Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
На рис 4.16 наведено приклади змін середніх розмірів зерен залежно від об’ємного вмісту другої фази в конденсатах, які отримані електронно-променевим випаровуванням. Найбільш суттєве подрібнення зерна спостерігається в області малого вмісту другої фази (до 0,5 %).
Рис. 4.16. Ширина стовпчастих кристалітів двофазних конденсатів залежно від вмісту другої фази: 1 – Fe-Al2O3; 2 – Fe-ZrO2
Залежність середнього розміру частинок другої фази в дисперсно-зміцнених покриттях від кількості другої фази і температури основи описується наступним співвідношенням:
, (4.45)
де – деяка постійна, наприклад, для системи еВ, ; – об’ємна частка другої фази; – ефективна енергія активації росту частинок другої фази.
Конденсаційні покриття мають чітку залежність механічних властивостей від структури. Ця залежність визначається додатковим розмірним фактором. Особливо це спостерігається для двофазних матеріалів дисперсного типу, які поділяються на дві групи:
1) дисперсно-зміцнені матеріали; складаються з металевої чи керамічної матриці, в котрій рівномірно розподілено (5...10) % некогерентних дисперсних частинок другої фази, як правило, з більш високим модулем пружності порівняно з матрицею;
2) двофазні дисперсні матеріали; містять (60...80) % частинок більш міцної другої фази.
Для першої групи матеріалів межа текучості розраховується із співвідношення:
, (4.46)
де, і – відповідно межа текучості, модуль зсуву і вектор Бюргера матриці; – середня вільна відстань між частинками; = (25…40) – деякий коефіцієнт, що слабо залежить від природи і форми дисперсних частинок.
Оскільки:
,
де і – відповідно середній розмір і об’ємна частка частинок.
Тоді відношення (4.46) можна записати в наступному вигляді:
, (4.47)
де – коефіцієнт, значення якого лежить у межах від 38 до 60.
Ці залежності отримані емпіричним шляхом, але вони відображають фізичну сутність процесу. Наприклад, межа текучості алюмінію, який містить 3 % , складає 495 МПа, проте час як чистого алюмінію – лише (120...180) МПа. Додавання 3 % у мідь підвищує її межу текучості до 900 МПа.
Існує структурна область аномально високої пластичності (екстремум пластичності), коли середня вільна відстань між частинками приблизно дорівнює середньому розміру зерен матриці , тобто виконується структурна умова:
. (4.48)
Наприклад, для відокремленого напилення Be-Y у твердому стані утворюється єдине хімічне сполучення . При концентрації від 0,8 до 0,9 об’ємних відсотків (0,46 масових відсотків Y), коли середній розмір зерен приблизно дорівнює 5 мкм, а – 17 нм, виконується структурна умова .
Відповідно спостерігається збільшення пластичності і міцності. Подовження при руйнуванні складає 10,2 %, а тимчасовий опір – 398 МПа (рис. 4.17).
Рис. 4.17. Механічні властивості двофазних конденсатів Be-Y: 1 – тимчасовий опір; 2 – межа текучості; 3 – подовження при руйнуванні
Подібні закономірності механічних властивостей встановлені для багатьох двофазних матеріалів з металевою і керамічною матрицями в широкому діапазоні середніх розмірів зерен і частинок другої фази.
Другий екстремум механічних властивостей існує у двофазних конденсованих матеріалах, які містять (60…80) об’ємних відсотків другої фази. В таких структурах середня вільна відстань між частками наближається до середньої відстані між частками , тобто . Межа текучості подібних матеріалів оцінюється співвідношенням:
, (4.49)
де, , і – відповідно межа текучості, модуль зсуву, вектор Бюргера і об’ємна частка частинок другої фази.
У композиціях, які містять крихкі частинки другої фази у вказаному інтервалі концентрацій ((60…80) об’ємних відсотків), одночасно з максимумом міцності спостерігається максимум пластичності чи в’язкості руйнування (для керамічних матеріалів).
