» » Эксплуатационные свойства тугоплавких соединений и сплавов на их основе
11.12.2014

К эксплуатационным свойствам относятся жаропрочность, термостойкость, жаростойкость и прочность.
Одной из отличительных особенностей тугоплавких соединений является их весьма высокая жаропрочность.
Основным фактором жаропрочности является величина межатомной связи, которая характеризуется температурой плавления, модулем упругости, характеристической температурой, теплотой сублимации. Чем выше эти показатели, тем выше жаропрочность (табл, 2).
Эксплуатационные свойства тугоплавких соединений и сплавов на их основе

Так как прочность межатомных связей тугоплавких соединений значительно выше прочности межатомных связей чистых металлов, жаропрочность последних ниже жаропрочности тугоплавких соединений.
Жаропрочность сплавов тугоплавких соединений с металлами по мере увеличения содержания металлов снижается, приближаясь к жаропрочности чистых металлов. Однако необходимо сделать оговорку, что это верно только в том случае, если металл растворяется в тугоплавком соединении или образует свободную фазу, например в сплаве TiC+Mo или TiC+Co.
В том случае, если металл образует с тугоплавкими .соединениями другое тоже тугоплавкое химическое соединение, например, в сплаве TiB2+Mo, присадка металла не оказывает существенного влияния на жаропрочность сплава. Если металл образует с тугоплавким соединением твердый раствор, длительная жаропрочность уменьшается монотонно с увеличением содержания металла.
Аналогичное положение имеет место в материалах, известных под названием «керметы» и представляющих собой композицию, состоящую из тугоплавких окислов и металлов, В подавляющем большинстве случаев металлы образуют с тугоплавкими окислами простую механическую смесь. Длительная жаропрочность керметов продолжает оставаться высокой, пока в структуре сохраняется непрерывный скелет окисла; если количество металла в кермете достигнет такой величины, по которой сплошность керамического скелета нарушается и начинается образование металлического скелета, длительная жаропрочность материала резко падает (фиг. 13).
Эксплуатационные свойства тугоплавких соединений и сплавов на их основе

На длительную жаропрочность существенное влияние оказывают пористость и величина зерна материала. С увеличением пористости жаропрочность падает за счет уменьшения живого сечения. Материал с плотной мелкокристалической структурой имеет более высокую жаропрочность, чем материал грубокристаллический. Это обусловливается тем, что металлокерамические материалы разрушаются в основном по границам зерен, и поэтому с увеличением площади границ жаропрочность повышается, а суммарная площадь границ при грубокристаллической структуре меньше. Кроме того, в материалах с грубокристаллической структурой степень дефектности кристаллических решеток выше.
Существенное влияние на жаропрочность сплавов на основе тугоплавких соединений оказывает также среда, в которой материал эксплуатируется. Если среда является окисляющей, то поверхность зерен покрывается окислами и это приводит к снижению жаропрочности. Исключение составляет тот случай, когда изготовляется специально сплав на основе системы Mе—МeO. например типа спеченного алюминиевого порошка САП (Al—Al2O3). В этом случае окись образует сплошной очень тонкий каркас и жаропрочность материала оказывается значительно выше жаропрочности чистого металла.
Под термостойкостью материала понимается его способность противостоять резким тепловым ударам без разрушения.
Рядом зарубежных авторов были предложены математические выражения, в которых связывались некоторые отдельные свойства (прочность на разрыв, коэффициент линейного расширения, теплопроводность, модуль упругости и др.) с термостойкостью.
Однако такая трактовка связи термостойкости с отдельными физико-механическими свойствами носит довольно механистический характер. Термостойкость является значительно более сложным свойством и зависит от ряда и других факторов, не учитываемых предложенными математическими выражениями.
Важнейшими факторами, характеризующими термостойкость, являются: теплопроводность, величина зерна, степень пористости, тип решетки, прочность межатомной связи и др.
Термостойкость любых материалов и в том числе металлокерамических тем выше, чем выше теплопроводность, крупнее зерно и выше степень пористости. Для гетерогенных материалов термостойкость тем выше, чем меньше разность в коэффициентах линейного расширения фазовых составляющих.
При низкой теплопроводности материала в случае теплового удара получается локальное термическое напряжение, которое приводит к образованию трещин. При высокой теплопроводности возникающее тепло не сосредоточивается, а рассеивается по всей массе и в этом случае не получается локальных напряжений, чем и объясняется значительное повышение термостойкости.
Разрушение материала при низкой термостойкости обусловливается образованием трещин. Процесс развития образовавшихся трещин зависит от величины зерна и значительно облегчается с измельчением зерна в то время, как Kpynsioe зерно является хорошим препятствием для развития трещин (фиг. 14).
Эксплуатационные свойства тугоплавких соединений и сплавов на их основе

Степень пористости оказывает аналогичное влияние, так как пора служит как бы препятствием для развития трещин. Поэтому, чем больше пор в материале и чем выше соотношения между диаметром пор и толщиной материала между порами, тем выше термостойкость. Здесь, однако, необходимо учесть, как об этом уже было сказано, что повышение пористости приводит к снижению жаропрочности материала, особенно в случае нахождения его в окисляющей среде, что, в свою очередь, приводит к снижению термостойкости. Поэтому все сказанное о повышении термостойкости при увеличении пористости металлокерамических изделий справедливо для тех случаев, когда исключается окисление материала (фиг. 15).
Эксплуатационные свойства тугоплавких соединений и сплавов на их основе

