Упрочнение материалов

Получив жаропрочный материал в виде САПа, ученые задумались над вопросом, нельзя ли иметь аналогичные результаты для других металлов, как решить задачу упрочнения материалов. Прежде всего необходимо определить причину этого необычного явления, понять его механизм.

Жаропрочность порошковых материалов

Не все порошковые материалы, полученные по такой же технологии, как САП обладают высокой жаропрочностью. Опыты с порошками железа, меди, никеля не подтверждают этого предположения. Получаются обычные материалы с обычными свойствами.

Значит такая высокая жаропрочность характерна именно для алюминия. Значит ответ надо искать, рассматривая другие варианты. Известно, что пластическая деформация есть результат движения дислокаций, (подробнее: Дефекты кристаллической решетки).

Следовательно, чтобы материал лучше сопротивлялся пластической деформации, то есть был прочнее, нужно каким-то образом затруднить движение дислокаций, воздвигнуть на их пути преграды. А чтобы материал был жаропрочным, необходимо, чтобы эти преграды существовали не только при низких, но и при высоких температурах.

Очевидно, в порошковом алюминии такие преграды каким-то образом возникают, а в железе, меди, никеле - нет. Что же это за преграды? А почему же ничего не получалось с порошками меди, никеля, железа и других металлов?

Ну, прежде всего, нельзя говорить обо всех других металлах. Например, с магнием, бериллием получалось, и совсем неплохо. А с медью, никелем, железом, действительно, ничего не вышло.

Дисперсные частицы

Объяснение здесь несложное. Все дело в свойствах скорлупок, покрывающих порошинки, и дисперсных частицах, образующихся из этих скорлупок. У алюминия, магния, бериллия они очень прочные, твердые, тугоплавкие и термодинамически стабильные (не растворяются в матрице, не восстанавливаются и не имеют тенденции к укрупнению при высоких температурах).

А у меди, никеля, железа они плохо совместимы с основным металлом, неустойчивы в нем, не имеют нужных механических свойств при повышенных температурах. Поэтому и упрочнители из них не получаются.

Механизм упрочнения частицами

Так что же, получается, эти металлы нельзя сделать жаропрочными, используя механизм упрочнения частицами? Почему же? Можно. Идея ясна, механизм понятен, теперь просто нужно искать другие способы его включения.

Разве обязательно в качестве добавок использовать собственные оксиды металла? Реально ввести в него частицы других соединений, обладающих требуемыми свойствами? Например, тот же оксид алюминия нерастворим в меди и может быть использован для ее упрочнения.

А для никеля прекрасно подходят оксиды тория и гафния. Необходимо научиться правильно выбирать добавки и правильно вести технологию получения таких материалов. Кстати, это будут уже типичные армированные композиты.

Дисперсно-упрочненные композиты

Заранее, осознанно подбираются различные исходные материалы, образуя из них композиционный материал, обладающий качественно новыми свойствами, не присущими каждому из компонентов в отдельности.

Такие композиты получили название дисперсно-упрочненных. (А вот дисперсионно-твердеющие сплавы, например, сплавы алюминия с медью, имеющие очень похожую структуру и работающие фактически по такому же механизму, к композитам не относятся. Так же, как у стали или чугуна, их композитное строение не является результатом осознанного объединения свойств разных материалов в одном.

Кроме того, при высоких температурах они перестают быть композитами из-за растворения дисперсных включений в матрице.) Итак, принципиально дисперсно-упрочненный материал создать несложно.

Нужно смешать порошок основного (матричного) металла с частицами твердого, прочного, нерастворимого в матрице при высоких температурах соединения и из полученной смеси изготовить беспористый материал. Но эта простота обманчива. Когда дело доходит до практической реализации, возникают далеко не простые вопросы.

1. Из какого конкретно материала должны быть дисперсные частицы, чтобы они наилучшим образом упрочняли данную матрицу?
2. Многие материалы (карбиды, оксиды, бориды) вроде подходят для упрочнения меди, но почему-то А1₂0₃ оказывается эффективнее остальных.
3. Или почему именно двуоксиды тория и гафния лучше других соединений повышают жаропрочность никеля?

Подобных вопросов можно поставить много. А чтобы получить правильные ответы на них, то есть научиться заранее выбирать оптимальный состав дисперсных частиц, нужно обратиться к очень важной и интересной области физики - термодинамике, в частности к термодинамике твердого состояния.

В первую очередь необходимо, чтобы они не взаимодействовали с матрицей путем растворения или образования новых соединений. А кроме того сохраняли достаточно высокие твердость и прочность при нагреве, то есть были тугоплавкими.