На рис. 4.18 наведено залежності , і подовження при розтягу конденсатів Al-Be при температурі 20 . Приблизно при 80 об’ємних відсотках Be спостерігаються характерні максимуми міцності і пластичності: межа текучості складає 370 МПа, тимчасовий опір – 435 МПа, подовження – близько 8 %. Середній розмір частинок берилію складає 1,8 мкм.
Якщо взяти d =1,8 мкм, а =0,8, тоді відповідно до співвідношення (4.49) межа текучості цього матеріалу складатиме 398 МПа, тобто відповідає експериментальним значенням – 370 МПа.
Для чистого берилію МПа, МПа, см.
Рис. 4.18. Механічні властивості двофазних конденсатів Al-Be
Поверхні розділу між шарами (міжфазні поверхні) є джерелами далеко діючих внутрішніх напружень і ефективними бар’єрами на шляху дислокацій, які рухаються. Тому мікрошарові матеріали можуть бути високоміцними при кімнатній температурі і жароміцними при високих температурах. Товщина мікрошарів – один із найголовніших параметрів, які визначають властивості мікрошарових конденсатів.
На рис. 4.19 наведено залежність мікротвердості від товщини шарів, що чергуються, масивного конденсату Cu-Fe. Різке підвищення мікротвердості спостерігається в конденсатах з товщиною мікрошарів менше 2 мкм. Мікротвердість мікрошарових конденсатів твердих матеріалів і також підпорядковується подібній залежності.
Рис. 4.19. Мікротвердість мікрошарових конденсатів Cu-Fe залежно від товщини мікрошарів
Дослідження механічних властивостей конденсатів Fe-Cu, Cr-Cu і Mo-Cu показали, що взаємозв’язок межі текучості цих матеріалів з товщиною шарів можна описати залежністю:
, (4.50)
де, і – відповідно межа текучості, модуль зсуву і вектор Бюргера кристалічної гратки матеріалу несучого шару, тобто мікрошару з більш високим значенням модуля зсуву.
Наприклад, для Fe-Cu з МПа, см, см і =150 МПа межа текучості дорівнюватиме 750 МПа.
У табл. 4.2 наведено при 20 і 1000 механічні властивості жароміцного литого сплаву ЖС6К (0,11 % C, 10,5 % Cr, 5,0 % W, 4,2 % Mo, 2,5 % Ti, 4,0 % Co, 5,0 % Al, інше – Ni) і деяких матеріалів на нікелевій основі, отриманих електронно-променевим випаровуванням і конденсацією компонентів у вакуумі у вигляді листів товщиною (1,2…1,5) мм.
Таблиця 4.2. Механічні властивості деяких високотемпературних матеріалів
|
Склад, мас. % |
Т=20 |
Т=1000 |
|||||
|
, МПа |
, МПа |
, % |
МПа |
, МПа |
, % |
, МПа (=0,1 % / год.) |
|
|
Ni - 10,5 %, Cr - 5 %, W - 5 %, A l- 4,2 %, Mo - 4 %, Co - 2,5 %, Ti - 0,11 %, C (ЖС6-К) |
880 |
1000 |
2,5 |
300 |
526 |
2,0 |
190 |
|
Ni - 18 %, Cr - 4 %, Al |
530 |
910 |
24,0 |
45 |
46 |
43,0 |
– |
|
Ni - 18 %, Cr - 6 %, Al - 9 %, Mo - 0,44 %, |
600 |
650 |
2,0 |
80 |
120 |
5,0 |
60 |
|
Ni - 12 %, Co - 18 %, Cr - 4 %, Al - 7 %, Mo |
970 |
1300 |
15,0 |
55 |
67 |
20,0 |
50 |
|
Ni - 12 %, Co - 18 %, Cr - 4 %, Al - 2,4 %, NbC |
1060 |
1350 |
8,0 |
58 |
72 |
94,0 |
40 |
|
Ni - 16 %, Cr - 5 %, Al / 10 об.%, NbC (2,8 мкм)* |
720 |
1130 |
10,0 |
110 |
200 |
7,0 |
90 |
|
Ni - 6 %, Al - 12 %, Mo / 23 об.%, Mo (3,5 мкм)* |
900 |
1300 |
3,0 |
200 |
400 |
4,0 |
140 |
* Товщина мікрошарів
З табл. 4.2 випливає, що при 1000 механічні властивості мікрошарових матеріалів (Ni – 16 %, Cr – 5 %, Al /10 об. %, NbC і Ni – 6 %, Al – 12%, Mo / 23 об. %, Mo) наближаються, а при 20 перевищують відповідні властивості багатокомпонентного литого сплаву.
