книги / Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов
..pdfДанные производственных испытаний коррелируют с коэффициентом шлифования из табл. 6.3. В результате анализа зависимости удельного расхода от прочности камня (рис. 6.14) установлено, что наибольший расход алмазов наблюдался у состава с 6 % никеля при шлифовке самого прочного камня «Цветок Украины». Самым универсальным инструментом можно считать инструмент с содержанием Ni 12 %, этот инструмент одинаково экономично работал как
|
|
|
|
|
Таблица 6.3 |
|
Расход алмазов в АИ при производственных испытаниях |
||||||
|
|
|
|
|
||
Порода мрамора |
Площадь |
Норматив удельного |
Расход алмазов, кар |
|||
реза, м |
2 |
расхода алмазов, |
норма |
|
факт |
|
|
|
кар/м2 |
|
|||
Коелга |
19,06 |
|
0,15 |
|
|
|
Уфалей |
78,68 |
|
0,3 |
|
|
|
Буравщина |
0,5 |
|
0,5 |
72,18 |
|
31,55 |
Сюськюенсаари |
6,98 |
|
1,3 |
|
|
|
Габбро-диабаз |
3,68 |
|
1,4 |
|
|
|
Рис. 6.14. Зависимость расхода алмазов от предела прочности камня
251
по мягким, так и по твердым породам. Опытная партия инструмента прошла промышленные испытания. Удельный расход алмазов был меньше заданного ГОСТ 16115–85 в 2,3 раза (см. табл. 6.3). При сравнительных производственных испытаниях инструмента, обладающего твердостью связки 82 НRВ, ударной вязкостью инструмента 30 кДж/м2, установлены существенно лучшие показатели по сравнению с аналогами на других металлических связках (табл. 6.4). Производственные испытания алмазного инструмента при резке мраморов типа Коелгинского показали удельный расход алмазов 0,05 кар/м2, что в 3 раза меньше существующей нормы (норматив удельного расхода алмазов при резке этой же породы мрамора: природных – 0,07 кар/м2, синтетических – 0,15 кар/м2).
Таблица 6.4
Сравнительная характеристика удельного расхода алмазов в сегментах при резке мрамора месторождения Шабры
Параметр |
Разработанный в НЦ |
«Кемит-ЛТД», |
«СИАЛ», |
|
ПМ, г. Пермь |
г. Кемерово |
г. Новосибирск |
||
|
||||
Основа связки |
Железо |
Медь |
Медь |
|
Марка алмазов |
АС 160 |
АС 160 |
А 5 (природ.) |
|
Удельный расход |
0,05 |
0,06 |
0,11 |
|
алмазов, кар/м2 |
|
|
|
Кроме того, алмазный инструмент с разработанной связкой может быть применен для резки и шлифовки горных пород различной твердости (от мраморов до гранитов), поскольку режущие свойства оказались связаны с объемом фазовых превращений, зависящих от нагрузки.
6.2. Интерметаллические материалы
Интерметаллические соединения (интерметаллиды) – соединения металлов между собой, а также с германием и кремнием. Существует около 1500 соединений с 200 типами кристаллических решеток.
252
Применение интерметаллических сплавов:
•защитные покрытия,
•накопители водорода,
•сверхпроводники,
•магнитотвердые материалы,
•конструкционные сплавы,
•жаропрочные сплавы,
•сплавы с памятью формы. Классификация интерметаллидов:
1) дальтониды (соединения постоянного состава) – NiAl, LiAl,
AuZn;
2)бертоллиды (соединения переменного состава) – Ni3Al, FeAl,
TiAl;
3)соединения Курнакова (неупорядоченные твердые растворы
снеупорядоченным строением границ зерен) – Ti3Al, Zr3Al, Fe3Al, CuZn.
Характерная особенность интерметаллидов – высокая твердость и хрупкость при комнатной температуре (кроме соединений Курнакова).
