МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ПРОЦЕССОВ. Методы исследования материалов и процессов
 Скачать 1.95 Mb.
|
|
Раздел II ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ Современное материаловедение имеет целью рациональное использование имеющихся материалов и дальнейшую разработку материалов с заданными физико-механическими характеристиками. Наличие соответствующих материалов определяет возможности реализации научно- технических идей. Рис. 2.1. Схема возможных путей создания нового материала Постоянная потребность в новых материалах обусловлена: • усложнением новой техники, например, для эксплуатации в экстремальных условиях (высокие температуры, агрессивная среда, в физических полях – электрических и магнитных, в условиях радиационного воздействия и др.); • стремлением получить более высокие параметры и КПД техники; Добыча руды, обогащение Металлургия чистых веществ Традиционная технология Конструирование материалов ↓ Плавление компонентов Порошковая металлургия ↓ Затвердевание Композиционные материалы ↓ Нанотехнология Многократная механо- термическая обработка Пленки, покрытия 91 • снижением материалоемкости изделий; • улучшением дизайна и потребительских свойств продукции; • расширением области применения технических устройств. Существует две технологические схемы получения новых материалов. Первая схема основана на традиционном подходе, включающем плавление и затвердевание расплава с последующими термомеханическими обработками литого материала (рис. 2.1.). Вторая технологическая схема показывает примеры реализации принципа одновременного создания (конструирования) материала и изделия. • стремлением получить более высокие параметры и КПД техники; • снижением материалоемкости изделий; • улучшением дизайна и потребительских свойств продукции; • расширением области применения технических устройств. Существуют две технологические схемы получения новых материалов. Первая схема основана на традиционном подходе, включающем плавление и затвердевание расплава с последующими термомеханическими обработками литого материала (рис. 2.1). Вторая технологическая схема показывает примеры реализации принципа одновременного создания (конструирования) материала и изделия. 2.1. Порошковая металлургия Порошковая металлургия относится к методам получения материалов с контролируемой структурой и свойствами и предполагает получение готового изделия непосредственно из исходных компонентов без их плавления. При этом может быть задан любой химический и фазовый состав, в том числе в таких сочетаниях, которые невозможно получить методами традиционной металлургии, при этом ставится задача: • избежать нежелательных фазовых превращений в процессе эксплуатации изделия; • снизить содержание вредных примесей, 92 • обеспечить высокую однородность структуры, равномерное распределение упрочняющей фазы. Технология являетсяресурсо- и энергосберегающей, ее применение отвечает требованиям экологии и безотходного производства. Исходными материалами являются порошки различных материалов. Под порошком понимают совокупность находящихся в соприкосновении индивидуальных твердых тел (или их агрегатов) небольших размеров – от тысячи микрон до нескольких нанометров. Последующие операции порошковой технологии – прессование, спекание, термообработка и, при необходимости, дополнительная деформация – призваны обеспечить получение заготовки (изделия) заданных форм и размеров с соответствующей структурой и свойствами. Совокупность этих операций называют консолидацией. 1. Методы получения порошков весьма разнообразны; их условно можно разделить на химические и физические, они перечислены в табл. 2.1. Разделение на химические и физические методы весьма условно. Так, химические реакции играют большую роль, например, при испарении в среде реакционных газов. В то же время многие химические методы основаны на физических явлениях (низкотемпературная плазма, лазерное излучение и др.). Химические методы более универсальны и производительны, но управлять размерами, составом и формой частиц в этом случае сложнее. Таблица 2.1 Основные методы получения порошков Метод Вариант метода Соединение Физические Испарение и конденсация В вакууме или инертном газе Zn, Cu, Ni, Al, Be, Sn Cr, Al 2 O 3 , SiC, TiO 2 Высокоэнергетическое разрушение Измельчение Детонационная обработка Электрический взрыв Fe-Cr, Be, Al 2 O 3 , TiC, BN, SiC, алмаз Al, Cd, TiO 2 93 Химические Синтез Плазмохимический Лазерный Термический Самораспространяющийся высокотемпературный Растворный Электрохимический