Сверхпрочные и композиционные материалы

В основе создания сверхпрочных материалов лежит современное представление о дислокациях (искажения атомно-кристаллических простран­ственных решеток), как о первопричине наблюдающегося расхождения между реальной прочностью металлов и теоретической, предсказываемой на основании величины атомных связей в кристаллических решетках.

Реальная прочность в десятки, а иногда и в сотни раз меньше. Иначе говоря, в современных металлах используется незначительная доля возможной их прочности.

Еще недавно считалось [36], что процесс пластической деформации заключается в одновремен­ном сдвиге кристаллических плоскостей одной относительно другой. Это представление не вяжется с большой величиной усилий, необходимых для преодоления атомных связей на плоскостях скольжения. Сейчас общепризнанна теория, согласно которой сдвиг происходит не сразу, а последовательными этапами (эстафетно).

Вокруг дислокаций возникают поля напряжений и образуются площадки облегченного скольжения. Достаточно сравнительно небольшого складывающего напряжения, чтобы вызвать на таком участке сдвиг кристаллических плоскостей на одно межатомное расстояние. Этот сдвиг сопровождается соответственным перемещением площадки облегченного скольжения по направлению или против направления действия силы. На новом месте расположения площадки, в свою очередь, происходит сдвиг на одно межатомное расстояние, сопровож­даемый новым смещением площадки скольжения.

Таким образом, площадка скольжения, последовательно перемещаясь вдоль направления действия силы, вызывает сдвиг всей кристаллической плоскости на одно межатомное рас­стояние. Если сила продолжает действовать, то явление многократно повторяется, происходит макросдвиг кристаллических плоскостей. Очевидно, что такой последовательный сдвиг, требующий только местного разрыва атомных связей, происходит под действием силы, во много раз меньшей силы, необходимой для одновременного сдвига сразу всей кристал­лической плоскости.

Описанный механизм возникновения и распространения сдвига является первопричиной пониженной реальной прочности металлов по сравнению с теоретической. Перемещение площадки облегченного скольжения продолжается до тех пор, пока дислокация не выйдет на поверхность кристаллического блока или не встретится с препятствием.

Существуют два основных направления повышения прочности металлов:

1) устранение или уменьшение числа дислокаций (создание металлов правильного атомно-кристаллического строения); 2) увеличение числа неоднородностей (создание препятствий, тормозящих развитие и распростра­нение дислокаций).

Бездефектную структуру можно получить только у очень чистых материалов и в очень малых объемах, исключающих возникновение и развитие дислокаций. Специальными методами получают нитевидные кристаллы толщиной 0,05—2 мкм и длиной несколько миллиметров, так называемые волокнистые нити (усы), обладающие исключительной прочностью.

Нитевид­ные кристаллы железа имеют прочность на разрыв 13500 МПа, что примерно в 100 раз больше предела прочности технического железа и в 10 раз больше прочности качественных легированных сталей. Вместе с тем, усы обладают весьма высокими упругими характеристиками. Упругое удлинение железных усов достигает 5%, тогда как у техниче­ского железа оно не превышает 0,01%. Повышенная прочность и упругость усов обязана правильности атомно-кристаллического строения. Развитие дислокаций в усах затруднено вслед­ствие того, что их диаметр соизмерим со средней протяженностью дислокаций. С увеличением диаметра прочность усов резко падает из-за появления дислокаций. Усы сохраняют высокую прочность только в пределах упругих дефор­маций. По достижении предела текучести прочность усов в результате возникновения дислокаций резко и невосстановимо падает.

Усы получают также из неметаллических материалов (графита, окиси бе­риллия, карбида кремния, окиси алюминия, окиси магния). Прочность многих керамических усов значительно превышает прочность металличе­ских усов. Упругое удлинение керамических усов 1,5—6%; модуль нормальной упругости Е = (300 — 500) 10³ МПа. Исключительно высокий модуль упругости имеют графитные усы (Е = 1000• 10³ МПа).

Сплавы на основе железа или титана с вплетением в кристаллическую решётку нитевидных кристаллов (усов) из указанных выше неметаллических материалов называют сейчас композитными материалами. Они обладают очень высокими механическими характеристиками, но применение их в общем машиностроении пока ограничено из-за высокой стоимости. В авиастроении уже практически все силовые детали выполняют из композитных материалов.