Потеря пластичности интерметаллидов. Для пластического деформирования необходимо выполнение правила Мизеса: для деформации поликристаллов без нарушения сплошности должно действовать не менее 5 независимых систем скольжения, для которых критические сдвигающие напряжения меньше прочности адге-
зии. Например, пластическая деформация Ti3Al при комнатной температуре ограничена, так как дислокации способны скользить не более чем по 5 плоскостям, в процессе деформации происходит скопление дислокаций и зарождение микротрещин.
Для обеспечения пластичности необходимо разупорядочение
межзеренных границ. Например, Ni3Al – скольжение по 5 плоскостям, но границы упорядоченные, которые формируются в процессе кристаллизации одновременно с упорядочением.
253
|
Соединения Курнакова (кро- |
|
ме Ti3Al), которые кристаллизу- |
|
ются из жидкости как неупорядо- |
|
ченные твердые растворы с не- |
|
упорядоченным строением границ |
|
зерен, пластичны при комнатной |
|
температуре (рис. 6.15). |
|
Установлено, что увеличение |
|
пластичности наблюдается: |
|
• при уменьшении разницы |
|
валентностей компонентов, |
|
• при уменьшении размерно- |
Рис. 6.15. Влияние температуры на |
го несоответствия компонентов. |
предел текучести интреметаллидов |
Например, соединения нике- |
|
ля с германием и кремнием раз- |
рушаются хрупко по границам зерен, а соединения марганца с железом – пластично по телу зерна.
6.2.1. Сплавы с памятью формы
Металлы, обладающие эффектом памяти формы (ЭПФ), относятся к числу наиболее ярких представителей материалов со специальными свойствами. Повышенный интерес к этому металлургическому феномену обусловлен уникальным сочетанием высоких механических характеристик, сопротивления усталости, коррозионной стойкости и необычных свойств, таких как термомеханическая память, реактивное напряжение, основанных на термоупругом мартенситном превращении. Особенностью сплавов с ЭПФ является ярко выраженная зависимость большинства свойств от структуры. Значения физико-механических характеристик меняются в несколько раз при обратимом фазовом переходе аустенит – мартенсит для разных сплавов в интервале температур обычно от –150 до +150 °С.
ЭПФ наблюдается в системах CsCl, Fe3Al, Ti50Ni47,5Fe2,5, Сu3Al (табл. 6.5).
254
Таблица 6.5
Состав и свойства сплавов с эффктом памяти формы
Сплав |
Состав |
Мs, °С |
|
|
|
|
|
Ag–Cd |
44–49 % (ат.) Cd |
–190…–50 |
|
|
|
|
|
Au–Cd |
46,5–50 % (ат.) Cd |
30…100 |
Cu–Al–Ni 14–14,5 % (по мас- –140…100 се) Al, 3–4,5 % (по
массе) Ni
Cu–Au– |
23–28 % (ат.) Al, |
–190…40 |
Zn |
45–47 % (ат.) Zn |
|
|
|
|
Cu–Sn |
~15 % (ат.) Sn |
–120…30 |
|
|
|
Cu–Zn |
38,5–41,5 % (по мас- –180…–10 |
|
|
се) Zn |
|
Cu–Zn–Х Несколько процен- –180…100 (Х–Si, Sn, тов (по массе) Х
Al, Ga)
Температурный
гистерезис превращения, °С
≈15 ≈15 ≈35
≈6
–
≈10
≈10
Изменение |
Наличие |
|
||
или отсутствие |
Объемные |
|||
кристаллической |
||||
структуры |
упорядоченной |
изменения |
||
структуры |
|
|||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
