Механические свойства выше у сплава с какой структурой

Большее применение в производстве радиоэлектронных средств получили различные сплавы — материалы, образованные путем соединения в жидком, расплавленном состоянии двух или более различных элементов между собой. Строение сплавов более сложное, чем чистых элементов, и зависит от того, в какие взаимодействия вступают составляющие компоненты. Сплавы могут представлять собой механическую смесь, химические соединения и твердые растворы.

3.1. Механическая смесь

Механическая смесь образуется тогда, когда компоненты А и В не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Сплав будет состоять из отдельных зерен кристаллов компонентов А и В, отчетливо выявленных на микроструктуре (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Микроструктура механической смеси (схема)

Механические свойства сплава зависят от размеров и форм зерен, количественного соотношения компонентов и занимают промежуточное положение между соответствующими параметрами чистых компонентов.

3.2. Твердые растворы

Твердые растворы — это сплавы, в которых один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента (растворимого) располагаются в решетке первого, изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или более компонентов, имеет один тип кристаллической решетки и представляет собой одну фазу. Фазой называют однородные гомогенные составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделены от составных частей поверхностями раздела, при переходе через которые химический состав или структура вещества изменяются скачками.

Химический или спектральный анализ может показывать в твердом растворе наличие двух или более компонентов, тогда как по данным металлографического анализа такой сплав, как и чистый металл, имеет однородные зерна (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Микроструктура твердого раствора (схема)

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения (рис. 3.3, а, б). В твердых растворах замещения атомы растворенного компонента В частично замещают атомы в решетке основного элемента А (рис. 3.3, а).

а) б)

Рис. 3.3. Схема твердого раствора замещения (а) и твердого раствора внедрения (б)

При образовании твердых растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности диаметров атомов растворителя А и растворенного элемента В. Если атом В больше атома А, то элементарная ячейка увеличивается, если меньше, то сокращается. Независимо от видов элементов, входящих в твердый раствор, изменение параметров решетки обусловливает изменение различных свойств сплавов, например, прочности; при этом уменьшение размера решетки приводит к большему упрочнению, чем при расширении.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные. При ограниченной растворимости только до определенного количества атомы элемента В могут замещать атомы растворителя А в кристаллической решетке. Например, в сплаве Al-Cu может растворяться до 5,7 % Cu в алюминии, в сплаве Cu-Zn до 39 % Zn в меди без изменения их кристаллической решетки. При неограниченной растворимости любое количество атомов А может быть заменено атомами В, т.е. образуется непрерывный ряд твердых растворов. Неограниченные твердые растворы могут образоваться при соблюдении следующих условий:

наличие в обоих компонентах одинаковых по типу (изоморфных) кристаллических решеток;

небольшое различие в атомных размерах компонентов (DR не должна превышать 8-15 %);

компоненты сплава должны близко располагаться в периодической таблице Д.И. Менделеева, т. е. близкими по строению валентной оболочке атомов, по физической природе.

Например, неограниченный ряд твердых растворов образуется в сплавах, компоненты которых имеют ГЦК-решетку: Au-Ag (DR = 0,2 %), Ni-Cu (DR = 2,7 %) и др.; в сплавах с ОЦК-решеткой: Мо-W (DR = 9,9%), V-Ti(DR = 2 %). Если элементы не отвечают перечисленным выше условиям, то они ограниченно растворяются друг в друге. Ограниченная растворимость почти всегда уменьшается с понижением температуры.

В твердых растворах внедрения атомы растворенного компонента С (рис. 3.3, б), располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя А. В данном случае размеры атомов компонентов, входящих в сплав могут и должны отличаться по величине, а кристаллическая решетка компонента растворителя должна давать возможность размещения дополнительных атомов. Твердые растворы этого типа возникают в тех случаях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик, а внутри решетки растворителя А должно иметься достаточное количество пространства для атома С. Твердые растворы внедрения возникают при растворении в металлах (Fe, Cr, Mo) элементов с малым радиусом: углерода (атомный радиус 0,077 нм), азота (0,071 нм), водорода (0,046 нм), например, при образовании сталей.

Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентрации, так как число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки. Как указывалось выше, при образовании твердых растворов замещения период решетки может увеличиваться или уменьшатся в зависимости от соотношения размеров атомов растворителя или растворенного компонента, в случае твердых растворов внедрения период решетки растворителя всегда возрастает. Атомы растворенного компонента нередко скапливается у дислокаций, снижая их упругую энергию. В области дислокаций атомы внедрения легче размещаются, чем в совершенной кристаллической решетке, где они могут вызывать значительные искажения. При этом они сильнее связываются с дислокациями, чем атомы замещения, образуя так называемые атмосферы Коттрелла. Образование атмосфер увеличивает устойчивость структуры сплава, так как искажение решетки снижается.

Ряд сплавов при достаточно высоких температурах образует твердые растворы замещения (Fe-Si, Cu-Au, Fe-Al) c неупорядоченным расположением элементов. Однако при медленном охлаждении происходит перераспределение в расположении компонентов, и они занимают определенные места в узлах решетки, т.е. происходит упорядочение структуры. Такие сплавы называют упорядоченными твердыми растворами или сплавами со сверхструктурой. Упорядочение структуры сопровождается изменением физических (электрические, магнитные) и механических свойств, при этом прочность возрастает, а пластичность падает. Упорядоченные твердые растворы являются промежуточными фазами между твердыми растворами и химическими соединениями, однако, в отличие от химических соединений, в них сохраняется кристаллическая решетка растворителя. В сплавах, содержащих более двух элементов, возможны твердые растворы сложного состава — замещения и внедрения. Например, в сплавах железа с углеродом и марганцем получается твердый раствор, в котором углерод растворяется путем внедрения, а марганец — замещения.

3.3. Химические соединения

Химические соединения — структура сплава, образованная компонентами его, взаимодействующими между собой в соответствии со стехиометрическими законами. Химические соединения обладают рядом особенностей:

образуется специфическая кристаллическая решетка с упорядоченным расположением атомов, отличная от решетки компонентов, входящих в химическое соединение;

соотношение чисел атомов соответствует кратному соотношению компонентов, входящих в химическое соединение, что может быть выражено простой формулой АnВm;

определенная температура плавления (диссоциации) и скачкообразное изменение свойств при изменении состава (так называемой сингулярностью свойств).

Химические соединения обычно образуются из компонентов сплава, имеющих большое различие в размерах атомов, в электронном строении их и кристаллических решеток. Структура химических соединений зависит от следующих факторов: относительного размера атомов, их валентности и от положения в периодической системе элементов, что и определяет строение электронной оболочки.

Химические соединения могут быть образованы только металлическими элементами; в этом случае связь металлическая. Она не является жесткой и поэтому при определенных условиях количество элементов, входящих в соединение может быть различными и может отличаться от стехиометрического состава. Соединение одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов или интерметаллических соединений.

При образовании химических соединений металла с неметаллом возникает ионная связь. В этом случае атом металла отдает валентные электроны и становится положительным ионом, а атом металлоида принимает электроны и становится отрицательным ионом. В соединениях такого типа связь жесткая, химический состав постоянный и соответствует стехиометрическому соотношению. Такие химические соединения подчиняются закону валентности. В настоящее время известно большое число различных химических соединений при образовании сплавов, которые отличаются спецификой формирования структур и особыми свойствами. Рассмотрим наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах.

Электронные соединения. Электронные соединения характеризуются тем, что в них существует определенное отношение валентных электронов к числу атомов элементов, входящих в сплав (3/2; 21/13; 7/4). Этот вид соединений образуется между одновалентными металлами (Сu, Ag, Au, Li, Na) или металлами переходных групп (Fe, Mo, Ni и др.) с одной стороны и элементами валентностью от 2 до 5 (Be, Zn, Cd, Al, Sn, Si, Mg) — c другой. Каждому отношению валентных электронов к числу атомов соответствует определенная кристаллическая решетка. Так при соотношении 3/2 образуется ОЦК решетка (так называемая b — фаза), при соотношении 21/13 — сложная кубическая решетка с 52 атомами на ячейку (так называемая g — фаза) и при соотношении 7/4 соединение имеет плотноупакованную гексагональную решетку (e — фаза). В таблице приведены наиболее важные технические сплавы с электронными соединениями.