На даний час існують експериментальні дані, які свідчать про можливість отримання товстих двофазних конденсатів з мікропористою, термічно стабільною структурою. Фізична сутність механізму формування мікропористої структури при одночасному зародженні і рості в процесі конденсації сферичних часток фаз А і В наведена на рис 4.20.
Рис. 4.20. Схеми “тіньових” ділянок, розміщених біля частинок фаз А і В
“Тіньові” зони утворюються на стадії конденсації зародків частинок на локальних ділянках поверхні з підсиленням ефекту затемнення при зустрічі частинок, що розростаються, фаз А і В. В результаті в об’ємі конденсату формується структура, яка складається з частинок фаз А і В і розвиненої системи мікропор між ними. Термічна стабільність такої структури залежить передусім від характеру фізико-хімічної взаємодії фаз А і В.
Якщо фази А і В практично не взаємодіють одна з одною в процесі конденсації і при наступній термічній дії, то структура конденсату буде відрізнятися високою термічною стабільністю. Високотемпературне нагрівання таких конденсатів приводить лише до коалесценції “тіньових” мікроділянок і до появи більш рівноважних сферичних чи витягнутих, ізольованих чи з’єднаних між собою мікропор.
Прикладом таких матеріалів є товсті (0,5…0,6 мм) двофазні конденсати: , ,. У цих системах практично відсутня взаємодія між фазами , , . Збільшення температури основи збільшує відкриту мікропористість. Це обумовлено збільшенням розмірів часток з підвищенням температури конденсації і відповідних розмірів “тіньових” ділянок. Коалесценція “тіньових” ділянок після завершення конденсації створює систему відкритої мікропористості.
Особливості випаровування багатокомпонентних сумішей з одного джерела обумовлюють можливість створення покриття з контрольованим вмістом кожного елемента по товщині. Зміна складу парової фази залежно від тиску пари кожного елемента формує градієнт концентрацій по товщині конденсату. Здатність, наприклад, двокомпонентного сплаву А-В до фракціонування визначається емпіричним параметром К.
Якщо К < 1 ( при К=1 сплав випаровується узгоджено), тоді спочатку випаровується компонент з високим тиском пари. Потім зі збільшенням кількості сплаву, який випарувався, починається випаровування компонентів з низьким тиском пари. Ця відмінність тим сильніша, чим більше значення параметра К відрізняється від одиниці і чим вище вихідна концентрація компоненту А. В результаті вказаних змін складу парової фази формується градієнт концентрацій по товщині покриття. Прилеглі до поверхні конденсації шари містять максимальну кількість компонентів з високим тиском пари.
На рис. 4.21 наведено розподіл алюмінію, цирконію і кисню та схему утворення відповідних структур в перерізі градієнтного покриття, яке осаджене на поверхню нікелевого сплаву з 12 масових відсотків Al.
Рис. 4.21. Розподіл алюмінію, цирконію і кисню та схема утворення структур градієнтної перехідної зони: 1 – основа; 2 – - фаза; 3 – ; 4 – ; 5 –
До поверхні основи прилягає прошарок, який містить (19…20) масових відсотків Al і відповідно до - фази (інтерметалід NiAl). За - фазою прямує тонкий (менше 1 мкм) шар, якій складається в основному з і який плавно переходить в двофазну область, котра потім трансформується в кераміку .
Градієнтні матеріали із зовнішніми оксидними (,), карбідними чи боридними шарами перспективні як тверді і зносостійкі покриття.