В2→М2Н |
|
Упорядоченная |
–16 |
|
|
|
|
|
|
В2→М2Н |
|
– « – |
–0,41 |
|
|
|
|
|
|
DO2→L21 |
|
– « – |
–0,30 |
|
|
|
|
|
|
Сплав |
Гейсле- |
– « – |
–0,25 |
|
ра→М18R |
|
|
|
|
|
|
|
||
DO3→2H или 18R |
– « – |
– |
||
B2→9R или М9R |
– « – |
–0,6 |
||
|
|
|
||
B2→9R или М9R |
– « – |
|
||
DO3→18R или М18R |
|
|
||
|
|
|
|
255
256
Окончание табл. 6.5
Сплав |
Состав |
Мs, °С |
|
|
|
In–Ti |
18–23 % (ат.) Ti |
60…100 |
|
|
|
Ni–Al |
36–38 % (ат.) Al |
–180…100 |
|
|
|
Ti–Ni |
49–51 % (ат.) Ni |
–50…100 |
|
|
|
Fe–Pt |
~25 % (ат.) Pt |
–130 |
|
|
|
Fe–Pd |
~30 % (ат.) Pd |
–100 |
|
|
|
Mn–Cu |
5–35 % (ат.) Cu |
–250…180 |
|
|
|
Температурный
гистерезис превращения, °С
≈4
≈10 ≈30
≈4
–
≈25
Изменение |
Наличие |
|
|
или отсутствие |
Объемные |
||
кристаллической |
|||
структуры |
упорядоченной |
изменения |
|
структуры |
|
||
|
|
||
|
|
|
|
ГЦК→ГЦТ |
Неупорядочен- |
–0,2 |
|
|
ная |
|
|
|
|
|
|
В2→М3R |
Упорядоченная |
–0,42 |
|
|
|
|
|
В2→В19 |
– « – |
–0,34 |
|
|
|
|
|
L12→БЦТ* |
– « – |
0,8–0,5 |
|
ГЦК→ГЦТ→ОЦТ |
Неупорядочен- |
– |
|
|
ная |
|
|
ГЦК→ГЦТ |
– « – |
– |
|
|
|
|
* БЦТ – здесь и далее базоцентрированная тетрагональная решетка.
Из большого числа сплавов с ЭПФ наиболее перспективными для практического применения являются сплавы Тi-Ni эквиатомного состава (примерно 50 : 50 % (ат.)), обычно называемые никелидом титана или нитинолом. Реже используют более дешевые сплавы на основе меди Сu-А1-Ni и Сu-А1-Sn.
Механизм эффекта памяти формы. В основе лежит фазовое превращение. Происходит по мартенситному (бездиффузионному) превращению. В сталях превращение перлита в мартенсит невозможно, так как при всех температурах мартенсит обладает большей свободной энергией, чем перлит. Обратное превращение наблюдается в безуглеродистых высоколегированных сплавах.
Эффект памяти формы состоит в том, что образец, имеющий определенную форму в аустенитном состоянии при повышенной температуре, деформируют при более низкой температуре мартенситного превращения. После перегрева, сопровождающегося протеканием обратного превращения, исходная характерная форма восстанавливается (рис. 6.16).
ЭПФ проявляется в сплавах, характеризующихся термоупругим мартенситным превращением, когерентностью
решеток исходной аустенитной и мар- |
Рис. 6.16. Эффект памяти |
тенситной фаз, сравнительно небольшой |
|
величиной гистерезиса превращения. |
формы |
|
Условия для ЭПФ. Восстановление формы, обусловленное эффектом памяти формы, завершается при нагреве выше температуры Ан. Его движущей силой является разность свободных энергий исходной и мартенситной фаз при обратном превращении.
Для полного восстановления формы необходимо:
1) чтобы мартенситное являлось кристаллографически обратимым (это возможно в сплавах с упорядоченной решеткой, обычно ОЦК);
257
2) чтобы процесс деформации осуществлялся без участия скольжения (скольжение – необратимый процесс), ЭПФ возможен, если деформация осуществляется не скольжением, а двойникованием.