У электронных соединений, как указывалось выше, существует определенное соотношение атомов, и они имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки компонентов входящих в сплав — это признаки, характерные для химических соединений. При высоких температурах часто нарушается упорядочение в расположении атомов, они располагаются статистически, при понижении температуры до определенного значения происходит упорядочение. Поэтому многие авторы считают, что электронные соединения являются промежуточными между химическим и твердым раствором.

Источник

1. Понятие конструкционная прочность материалов и критерии её оценки

Факторы, которые определяют работу конструкционных материалов:

статические, циклические и ударные нагрузки;
низкие и высокие температуры;
контакт с различными средами.

Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых – эксплуатационные, технологические, экономические.

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, конструкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающих надёжную и длительную работу материала в условиях эксплуатации.

Надо помнить, что требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры.

Рабочая среда – жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, как правило, оказывает отрицательное влияние на механические свойства материала (коррозионное растрескивание, окисление, изменение химического состава и как результат охрупчивание и т.д.)

Температурный диапазон от -269 до 2000оС. От материала требуется – жаропрочность, а при низких температурах – хладостойкость.

Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоёмкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характеризует возможные методы его обработки. Она оценивается: обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. От неё зависят производительность и качество изготовления детали.

Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Использование материалов, содержащих легирующие элементы (особенно дефицитные), должно быть обоснованно повышением эксплуатационных свойств детали. Эти требования приобретают особое значение при массовом масштабе производства.

Конструкционная прочность – комплексная характеристика, включающая сочетание критериев:

прочности;
надёжности;
долговечности.

Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы.

При статических нагрузках, при испытании на растяжения, предел прочности (σв) или предел текучести (σ0,2, σт) – характеризуют сопротивление материала пластической деформации (рис.1). Для приближенной оценки статической прочности используют твёрдость НВ или НR (рис.2, 3) (для стали справедливо эмпирическое соотношение σв = НВ/3).

Рис.1 Испытание на растяжение

Рис.2 Измерение твёрдости по Бринеллю

При циклических нагрузках: предел выносливости σR(при симметричном круговом изгибе σ-1).

Надо помнить – чем больше прочность материала, тем большие допустимые рабочие напряжения и тем самым меньшие размеры и масса детали.

Однако – повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих напряжений сопровождается увеличением упругих деформаций:

εупр = σупр/Е,

где Е – модуль нормальной упругости (модуль Юнга), характеристика жёсткости металла. Именно критерии жёсткости, а не прочности обуславливают размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Возможно и противоположное требование. Для пружин, мембран и других чувствительных упругих элементов приборов, важно обеспечить большие упругие перемещения. Тогда от материала требуется высокий предел упругости σупри низкий модуль упругости Е.

Рис.3 Измерение твёрдости по Роквеллу

Дополнение: для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важное значение имеет эффективность материала по массе. Она оценивается удельными характеристиками:

удельной прочностью σв/ρg (ρ – плотность, g – ускоренное свободное падение);
удельной жёсткостью Е/ ρg.

Примечание: для оценки конструкционной прочности необходимы характеристики прочности при рабочих температурах и в эксплуатационных средах.

Вывод – в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно отражают прочность в конкретных условиях эксплуатации.

Надёжность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению (внезапному отказу).

Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать:

достаточной пластичностью δ, % и ψ, %;
ударной вязкостью КСU (МДж/м2) рис.4, рис.5

Рис. 4 Маятниковый копёр для определения ударной вязкости

Рис.5 Испытания на ударную вязкость

Однако эти параметры определены на лабораторных образцах, без учёта реальных условий эксплуатации конкретной детали. Необходимо учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения:

концентраторы напряжений (надрезы);
понижение температуры;
динамические нагрузки;
увеличение размеров деталей (масштабный фактор).

