3.2.4 Тема 1.4. Поведение материалов в особых условиях
Жаростойкость и методы ее повышения.
Жаростойкость – способность металлов и сплавов сопротивляться окислению и газовой коррозии при высоких температурах.
Повышение жаростойкости сплавов достигается легированием элементами (хром, алюминий, кремний), образующими на поверхности непроницаемые для ионов основного металла и кислорода оксидные пленки.
Пластическая деформация ухудшает жаростойкость, т.к. приводит к появлению градиента напряжений в структуре металла.
Жаропрочность и методы ее повышения. Явление ползучести.
Жаропрочность – способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах. Жаропрочность важна при выборе материала, когда рабочие температуры изделий выше 0,3Тпл.
Если при постоянной температуре нагрузить металл постоянно действующим напряжением даже ниже предела текучести и оставить его в этих условиях длительное время, то металл со временем будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило название ползучести или крипа.
Показатели ползучести определяют на специальных установках, которые позволяют при заданных Т и Ϭ измерять деформацию ползучести δ (см. рис. 8).
Главными направлениями повышения жаропрочности являются:
1) увеличение прочности межатомных связей;
2) увеличение размеров зерен;
3) формирование гетерофазной структуры с мелкодисперсной упрочняющей фазой.
Рис. 8 Схема установки для испытания образцов на ползучесть:
1 – образец, 2 – печь для нагрева, 3 – индикатор
Термическая усталость.
Термическая усталость – это деформация и разрушение материала под действием повторяющихся нагревов и охлаждений. Разрушение происходит как при циклическом нагружении (под действием напряжений), так и при ползучести, происходящей вблизи максимальной температуры цикла.
Термическая усталость отличается от механической тем, что при термоциклировании напряжения в основном определяются упруго-пластическими свойствами материала.
Рост термической усталости (термостойкости) может также происходить за счет уменьшения концентраторов напряжений: металлургические – грубые включения различных фаз; технологические – надрезы, задиры; различные конструктивные.
Низкие температуры.
При низких температурах у металлов наблюдается потеря пластичности и вязкости и повышенная склонность к хрупкому разрушению. Основное требование к материалам, работающим в условиях низких температур – это отсутствие хладноломкости.
Необходимо учитывать, что при низких температурах межатомные расстояния уменьшаются, что увеличивает напряжения. Металлы с ОЦК решеткой, когда примеси внедрения в малых количествах могут вызвать переход в хрупкое состояние, а металлы с ГЦК решеткой – количество примесей даже около 1% мало влияет на пластичность. Этим объясняется, что при низких температурах могут работать металлы с ГЦК решеткой. Металлы с решеткой ГПУ находятся в промежуточном положении между металлами с ОЦК и ГЦК решетками по склонности к хрупкому разрушению.
Для надежной работы материала необходимо, чтобы температурный порог хладноломкости был ниже рабочей температуры.
Радиационное облучение.
Радиационное облучение материалов в условиях космоса связано с огромным радиационным полем вокруг Земли.
Радиационное воздействие сильнее сказывается на металлах с ГЦК решеткой, чем на металлы с ОЦК и ГПУ решетками.
Из всех частиц наибольшее влияние на свойства конструкционных материалов оказывают нейтроны, способные из-за отсутствия заряда проникать далеко вглубь кристаллической решетки металла и вызывать в ней следующие существенные изменения:
1) образование «пар Френкеля» вследствие упругого столкновения частиц с ядрами атомов металла;
2) нарушение электронной структуры в результате столкновения частиц с орбитальными электронами;
3) местное повышение температуры, связанное с упругими колебаниями решетки на пути прохождения частиц;
4) образование атомов новых элементов в процессе ядерного распада, а также при захвате ядром частиц;
5) радиационная эрозия в результате отрыва атомов с поверхности под влиянием ударов высокоскоростных пылевидных частиц окружающей среды.
Наиболее опасное явление, наблюдаемое при радиационном облучении – это охрупчивание материалов. Вследствие радиационного облучения у металлов и сплавов понижаются вязкость, пластичность, сопротивление отрыву, а прочность и электросопротивление повышаются, т.е. растет вероятность хрупких разрушений.
Глубокий вакуум.
Действие глубокого вакуума способствует испарению металла. Приемлемыми металлами для использования в вакууме являются кобальт, никель, ниобий, тантал, молибден, вольфрам. Если нарушается термодинамическое равновесие металла с газовой фазой, то и на границе возникают процессы либо конденсации из паровой фазы, либо сублимации.
Вакуум характеризуется низкой молекулярной плотностью. При 100-2000С значения плотности окружающей среды ниже упругости паров многих технических металлов, что приводит к их испарению.
Менее стойки к испарению в вакууме такие металлы, как кадмий, цинк и магний. Алюминий, бериллий, железо, никель, кобальт, титан и их сплавы могут работать длительное время и не испаряться.
Одним из путей борьбы с сублимацией является создание защитных покрытий, обладающих большей стабильностью в вакууме, чем основные металлы.
Керамические материалы, состоящие из оксидов и др. соединений алюминия, бериллия, хрома, магния, кремния, титана и цинка, пригодны для длительной работы в условиях вакуума. В качестве смазки в условиях глубокого вакуума используются металлические покрытия из серебра, золота, кобальта. [2]