Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
В настоящее время обобщенной теории прочности (механическая прочность, усталостная прочность, термостойкость) металлокерамических материалов пока не создано. Многочисленные экспериментальные работы, проведенные в этой области, дают, однако, возможность сформулировать некоторые важные общие положения и выводы, которые и рассматриваются ниже. Специфической особенностью металлокерамических тел является то обстоятельство, что эти тела представляют собой материалы с неполным контактом, поэтому степень пористости оказывает существенное-влияние на их прочность и другие свойства.
Механическая прочность металлокерамических тел находится в прямой зависимости от пористости и падает с. увеличением последней. Б. Я. Пинес показал, что эта зависимость может быть выражена следующим уравнением:
где n — пористость в %;
μ — плотность компактного материала;
P0 — механическая прочность компактного материала.
Графически зависимость Р=f(n) выражается в подавляющем большинстве случаев прямой линией.
Если спекаемое тело представляет собой сочетание двух компонентов, не образующих между собой ни твердых растворов, ни химических соединений, то количественное увеличение одного из компонентов способствует ускорению процесса падения прочности с повышением пористости, так как введение увеличенного количества добавки способствует разъединению зерен основного компонента и действует подобно участкам плохого контакта в слабо обожженных спеченных телах.
На механическую прочность оказывает заметное влияние введение добавок, температура плавления которых значительно ниже температуры плавления основных компонентов. В этом случае наблюдается отклонение от прямолинейной зависимости прочности от пористости материала. Причиной этой аномалии является возникновение в присутствии леглоплавких добавок крупных замкнутых пор, увеличивающих свои размеры при спекании. Необходимо отметить, что влияние легкоплавких добавок может быть двояким — в одном случае они способствуют повышению прочности (например, добавки олова к меди), а в другом случае снижают прочность (например, присадка висмута к меди).
Значительное влияние на механическую прочность оказывает форма и величина частиц порошков. Прочность, как правило, возрастает с усложнением формы частиц, так как в этом случае возрастает контактная поверхность и появляется влияние механических зацеплений между частицами. Такое же. влияние оказывает и степень дисперсности порошков. С увеличением дисперсности возрастает контактная поверхность и. как следствие этого, прочность материала.
Существенное влияние на прочность оказывает состояние поверхности частиц, в частности наличие поверхностных окислов. Если поверхностные окислы являются невосстановленными или трудновосстановимыми, их присутствие снижает прочность, так как в этом случае уменьшается площадь контактной поверхности между металлическими частицами порошка. Если же окислы в процессе спекания восстанавливаются, их наличие способствует повышению прочности, так как при их восстановлении происходит обжигание свежей металлической контактной поверхности.
Для металлокерамических, как и для всех хрупких материалов, характерна большая разница в показателях механической прочности на сжатие, изгиб и разрыв. Для подавляющего большинства металлокерамических материалов σизг больше σb, обычно в 2,5—3,0 раза, а σсж больше σизг также в 2,0—3,0 раза.
Как известно, для металлов и металлических сплавов, изготовленных обычными металлургическими методами, т. е. переплавкой и с применением последующей деформации, разница в показателях σb, σсж, σизг невелика и обычно не превышает 20—25%. Эта особенность металлокерамических материалов обусловливается большой степенью дефектности кристаллических решеток материалов и наличием в них остаточной пористости. Разница в показателях σизг, σb, σсж для металлокерамических материалов тем больше, чем выше степень их хрупкости. Это подтверждается также работами, выполненными В. С. Раковским, Е. Н. Германом и другими.
В этих работах показано, что отмеченная особенность металлокерамических материален может быть почти полностью ликвидирована при условии, если пористость металлокерамического материала свести к нулю. Это особенно хорошо заметно, например, на никеле (фиг. 11). В обоих случаях образцы изготавливались из заготовок методом механической обработки для обеспечения испытания на «чистый» разрыв и «чистый» изгиб. Аналогичные результаты были получены и для ряда других материалов — железа, меди, молибдена и сплава карбида титана с молибденом.
Обозначим отношение σизг/σb через К, степень хрупкости материала через a и величину пористости через n. Тогда влияние хрупкости и пористости на отношение. σизг/σb может быть выражено следующим уравнением:
где А — числовой коэффициент, зависящий от природы материала, величины и формы частиц.
На величину К заметное влияние оказывает также температура испытания, а именно: с повышением температуры величина К уменьшается и показатели σизг и σb сближаются ко мере снижения хрупкости материала, причем температура, при которой появляется заметное изменение величины К. тем выше, чем выше прочность межатомных связен и, следовательно, чем выше хрупкость материала.
Ba усталостную прочность металлокерамических материалов, т. е. на их способность выдерживать знакопеременную нагрузку без разрушения, наиболее заметное влияние оказывает характер структуры и степень пластичности материала.
Усталостная прочность спеченных материалов, как правило, меньше прочности компактных материалов того же состава. Это объясняется наличием пор в спеченных материалах, которые оказывают такое же вредное влияние, как надрезы. Усталостная прочность металлокерамических материалов заметно повышается с их пластичностью, что объясняется увеличением их способности при этом к передеформированию.
Существенное влияние на усталостную прочность металлокерамических материалов оказывает характер структуры материала. Усталостная прочность повышается с увеличением дисперсности металлокерамики за счет общего увеличения прочности.
В отличие от компактных, металлокерамические материалы весьма чувствительны к влиянию окисляющей среды при повышенной температуре; под воздействием окисляющей среды усталостная прочность заметно снижается. Это объясняется наличием пористости и, следовательно, большим доступом кислорода к поверхности зерен.
Для подавляющего большинства материалов, изготовленных методом порошковой металлургии, весьма характерно влияние воз действия тепловых ударов на их прочность.
Как видно из графика (фиг. 12), прочность металлокерамических материалов вначале с увеличением количества тепловых ударов возрастает, а затем начинает падать. Такое явление характерно как для очень хрупких (например, карбидов или боридов) тугоплавких соединений, так и для пластичных металлокерамических материалов (например, для кобальта или свинца).
Причины некоторого повышения прочности материалов с начальным повышением количества тепловых ударов пока не установлены. Можно предположить, что тепловые удары, сообщаемые материалу, вначале создают своего рода наклеп, который и приводит к упрочнению, но вместе с тем тепловые удары приводят к образованию трещин, которые в конечном итоге образуются в таком количестве, что это уже приводит к значительному снижению прочности материала.
Снижение прочности после достижения максимума обусловливается образованием микротрещин, ростом их количества и их быстрым развитием. Положение максимума кривых «прочность — количество тепловых ударов» обусловливается в основном степенью пластичности материалов, пористостью и величиной зерна. Как правило, чем выше пластичность материала, меньше пористость и крупнее зерно, тем выше расположен максимум кривой. С другой стороны, падение прочности после достижения максимума с дальнейшим повышением тепловых ударов тем интенсивнее, чем меньше пластичность материала (см. фиг. 12).
Природа изложенных явлений еще недостаточно ясна и требует дополнительного изучения.