Для того чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации, необходимо учитывать трещиностойкость.

Трещиностойкость – группа параметров надёжности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.

Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (локальные) напряжения в вершине которых могут во много раз превышать средние расчётные напряжения.

Для трещины длиной l и радиусом r напряжения в вершине:

σуmах = σср 2√ l/ r

Концентрация напряжений тем больше, чем длиннее трещина и острее её вершина. Для пластичных материалов опасность таких дефектов не велика. Хрупкие материалы, наоборот, чрезвычайно чувствительны к надрезам.

Оценку надёжности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта (трещины) проводят по критерию Ж.Ирвина (К).

К = σср √ α π lкр , (МПа х мм1/2 )

где π – безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.

К – критерий вязкости разрушения, зависит от степени пластической деформации у вершины трещины (её затуплении) и характеризует развитие вязкой трещины. Чем он больше, тем выше надёжность материала.

Для оценки надёжности материала используют также параметры:

ударную вязкость КСU, КСV, КСТ (МДж/м2);
температурный порог хладноломкости Т50 .

Параметром КСV оценивают пригодность материала для сосудов давлении, трубопроводов и других конструкций повышенной надёжности.

Параметр КСТ, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания надреза, более показателен. Он учитывается при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения (летательных аппаратов, роторов турбин).

Порог хладноломкости Т50характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре (рис.6). Т50 – обозначает температуру при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой составляющей, и величина КСТ снижается на половину.

Рис.6 Температура Тхл. (Т50) порог хладноломкости

Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса).

Постепенный отказ – потеря материалом работоспособности, при наступлении которой детали заменяют без угрозы аварийных последствий.

Причины потери работоспособности, т.е. постепенного отказа:

развитие процессов усталости;
изнашивание;
ползучести;
коррозии;
радиационного разбухания и пр.

Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения.

Для большинства деталей машин (более 80%) долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).

Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжения. Цикл напряжения – совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями σmaх и σmin в течение периода Т.

Синусоидальный цикл изменения напряжения характеризуется коэффициентом асимметрии цикла R = σmin / σmaх; амплитудой напряжения σa = (σmaхσmin) /2; средним напряжением цикла σm = (σmaх + σmin) /2.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойства противостоять усталости – выносливостью (рис.7).

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей:

Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке;
Разрушение начинается на поверхности локально;
Разрушение протекает в несколько стадий и имеет характерное строение излома:
- очаг зарождения трещины;
- зону усталости. В это зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости.
- зону долома.

О способности материала работать в условиях циклического нагружения судят по результатам испытаний образцов на усталость. Результаты испытаний изображают в виде кривой усталости: σmaх от числа циклов нагружения N. Горизонтальный участок определяет напряжение, которое не вызывает усталостного разрушения после неограниченного большого числа циклов. Это напряжение представляет собой физический предел выносливости σR (R – коэффициент асимметрии цикла), при симметричном цикле σ-1.

Ри.7 Испытание на выносливость

Кривые усталости позволяют определить следующие критерии выносливости:

циклическую прочность – наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определённое время работы. Ограниченный предел выносливости;
циклическую долговечность – число циклов (часов), которое выдерживает материал до образования усталостной трещины или до усталостного разрушения при заданном напряжении.

Циклическая прочность и долговечность зависят от большого числа факторов, из которых решающее значение имеют структура и напряжённое состояние поверхностного слоя, качество поверхности и воздействие коррозионной среды. (Отверстия, канавки, проточки, риски, поры, раковины, неметаллические включения и др.).

