2.8. Обеспечение служебных характеристик и повышение технико-экономической эффективности применения металлических материалов

Для повышения технико-экономической эффективности применения материалов в машиностроении необходимо обеспечить определенный уровень таких свойств, как прочность статическая и циклическая, износостойкость, контактная выносливость, жаропрочность, термостойкость, поверхностная стойкость (коррозионная стойкость и жаростойкость).

2.8.1. Статическая прочность сплавов

Прочность – важнейшее свойство конструкционных материалов. Повышение прочности приводит к снижению металлоемкости конструкций и повышению их надежности и долговечности.

Для обеспечения прочности используют различные механизмы упрочнения материалов, основанные либо на торможении движения дислокаций, либо на введении в материал высокотвердых, высокомодульных составляющих. Для обеспечения этих механизмов упрочнения используют различные способы воздействия на материал.

1. Легирование. Если материал (сплав) состоит только из твердого раствора, то получаемое упрочнение (предел текучести) пропорционально разнице радиусов основного металла и легирующего элемента:

∆ _т ^тв.р ~ [(а_м –а _л.э) /а_м].

2. Легирование. Если легирование обеспечивает возможность проведения упрочняющей обработки (закалки и старения, закалки и отпуска), то получаемый прирост упрочнения зависит от количества упрочняющей фазы f, размеров ее частиц dи расстояния между частицами λ:

∆σ_т^уп ≈f /,λ ·

3. Пластическая деформация. Получаемое упрочнение пропорционально плотности дислокаций в металле:

∆σ_т^д ~ ρ.

Упрочнение сохраняется только при температурах ниже температуры рекристаллизации.

4. Создание мелкозернистой структуры. Для этого используют следующие способы: а) повышение скорости кристаллизации; б) модифицирование расплава; в) проведение деформации с последующей рекристаллизацией; г) для сталей – проведение перекристаллизационного отжига. Получаемый прирост упрочнения обратно пропорционален размеру зерна:

∆σ_т^з ~ d ^–1/2.

Таким образом, предел текучести поликристаллического сплава может быть повышен несколькими способами, и в общем случае может быть получено суммарное упрочнение:

σ_т = σ_о + σ_т^тв + ∆σ_т^уп + σ_т^д + ∆σ_т^з.

где σ_о – предел текучести основного металла.

Выше приведенные механизмы упрочнения являются универсальными и действуют в большинстве сплавов.

Обеспечение статической прочности сплавов композиционных и гетерофазных материалов

Одними из наиболее высокопрочных материалов являются композиционные материалы, в которых использовано волокнистое армирование, т.е. упрочнение волокнами, расположенными параллельно действию основной нагрузки на материал (деталь). Армирующей составляющей в этих материалах являются вещества с высоким модулем упругости и высокой твердостью – тонкие волокна карбидов, углерода, бора, стеклянные нити, стальная проволока. Волокна различаются по размерам, расположению в матрице по отношению к приложенной нагрузке, непрерывностью или дискретностью.

Уровень прочности композитов зависит от следующих факторов: свойств волокон; объемного их содержания; диаметра волокон; схемы распределения в матрице; прочности связи с матрицей.

Гетерофазное упрочнение является одним из примеров высокомодульного упрочнения. Оно имеет место в сплавах, в которых промежуточная фаза имеет значительно более высокий модуль упругости, чем матрица. Содержание этой фазы не менее 1 %, ее частицы являются массивными (т.е. частицы имеют микронные размеры), они расположены комплексами или колониями, например эвтектики и эвтектоиды.

Способ обеспечения гетерофазного упрочнения – специальное легирование сплавов, направленное на то, чтобы при кристаллизации образовывались тугоплавкие фазы микронных размеров: при выделении из жидкости по эвтектической реакции, а в твердом состоянии – по эвтектоидной реакции.

Для материалов, используемых в движущихся конструкциях (авиационная, автомобильная техника), где важна «весовая отдача» материала, кроме основных характеристик прочности, важное значение имеют удельные характеристики прочности: σ_в/ρ, _-1/ρ , где ρ – плотность материала.