Калин Физическое материаловедение Том 5 2008

Таблица 16.2

Предельно допустимая концентрация водорода в металлах для предотвращения водородного охрупчивания

При оценке степени взаимодействия материала с изотопами водорода необходимо контролировать:

1)влияние изотопов водорода на изменение температуры хруп- ко-вязкого перехода ( Тхр 0);

2)степень проницаемости изотопов водорода (J 10–15–10–13

м2·с–1·Па1/2);

3)поглощение изотопов водорода материалом (минимальное);

4)удельную скорость газовыделения (J 10–8–10–6 м·Па·с–1). Комплекс физико-химических свойств, определяющий совмес-

тимость конструкционных материалов с окружающими материалами, включает энергию межатомной связи, электродный потенциал металла (относительно водородного электрода), сродство металла к кислороду и другим активным элементам среды, выраженное через изменение свободней энергии, например Гиббса, при образовании соединений. Стандартный электродный потенциал элементов таблицы Менделеева изменяется в широких пределах от лития

( EH0 = –3,045 В) до золота (EH0 = +1,68 В). Чем отрицательнее EH0 ,

тем он активнее взаимодействует с кислородом, отдавая е–, т.е. является химически активным элементом, склонным к взаимодействию.

Склонность элемента к пассивации, т.е. способность элемента создавать прочный оксид, можно оценить по величине свободной энергии Гиббса. Чем больше (по абсолютному значению) отрицательная величина энергии Гиббса, приходящаяся на один атом в

61

вследствие изменения ее механизма. Например, такое возможно при изменении окислительного механизма на гидридообразующий при взаимодействии, например, циркония с водой (Т > 360 °С), коррози- онно-стойкой стали с натрием при повышенном содержании в теплоносителе и (стали) кислорода (при Тр > 650 °С).

Для термоядерных установок и реакторов с магнитным удержанием плазмы для получения качественного вакуума важными яв-

ляются газосодержание и сорбирующая способность материала.

Мерами их оценки служат: скорость газовыделения, газопроницаемость (см. выше) и скорость десорбции, которая не должна превышать 10–2 частиц на бомбардирующую частицу в секунду.

Технико-экономические характеристики. К числу технико-

экономических характеристик относятся доступность, стоимость и технологичность материалов.

Под доступностью понимается обобщенный показатель, характеризующий распространенность основных химических элементов материала в природе и объем его производства. Химические элементы по степени распространенности в земной коре можно разделить на ряд классов, представленных в табл. 16.3, причем объем их производства существенно определяет цену элементов. С этой позиции показатели доступности и стоимости связаны между собой через цену химических элементов, входящих в состав материала, и их распространенность. Стоимость материала определяется затратами ресурсов (времени, энергии) на его получение, включая способы производства и технологию обработки для придания материалу товарного вида.

Под технологичностью материалов следует понимать их способность поддаваться различным методам горячей и холодной обработки: легко плавиться и заполнять форму, обрабатываться давлением (коваться) и резанием (обрабатывающим инструментом), паяться, свариваться и т.д. Литейные свойства материалов характеризуются жидкотекучестью (способностью заполнять заданные литейные формы), склонностью к усадке (к сокращению объема при затвердевании и последующем охлаждении) и ликвации (образованию неоднородностей химического состава твердого сплава в различных частях заготовки).

63

оценки которой являются трудоемкость и себестоимость изготовления, оптимальность сборки, упрощение изготовления заготовок и т.д.

Общую технологичность конструкции изделия можно оценить следующими показателями: 1) трудоемкость конструкции (в часах); 2) коэффициент использования металла (материала); 3) степень использования стандартных и нормализованных деталей и сборочных единиц; 4) доля деталей оригинальной и сложной конструкции; 5) доля использования деталей в ранее существующих конструкциях; 6) коэффициент повторяемости одноименных деталей; 7) себестоимость деталей, сборки изделия; 8) ремонтопригодность изделия.

Технико-экономические свойства материалов ЯЭУ должны отвечать следующим требованиям: 1) широкая распространенность в природе (земной коре) химических элементов, входящих в состав материала; 2) минимальная стоимость материала, т.е. простота и освоенность добычи руды и металлургии материала, широкая практика применения; 3) технологичность материала, включая достаточное сопротивление окислению и необходимую жидкотекучесть при получении отливок, малую склонность к усадочным пустотам, горячим и холодным трещинам при отливке, хорошую деформируемость при обработке давлением, свариваемость в требуемых сечениях и в простых условиях (например, без предварительного подогрева и последующего отпуска) и обрабатываемость резанием.

Основные и ограничивающие свойства. Разработка и выбор конструкционных материалов для наиболее напряженных конструктивных элементов современной техники сложная и всегда компромиссная задача. Для ее решения необходимо выявить основные факторы (свойства), определяющие работоспособность и надежность конструктивного элемента, и ограничивающие факторы, определяющие технико-экономические показатели работы устройства (например, реактора). При этом необходимо решить, какими из ограничивающих факторов можно пренебречь.

Основные факторы определяются условиями эксплуатации конструктивного элемента и обусловливают главные или рабочие свойства конструкционного материала заданного элемента конструкции. Например, основные свойства нагруженной конструкции –

65

обычно принимаются свойства основы будущего сплава. Например, теплопроводность сплава должна быть не менее теплопроводности основы.

Во-вторых, и это предпочтительнее первого подхода, формулируется требование получения заданной величины того или иного свойства. Например, предел длительной прочности при заданной температуре и времени работы должен быть не менее конкретной величины предела длительной прочности.

Требования к свойствам материала формулируются обычно под заданную характеристику материала, т.е. когда на основе проведенного анализа параметров и режимов работы КЭ (изделия), конструкции (устройства) и совместного действия узлов, возможной технологии изготовления изделия (КЭ) и изучения существующих (или применяемых) материалов в данной области техники, можно составить характеристику будущего материала. Допустим, материал должен быть жаропрочным. Жаропрочный материал должен иметь комплекс физических, механических и физико-химических свойств. Например, при рабочей температуре среди физических свойств сплав должен иметь теплопроводность не ниже основы, высокие температуры плавления и фазового превращения. В области механических свойств – иметь высокие значения предела ползучести и длительной прочности, заданный уровень относительного удлинения и относительного сужения сечения образца. Жаропрочность означает и жаростойкость, следовательно, материал должен иметь высокое сопротивление окислению или коррозии в данной среде, т.е. электродный потенциал сплава EH0 сплава EН0 основы и т.д.

Разрабатываемый материал, конечно, должен иметь и необходимые технико-экономические свойства, тем более, что легирование основы практически всегда ухудшает технологические свойства и не уменьшает стоимостные величины.

В целом еще раз подчеркнем, что практически каждая характеристика материала требует формулирования требований по всему комплексу свойств, включая физические, механические, фи- зико-химические и технико-экономические. Пример формулирования требований к свойствам материала под конкретные характеристики представлен в табл. 16.4. Требования к свойствам материала

67

16.2. Принципы выбора состава металлических материалов

Создание структурно-стабильных материалов для наиболее напряженных конструктивных элементов сводится к разработке жаропрочных, выносливых, коррозионно- и радиационно-стойких сталей и сплавов различных химических элементов, обеспечивающих заданные работоспособность, надежность и безопасность, например, ЯЭУ.

Разрабатываемый материал должен обладать заданным набором свойств, удовлетворяющим основным и ограничивающим требованиям, сформулированным в результате анализа эксплуатационных

69