1. Какой должна быть концентрация дисперсных частиц в композите?
2. Каковы должны быть их размеры? Действительно, неясно, сколько нужно дисперсных добавок - доли процента? десятки процентов? В САПе в зависимости от размеров алюминиевых порошинок концентрация А1₂0₃ может составлять от 4 до 14% .
3. Но будет ли такая концентрация подходить для других систем?
4. И каким должен быть диаметр вводимых частиц? Миллиметры, доли микрометров?
5. А на каком расстоянии друг от друга они должны находиться?

Здравый смысл подсказывает, что должны существовать какие-то оптимальные концентрации частиц и оптимальные расстояния между ними, обеспечивающие наиболее высокие свойства материала. Действительно, если частиц мало, то они будут создавать мало преград движению дислокаций.

Если их слишком много, дислокации смогут двигаться с большим трудом и на очень ограниченные расстояния, а это значит, что композит будет разрушаться без заметной деформации, то есть будет вести себя хрупко. А хрупкие материалы очень ненадежны, достаточно небольшого удара, чтобы они разрушились. Использовать их в ответственных конструкциях нельзя. Во всем нужно знать меру.

При одинаковой концентрации дисперсных частиц в зависимости от их размера расстояние между ними может изменяться в очень широких пределах. Предположим, что нам нужно получить дисперсно-упрочненный сплав, содержащий 90% (по объему) меди и 10% (по объему) оксида алюминия.

Если объем всего образца 100 см, то объем оксида алюминия должен составить 10 см³

. Эти 10 см

мы можем ввести и в виде десяти частиц, каждая объемом 1 см

, и в виде 10

частиц, каждая объемом 1 мкм

.

Во втором случае расстояние между частицами будет во много раз меньше, и дислокациям придется обходить большое число препятствий. Но если частицы будут расположены слишком близко друг от друга (в пределе - без зазора), возникнут непреодолимые препятствия для продвижения дислокаций, что приведет к хрупкости.

Оптимальные концентрации частиц, их размеры и расстояния между ними зависят от природы матричного металла, его структуры, типа связи между матрицей и частицей и др. Оба пути приводят к следующим результатам: для обеспечения максимальной жаропрочности объемная концентрация частиц должна составлять от 2 до 10% , их средний диаметр - 0,01-0,05 мкм, среднее расстояние между ними - О,1-0,5 мкм.

И как равномерно распределить по объему столь малые частицы? Даже если удастся каким-то образом получить их, есть серьезная опасность, что при смешивании с матричным порошком они будут комковаться, образовывать скопления.

Обычно порошки металлов имеют размер 10-100 мкм, и, смешивая даже сверхтонкие частицы с такими грубыми, не удается обеспечить требуемые межчастичные расстояния в доли микрометра.

На помощь приходит химия

Здесь на помощь приходит химия, которая вместе с физикой является научной основой материаловедения. В тех случаях, когда простое смешивание не дает требуемого эффекта, поступают следующим образом. Смешивают не порошки, а жидкие растворы солей.

Одна из них - соль металла матрицы, а другая - соль металла, входящего в соединение, используемое в качестве упрочняющей фазы. Жидкие растворы можно перемешать очень равномерно. А после перемешивания их высушивают, нагревают и получают смеси. При этом из раствора выпадают в виде мельчайших частичек нерастворенные соединения обоих металлов, например, оксиды.

Оксид матричного металла легко можно восстановить, нагревая его, например, в водороде, а оксид металла упрочняющей фазы восстановлению в водороде не поддается. В результате получается весьма равномерная смесь очень дисперсных частиц, из которой затем можно получать дисперсно-упрочненный композит.

Существуют и другие химические методы получения смесей, и в каждом конкретном случае выбирают наиболее приемлемый. Из смесей никеля с 2-3% НiO₂ и Тh0₂ получают дисперсно-упрочненные композиты, способные надежно работать при 1400-1500 К, то есть при температурах, доходящих почти до 0,9 Тпл. никеля, тогда как чистый никель оказывается неработоспособным при нагреве выше 800-900 К.

Медь, упрочненная 1,5-2% (по объему) А1203, сохраняет высокую прочность до 1100-1200 К, а чистая медь резко разупрочняется при температурах выше 700 К.

По жаропрочности дисперсно-упрочненная медь далеко опережает традиционные медные сплавы (бронзы, латуни), при этом она имеет намного меньшее электрическое сопротивление, что позволяет использовать ее в различных электротехнических устройствах, работающих при повышенных температурах.

Дисперсным упрочнением материалов удается резко повысить жаропрочность свинца, магния, бериллия, серебра, платины, хрома и других металлов.