Дополнительные критерии выносливости:

живучесть – определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ). При высокой живучести можно своевременно путём дефектоскопии обнаружить трещину, заменить деталь и обеспечить безаварийную работу.
износостойкость – свойство материала оказывать в определённых условиях трения сопротивление изнашиванию. Износ – процесс постепенного разрушения поверхностных слоёв материала путём отделения его частиц под влиянием сил трения. Его определяют по изменению размеров, объёма или массы. Существует три периода износа:
- начальный, период приработки;
- период установившегося (нормального) износа;
- период катастрофического износа. Материал, устойчивый к изнашиванию в одних условиях, может катастрофически быстро разрушаться в других.

Эта задача решается рациональным выбором материала трущихся пар и способа его обработки.

ползучесть – определяется скоростью развития пластической деформации материала при постоянном напряжении и при высоких температурах.

Таким образом, работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности:

критерии прочности σв, σ0,2, σ-1, которые при заданном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры деталей;
модуль упругости Е, который при заданной геометрии детали определяет величину упругих деформаций, т.е. её жёсткость;
пластичность δ, ψ, ударная вязкость КСТ, КСV, КСU, вязкость разрушения К, температурный порог хладноломкости Т50, которые оценивают надёжность материала при эксплуатации;
циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала.

2. Методы повышения конструкционной прочности

Технологические.
Металлургические.
Конструкторские.

Технологические. Цель – повышение прочности материала. Методами: легирования, пластической деформации, термической, термомеханической и химико-термической обработки. Повышение прочности указанными методами основано на ряде структурных факторов:

увеличение плотности дислокаций. Чем больше плотность дислокаций, тем выше сопротивление пластическому деформированию;
создание дислокационных барьеров в виде границ зёрен, субзёрен, дисперсных частиц вторичных фаз. Важная особенность этого фактора упрочнения состоит в том, что измельчение зёрен (увеличение протяжённости их границ) сопровождается повышением ударной вязкости. Сильное торможение дислокаций создают дисперсные частицы вторичной фазы.
образование полей упругих напряжений искажающих кристаллическую решётку. Такие поля образуются вблизи точечных дефектов – вакансий, примесных атомов и, главным образом, атомов легирующих элементов. Образования атмосфер Коттрелла атомами внедрения.

Вместе с тем повышение прочности, основанное на уменьшении подвижности дислокаций, сопровождается уменьшением пластичности, вязкости и тем самым надёжности.

Проблема повышения конструкционной прочности состоит не столько в повышении прочностных свойств, сколько в том, как при высокой прочности обеспечить высокое сопротивление вязкому разрушению, т. е. надёжность материала.

Например, в углеродистых сталях закалкой на мартенсит и низким отпуском можно получить при содержании 0,4%С ϬB ~ 2400МПа, при 0,6%С ϬB ~ 2800МПа. Однако при такой прочности стали хрупки (КСТ ~ 0), эксплуатационно не надёжны.

Рациональное легирование предусматривает введение в сталь и сплавы нескольких элементов при невысокой концентрации каждого с тем, чтобы повысить пластичность и вязкость. Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой, особенно при использовании высокоскоростных способов нагрева – индукционного и лазерного.

Для повышения циклической прочности и износостойкости важно затруднить деформацию поверхности деталей. Это достигается технологическими методами поверхностного упрочнения: поверхностной закалкой, ХТО, поверхностным пластическим деформированием (обдувкой дробью, обкаткой роликами).

Металлургические. Цель – повышение чистоты металла и сплава, т.е. удаление вредных примесей: серы, фосфора, газообразных элементов (кислорода, водорода, азота и зависящих от содержания неметаллических включений).

Методы переплава: вакуумно-дуговой (ВДП), электронно-лучевой (ЭЛП), электрошлаковый (ЭШП), а также вакуумно-индукционную плавку (ВИ), рафинирование синтетическим шлаком.

Конструкторские методы предусматривают обеспечение равнопрочности высоконапряжённых деталей. При их проектировании избегают – резких перепадов жёсткости, глубоких канавок, галтелей малого радиуса и других конструктивных надрезов. Если этого избежать нельзя, то для смягчения концентрации напряжений применяют местное упрочнение для формирования остаточных напряжений сжатия.

Источник