TiC, TiN, Ti(C,N), VN AlN, Si 3 N 4 , SiC Fe, Cu, Ni, Mo, W, BN Ti(C,N), TaC, AlN Mo 2 C, TiB 2 , SiC Wc, ZrO 2 , WB 4 • Высокоэнергетическое измельчение. Механохимический синтез. Измельчение — это типичный пример технологий типа «сверху— вниз». Измельчение в мельницах, дезинтеграторах, аттриторах и других диспергирующих установках происходит за счет раздавливания, раскалывания, разрезания, истирания, распиливания, удара или в результате комбинации этих действий. Измельчение часто проводится в условиях низких температур, повышающих хрупкость материалов. В шаровых мельницах соотношение массы шаров и измельчаемой смеси поддерживается в интервале от 5: 1 до 40: 1. Обеспечивая приемлемую производительность, измельчение однако не приводит к получению очень тонких порошков, поскольку существует некоторый предел, отвечающий достижению своеобразного равновесия между процессом разрушения частиц и их агломерацией. Даже при измельчении хрупких материалов размер получаемых частиц обычно не ниже 100 нм; размер зерна в частицах порошка не менее 10 – 20 нм. Следует считаться и с тем, что в процессе измельчения практически всегда происходит загрязнение продукта материалом шаров и футеровки, а также кислородом. • Плазмохимический синтез. Синтез в низкотемпературной плазме осуществляют при высоких температурах (до 8000 °С), что обеспечивает высокий уровень пересыщения, большие скорости реакций и конденсационных процессов. Используются как дуговые плазмотроны, так и высоко- и сверхвысокочастотные (СВЧ) генераторы плазмы. Дуговые 94 аппараты более производительны и доступны, однако СВЧ-установки обеспечивают получение более тонких и более чистых порошков. В качестве исходных продуктов для плазмохимического синтеза используются хлориды металлов, металлические порошки, кремнийорганические и металлоорганические соединения. Плазмохимическая технология обеспечивает масштабное получение ультрадисперсных порошков тугоплавких металлов (W, Мо), соединений (TiN, A1N, А1зОз, SiC, Ti(C,N) и др.), а также композиционных объектов типа Si 3 N 4 + SiC, ТiВ 2 + TiN и др. • Метод низкотемпературного водородного восстановления (гидрометаллургия) занимает особое место среди химических методов получения порошков. Рассмотрим его на примере получения порошка Ni, содержащего дисперсные частицы двуокиси тория ThO 2 : • при комнатной температуре готовят аммиачный водный раствор карбоната никеля, представляющий собой суспензию [Ni(OH) 2 ·5 H 2 O]CO 3 ; процесс подготовки исходного раствора называется выщелачиванием; • удаляют лишний аммиак, пропуская через раствор подогретый (130 °С) водяной пар; • вводят порошок двуокиси тория, немного порошка Ni и антрахинон для активации процесса; • происходит восстановление металлического никеля под давлением водорода 40 атм, температура 135-140 °С. Результатом реакции является порошок {2Ni}ThO 2 , вода и углекислый газ. Ультрадисперсный порошок (УДП) никеля, содержащий связанные с ним дисперсные частицы окисла, лишен примесей, в том числе газовых (H 2 ). При маркировке материала, полученного методом порошковой металлургии из такого порошка, к названию металла добавляется ТД (ториевый дисперсноупрочненный): ТД никель. 95 Распределение частиц порошка по размерам зависит от температуры и концентрации реагирующих веществ. Присутствие окисных частиц помогает восстановлению металла, на них начинается его осаждение из раствора. УДП железа (патент РФ № 2058223) получают восстановлением [FeCl 3 ·6 H 2 O]CO 3 . Размеры частиц порошка составляют от 8 нм до 20 нм. Для получения растворов можно использовать бедные руды и сырье, непригодное для традиционной металлургии (например, медьсодержащие глины); различные отходы металлов – производственные (например, отходы травильного производства) и бытовые. Существует принципиальная возможность совместного восстановления нескольких металлов, например, Ni, Cr, Mo, W, в результате порошок окажется сложнолегированным. По такому пути строятся японские технологии. Но однородность такого порошка по составу и размерам частиц обеспечить довольно сложно. И в отечественной практике предпочитают получать порошки металлов по отдельности, используя в дальнейшем механическое легирование. 2. Смешивание порошков проводят в шаровых мельницах всухую. Подвидом смешивания является механическое легирование – интенсивное смешивание нескольких порошков, в процессе которого происходит совместная деформация частиц разных металлов. В месте соприкосновения развивается деформационно-стимулированная диффузия и происходит выравнивание состава между частицами порошка. 