В гетерогенных сплавах вследствие различия коэффициентов линейного расширения зерен отдельных фаз на границе между ними при тепловом ударе возникают локальные термические напряжения, что также приводит к образованию трещин.
Возьмем в качестве примеров два сплава металлокерамического типа TiC—Mo и TiC—Ni. В первом сплаве коэффициенты линейного расширения обеих фаз довольно близки, а во втором — коэффициент линейного расширения никеля резко (почти в пять раз) отличается от коэффициента линейного расширения карбида титана.
При быстром нагреве обоих сплавов до 1200 на границах обеих фаз возникают локальные напряжения. Элементарные расчеты показывают, что эти напряжения во много раз выше в сплаве TiC+Ni, чем в сплаве TiC+Mo.
Существенное влияние на термостойкость тугоплавких соединений и сплавов на их основе оказывает тип кристаллической решетки. Термостойкость, как правило, тем выше, чем проще строение кристаллической решетки. Это, по-видимому, обусловливается тем, что с упрощением решетки повышается пластичность материала.
Существенное влияние на термостойкость оказывает наличие в материале таких компонентов, которые обладают высокой демпфирующей способностью, т. е. способностью к рассеянию энергии, подведенной к телу.
Термостойкость материала хорошо характеризуется декрементом затухания. Чем выше величина декремента затухания, тем выше термостойкость материала. Существенное влияние на величину декремента затухания оказывает тип кристаллической решетки. Как показали многие опыты, особенно благоприятное влияние в этом отношении оказывает слоистое строение кристаллической решетки; вещества с такой решеткой обладают высокой термостойкостью (графит, нитрид бора, нитрид кремния и др.). Такое влияние слоистой решетки, по-видимому, можно объяснить тем, что атомы в ней не закреплены жестко и имеют большую возможность к колебаниям под влиянием температуры, а это и приводит к тому, что они активно рассеивают энергию.
Прочность межатомной связи оказывает существенное влияние на термостойкость. Хорошей характеристикой прочности межатомной связи служит так называемая величина среднеквадратичного смещения. Чем выше прочность межатомной связи, тем меньше величина среднеквадратичного смещения. С увеличением прочности связи и, следовательно, с уменьшением величины среднеквадратичного смещения, решетка становится менее эластичной, повышается хрупкость тугоплавкого соединения и, как следствие, падает его термостойкость.
Все изложенное выше справедливо в отношении тугоплавких соединений, имеющих один и тот же тип кристаллической решетки. Сравнивать термостойкость по величине среднеквадратичного смещения для тугоплавких соединений с различным типом решетки нельзя.
Из третьих основных видов тугоплавких соединений (нитридов, карбидов и боридов) наименьшей прочностью межатомной связи обладают нитриды, поэтому они являются наиболее термостойкими. Наибольшая прочность межатомной связи проявляется у боридов, и из перечисленных трех видов соединений они по термостойкости стоят на последнем месте.
Заметное влияние на термостойкость сплавов тугоплавких соединений оказывает характер взаимодействия между ними. Из трех типов сплавов — гомогенный твердый раствор, химическое соединение, механическая смесь — в подавляющем большинстве случаев гомогенный твердый раствор обладает максимальной, а химическое соединение минимальной термостойкостью. В случае образования механической смеси большое значение имеет разница в коэффициентах линейного расширения фаз. Если фазовые коэффициенты линейного расширения значительно различаются, то термостойкость такого сплава является низкой; если же коэффициенты линейного расширения фаз достаточно близки между собой, то термостойкость может быть высокой и близкой к термостойкости гомогенного твердого раствора.
Под жаростойкостью понимается способность материала противостоять окислению при высоких температурах.
Жаростойкость тугоплавких соединений определяется в основном характером образующихся поверхностных окислов. Если пленка окисла получается плотной и через нее затруднена диффузия атомов металла из сердцевины к поверхности и диффузия атомов кислорода из атмосферы в металл, то жаростойкость материала достаточно высока, в противном случае, т. е, при образовании неплотного, рыхлого или летучего окисла, жаростойкость получается низкой.
Вторым важным фактором является химический состав образующегося окисла. Чем он сложнее, тем создастся большее препятствие для проникновения через пленку окисла атомов металла и атомов кислорода и тем, следовательно, выше жаростойкость материала,
Поэтому, например, жаростойкость карбидов (пленка состоит только из окисла металла) ниже, чем жаростойкость боридов (окисная пленка у последних состоит из окиси металла и окиси бора), а если к боридам добавить силициды, то жаростойкость их еще более возрастает (фиг. 16).
У индивидуальных тугоплавких соединений одного класса (карбидов, боридов и т. д.) жаростойкость может изменяться в довольно широких пределах. Можно предполагать, что это связано с различием в электронном строении тугоплавких соединений, однако экспериментальных данных, которые позволили бы сформулировать какие-либо обобщенные положения по этому вопросу, пока еще почти не получено.
Эксплуатационные свойства тугоплавких соединений и сплавов на их основе