекомендовать их для деталей, работающих в сложнонапряжен-ном состоянии, а также со значительными концентрациями напряжений.

можно обрабатывать в виде дисперсных включений в матрице из подходя-

Зерна, растущие с большой скоростью, можно условно рассма тривать как зародышевые центры и поэтому процесс их роста получил название вторичной рекристаллизации. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое число очень крупных зерен. Вторичная рекристаллизация, вероятно, вызывается благоприятной для роста кристаллографической ориентировкой отдельных зерен, меньшей чем у других зерен концентрацией дефектов (величиной объемной энергии) и более высокой подвижностью границ в результате неравномерного выделения примесей. В большинстве случаев причиной вторичной рекристаллизации является торможение роста большинства зерен, образовавшихся при первичной рекристаллизации, дисперсными частицами примесей. Вторичная рекристаллизация, вызывающая образование крупного зерна и разнозернистости, способствует снижению механических свойств металлов.

стовую сталь толщиной 0,2—0,5 мм получают холодной прокаткой, рекристалли-зациомпым отжигом при 800—820 °С, создающим текстуру, и высокотемпературным отжигом при 1100°С, когда развивается вторичная рекристаллизация с преимущественным ростом зерен, имеющих ориентацию {110} (100). После первого'*от-жига зерна твердого раствора должны быть стабилизированы дисперсными частицами нитрида кремния, сульфидами, оксидами и другими соединениями примесей, для развития вторичной рекристаллизации при высокотемпературном отжиге.

Каждая температура отпуска соответствует определенному количеству С, оставшемуся в твердом растворе. Когерентность решеток карбида и твердого раствора сохраняется. Искажения решетки хотя и уменьшаются, однако остаются значительными. При 200° С мартенсит представляет собой пересыщенный (при 250° С — 0,06% С) твердый раствор с распределенными в нем дисперсными частицами карбида.

Количественные расчеты эффекта упрочнения при наличии дисперсной фазы не проводились, но, согласно экспериментальным данным, предел текучести ев результате выпадения дисперсной фазы существенно повышается, при этом существует критическая степень дисперсности фазы, соответствующая максимальному упрочнению. Упрочнение сплава при дисперсионном твердении достигает максимума при расстоянии между дисперсными частицами порядка 1000 А и их размере 50— 200 А {11]. Важно при этом получить равномерное распределение дисперсной фазы в матрице, что будет способствовать более однородному развитию деформационных процессов.

При низких температурах (Т ^ 0,ЗГПЛ) пластическая деформация осуществляется скольжением дислокаций. В пластичных материалах дислокации движутся, легко преодолевая при соответствующем напряжении различного рода препятствия, создаваемые другими дислокациями, растворенными атомами, дисперсными частицами, границами зерен и т. д. (рис. 1.10, а). Напряжение, требуемое для движения дислокаций, зависит от концентрации препятствий и заметно сни-

Разрушение композитов с дисперсными частицами в хрупкой матрице

III. Энергия разрушения композитов с дисперсными частицами . . 18

IV. Модуль упругости композитов с дисперсными частицами ... 29

V. Инициаторы трещин в композитах с дисперсными частицами 34

VI. Прочность композитов с дисперсными частицами ....... 43

В этой главе для исследования прочностных свойств композитных материалов с дисперсными частицами в хрупкой матрице был применен подход механики разрушения, согласно которому реальная прочность материала связывается с его энергией разрушения, модулем упругости и размером трещины, обусловливающим нача-