3. Прессование. Задача этой технологической операции – из свободно насыпанных порошковполучить заготовки определенной формы и размера, пригодные для дальнейшей переработки. Уплотнение осуществляется внешним давлением. Контролирующим фактором являются поверхностные свойства частиц, их способность к наклепу в контактных участках, препятствием является трение между частицами порошка, особенно окислов или карбидов. Способность к уплотнению описывается в терминах «насыпная масса» и «масса утряски». Важной характеристикой порошка является 96 формуемость – способность к сохранению заданной формы после прессования. Для уменьшения упругого последействия после снятия нагрузки и повышения относительной плотности спрессованных изделий при прессовании применяют ультразвуковые колебания. Главной проблемой порошковых материалов является пористость. Несмотря на применение для прессования довольно высоких давлений (до 2 – 5 ГПа), даже в вакуумных условиях и при небольшой высоте образцов (1 мм) не удается устранить пористость; она составляет не менее 10 – 15 %. Самым простым способом получения компактных заготовок является прессование в глухую матрицу, для его осуществления подходит любой пресс. Однако для получения крупных деталей потребуется очень большое усилие. При обычном прессовании в металлических прессформах между внешним слоем порошка и стенками прессформы, а также между поверхностями пуансонов и порошка возникают силы трения, которые возрастают с увеличением давления прессования. Это приводит к неравномерному распределению напряжений. Поэтому чаще используют гидродинамическое прессование (рис. 2.2). Кроме того, давление жидкости обеспечивает всестороннее и более равномерное сжатие заготовки, чем это достигается при обычном прессовании. Порошок, насыпанный в эластичную оболочку, помещают в контейнер, где будет создано высокое давление жидкости (рис. 2.2). Плотность заготовок после гидродинамического прессования оказывается выше, чем при обычном прессовании (на 20 – 30 %). Существуют установки, позволяющие прессовать заготовки размером до 1200 мм под давлением 6000 атм. Наиболее перспективным направлением является использование горячего изостатического прессования (ГИП), когда давление создается газом при высокой температуре. Это позволяет совместить прессование и последующую термообработку. 97 Рис. 2.2. Схема установки для гидродинамического прессования: 1 – ударный механизм; 2 – боек; 3 – капсюль-жевало; 4 – пороховой заряд; 5 – поршень; 6 – рабочая жидкость; 7 – корпус установки; 8 – оболочка; 9 – порошок; 10 – манометр 4. Спекание. Следующей операцией при получении изделия методом порошковой металлургии является термическая обработка спрессованных образцов, чтобы обеспечить диффузионный перенос массы, увеличить прочность сцепления частиц, снять внутренние напряжения, убрать пористость. Диффузия по поверхности (внешней или по границе соприкосновения двух кристаллитов) происходит с гораздо более высокой скоростью, чем по телу зерна. В результате удается получить однородную заготовку без плавления исходных компонентов. Спекание происходит не только при нагреве заготовки в печи. Электроразрядное спеканиеосуществляется пропусканием тока через образец. Возможно спекание керамических порошков в условиях микроволнового нагрева, приводящего к равномерному распределению температуры по сечению образцов. 5. Деформация полученных заготовок имеет целью не только получение детали нужного размера и сечения, но и формирование в материале 98 определенной дислокационной структуры, также как и повышение плотности (устранение остаточной пористости). Следует заметить, что приведенное выше разделение технологических операций довольно условно: на практике многие операции для конкретного материала могут быть совмещены. Так, горячая обработка давлением порошковых объектов (например, ковка или экструзия) могут использоваться непосредственно для консолидации. Например, можно получать металлические листы с помощью горячей прокатки порошка в эластичной оболочке. Порошковая металлургия интенсивно развивается, начиная с 70-х годов ХХ в., когда таким способом начали получать жаропрочные материалы для космического применения. Например, панели теплозащиты, упрочненные стойкими к коагуляции частицами окислов. В настоящее время детали, полученные из порошков, широко применяются в самых разных областях техники, например при производстве автомобилей. 