В этих условиях при деформации образуются когерентные с исходной структурой двойниковые мартенситные кристаллы, а при отогреве и обратном превращении эти мартенситные кристаллы исчезают и плавно переходят в решетку исходной фазы. Обратимое движение когерентных межфазных границ при обратном превращении приводит к восстановлению первоначальной формы (рис. 6.17). Для полного восстановления формы необходимо, чтобы мартенситное превращение являлось кристаллографически обратимым. Кристаллографическая обратимость превращения предполагает не только восстановление кристаллической структуры, зависящей от обратного превращения, но и восстановление кристаллографической ориентировки исходной фазы перед превращением. Кроме того, необходимо, чтобы деформация осуществлялась без участия скольжения, так как скольжение является необратимым процессом и при нагреве деформация не устраняется.
а
б
Рис. 6.17. Рост (а) и уменьшение (б) кристаллов термоупругого мартенсита в сплавах Cu-Al-Ni при охлаждении и нагреве
258
Учитывая, что ЭПФ определяется термоупругими мартенситными превращениями, с научной и практической позиций весьма важно определение температурных интервалов мартенситных превращений при нагреве–охлаждении без нагрузки и при охлаждении– нагреве под механическим напряжением с максимальным приближением условий испытаний к условиям эксплуатации.
Схема влияния температуры на фазовый состав сплавов с обратимыми мартенситными превращениями приведена на рис. 6.18.
а |
б |
Рис. 6.18. Зависимость фазового состава сплава от температуры: а – широкий гистерезис; б – узкий гистерезис
При охлаждении материала из аустенитного состояния мартенсит начинает образовываться с некоторой температуры Мн. При дальнейшем охлаждении количество мартенситной фазы увеличивается, и полное превращение аустенита в мартенсит заканчивается при некоторой температуре Мк. Ниже этой температуры термодинамически устойчивой остается только мартенситная фаза.
При нагреве превращение мартенсита в аустенит начинается с некоторой температуры Ан и полностью заканчивается при температуре Ак. При полном термоциклировании получается гистерезисная петля. Ширина гистерезисной петли по температурной шкале Ак – Мн
259
или Ан – Мк может быть различной для разных материалов: широкой или узкой (см. рис. 6.18, а и б).
Кроме этих температур обычно рассматривают еще три характеристических температуры: Т0, Мд, Ад, где Т0 – температура термодинамического равновесия; Мд – температура, ниже которой мартенсит может возникнуть не только вследствие понижения температуры, но и под действием механического напряжения; Ад – температура, выше которой аустенит может появиться не только под действием температуры, но и под действием механических напряжений. Расположение этих температур относительно петли гистерезиса оказывает влияние на поведение материала при термосиловом воздействии. В случае узкого гистерезиса (см. рис. 6.18, б) температура Мд может оказаться правее температуры конца аустенитного превращения Ак, а при широком гистерезисе – левее этой температуры
(см. рис. 6.18, а).
Тогда для материала с узким гистерезисом наведенный механомартенсит, т.е. мартенсит, образованный под действием внешней нагрузки при температуре ниже Мд (но выше Ан), будет термодинамически неустойчивым и при разгрузке он должен исчезнуть.
В случае широкого гистерезиса наведенный механомартенсит будет термодинамически устойчивым и сохранится при разгрузке. Деформации в этом случае исчезнут только после нагрева, т.е. после завершения реакции мартенсит–аустенит.
Особенностью обратимых мартенситных превращений является то, что при нагреве и охлаждении сплавов за 100–200 °С до достижения точек Ак и Мн начинают интенсивно уменьшаться модуль сдвига G и модуль упругости Е, и в критических точках они становятся минимальными. Образно говоря, кристаллическая решетка как бы «смягчается» в преддверии обратимых мартенситных превращений.
Характеристические температуры превращений ряда двойных сплавов Тi-Ni с ЭПФ разного состава, полученные из разных источников, приведены в табл. 6.6. Из табл. 6.6 следует, что даже малые отклонения состава сплавов Тi-Ni от стехиометрического приводят
260