Второе, диаметрально противоположное направление, стремящееся к увеличению степени неоднородности и числа искажений кристалли­ческой решетки, разумеется, не позволяет приблизиться к теоретической прочности, но может существенно повысить реальную прочность технических металлов.

Первым этапом на этом пути являются легирование и термообработка, упрочняющий эффект которых в сущности сводится к увеличению плотности дислокаций.

Дальнейшие успехи в создании прочных сталей связаны с тем, что у некоторых многокомпонентных легированных сталей (с относительно небольшим общим содержанием легирующих добавок) при охлаждении с температуры аустенитного превращения в определенном интервале температур (450—550°С) не наблюдается распада аустенита, сопровождаю­щегося образованием твердых феррито-цементитных смесей. В этом интервале сталь неограниченное время остается в пластичном состоянии; ее можно ковать, штамповать, прокатывать. Это положило начало термомеханической обработке, представляющей собой сочета­ние процессов термообработки и пластической деформации.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) заключается в интенсивной пластической деформации стали в температурном интервале устойчивого аустенитного состояния. Процесс состоит в нагреве до 900— 1000°С, быстром охлаждении до 450—550°С, многократном пластическом деформировании при этой температуре с большой степенью деформации (до 90%), закалке на мартенсит и отпуске при 250-400^сС.

Низкотемпературной термомеханической обработке поддаются стали примерно следующего состава: 0,4-0,6% С; 1…1,5% Ni; 0,7-1,5% Мn; 1 …1,5% Si; 1…3% Сг и 0,5…1,5% Мо, обладающие указанным интер­валом устойчивого состояния аустенита. НТМО вызывает значительное увеличение прочности (предел прочности при растяжении 3200-3500 МПа, предел текучести 2800…3000 МПа при удлинении 8…12%). Это примерно в 2 раза выше показателей прочности лучших современных легированных сталей. НТМОрезко повышает усталостную прочность.

Обязательной предпосылкой получения сверхпрочных сталей является повышенное качество исходного материала. Стали плавят в электропечах под вакуумом и подвергают многократному электрошлаковому или электронно-лучевому переплаву. Разливку стали также производят под вакуумом.

Применение сверхпрочных металлов с полным исполь­зованием их прочностного ресурса и уменьшением сечений детали без соответствующего сокращения их длины может привести к резкому уменьшению жесткости.

В случае растяжения-сжатия способов борьбы с уменьшением жест­кости нет, так как при данных σ и Е величина деформаций определяется только площадью сечения и не зависит от его формы. Вследствие этого ферменные и стержневые системы, выполненные из сверхпрочных сталей, неизбежно будут обладать пониженной жесткостью.

При изгибе и кручении можно до известной степени повысить жесткость обычным путем — увеличением диаметральных размеров детали с одновременным утонением ее стенок. Однако с увеличением моментов инерции одновременно увеличиваются и моменты сопротивления деталей, Что сопровождается уменьшением напряжений. Таким образом, этот путь сводится к снижению напряжений, что скрадывает основное преимущество высокопрочных материалов: возможность повышения расчетных напря­жений с соответствующим выигрышем в массе.

Это преимущество удается реализовать лишь отчасти и при очень большом утонении стенок (до величины порядка 1—2 мм для обычных деталей в общем машиностроении), т. е. при переходе на оболочковые конструкции.

Для некоторых деталей (дисков, отсеков, зубчатых колес, шатунов, рычагов, валов) эта форма осуществима, хотя и требует коренного изменения конструкции и технологии изготовления. Поэтому наряду с увеличением моментов инерции необходимо применять другие средства уменьшения, деформаций: сокращение длины деталей, более тесную расстановку опор и т. д. Во всяком случае, применение сверхпрочных материалов ставит перед конструкторами и технологами новые задачи, решение которых требует значительных творческих усилий. Положительной особенностью деталей из высокопрочных сталей является высокая спо­собность противостоять ударным нагрузкам, обусловливаемая большой величиной упругих деформаций. Сопротивляемость ударным нагрузкам примерно в 10 больше, чем у обычных сталей.

Дата добавления: 2015-12-07