2.2. Композиционные материалы Композиционные материалыпредставляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции. Применительно к конструкционным материалам возможно сочетание высокой прочности, создаваемой волокнами упрочнителя, и пластичности, обеспечиваемой матрицей. По характеру структуры композиционные материалы подразделяются в зависимости от размерности материала-упрочнителя: волокнистые, упрочненные непрерывными волокнами или нитевидными кристаллами (одномерные), дисперсноупрочненные, полученные путем введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей (нуль-мерные), 99 слоистые, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов (двумерные). Комбинируя объемное содержание компонентов, можно в зависимости от назначения получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радио- поглощающими и другими специальными свойствами. В том числе возможны сочетания веществ, не встречающиеся в природе. Волокнистые композиционные материалы, армированные нитевидными кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов (SiC, AI 2 O 3 , бор, углерод и др.) появились в числе конструкционных материалов в ХХ в. Однако принципы армирования для упрочнения известны в технике с глубокой древности, когда использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, или железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. Примером композиционного материала является железобетон, представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение. Успешному развитию современных композиционных материалов содействовали: • разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой удельной прочностью (1940–50 гг.); • открытие высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов (1950–60 гг.); • разработка новых армирующих материалов – высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, Al 2 O 3 , SiC и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе металлов (1960–70 гг.). В технике широкое распространение получили волокнистые композиционные материалы, армированные высокопрочными и 100 высокомодульными непрерывными волокнами, в которых армирующие элементы несут основную нагрузку, тогда как матрица передаёт напряжения волокнам. Чаще всего под термином «композиционные материалы» подразумевают именно такие материалы. Весьма перспективны композиты, армированные нитевидными кристаллами (усами) керамических, полимерных и др. материалов. Размеры усов обычно составляют от долей до нескольких микрометров по диаметру и примерно 10–15 мм по длине. Таблица 2.2 Свойства нитевидных кристаллов и непрерывных волокон Волокно Температура плавления, °С Плотность, кг/м 3 σ В , ГН/м 2 Удельная прочность, МН ⋅м/кг Модуль упругости, ГН/м 2 Удельный модуль упругости, МН ⋅м/кг Непрерывные волокна Al 2 O 3 2050 3960 21 0,53 450 113 B 2170 2630 35 1,33 420 160 C 3650 1700 25 1,47 250—400 147—235 B 4 C 2450 2360 23 0,98 490 208 SiC 2650 3900 25 0,64 480 123 W 3400 19400 42 0,22 410 21 Mo 2620 10200 22 0,21 360 35 Be 1285 1850 15 0,81 240 130 Нитевидные кристаллы (усы) Al2O3 2050 3960 28* 7,1 500 126 AlN 2400 3300 15* 4,55 380 115 B4C 2450 2520 14* 5,55 480 190 SiC 2650 3210 27* 8,4 580 180 Si2N4 1900 3180 15* 4,72 495 155 C 3650 1700 21* 12,35 700 410 * максимальные значения 101 Углеродные волокна получают термической обработкой химических или природных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Волокна могут иметь разнообразную текстильную форму, возможна переработка исходного сырья в тканые и нетканые материалы с использованием обычного текстильного оборудования (непрерывные или штапельные нити, жгуты, ленты, войлок, ткани и др.). Затем проводится термообработка. Ее температура может составлять менее 900°С (в результате волокна будут содержать 85 – 90 % углерода), 900 – 1500 °С (95-99 %) или 1500 – 3000 °С (более 99 %). Углеродные волокна имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600 – 2000°С в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения их для тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. На основе углеродных волокон изготавливают армированные пластики, которые отличаются высокой устойчивостью к агрессивным химическим средам. На основе высокопрочных углеродных волокон с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты – важную группу композиционных материалов, используемых в авиастроении (обеспечивают снижение массы деталей фюзеляжа, крыла, оперения самолёта на 15 – 50 %). Из них изготавливают детали самолетов скоростной авиации и космических летательных аппаратов, спортинвентарь (например, лыжи), химическое оборудование; используют в судо- и автомобиле-строении. Важнейшими технологическими |