Лекция 4

Выбор легирующего комплекса

Видно, что, чем меньше предельная растворимость легирующей добавки, тем интенсивнее она влияет на прочность, т.к. в области малых концентраций кривая круто поднимается, но тем меньше ее эффективность на пределе растворимости (т.е. малый вклад).

Отсюда следует, что в бинарных сплавах нет смысла

применять малорастворимые добавки, дающие

Выбор легирующего комплекса

(продолжение)

Прирост предела прочности можно представить в виде зависимости:

i= 0 + bi Ci

где коэффициент bi характеризует эффективность влияния добавки на предел прочности.

Очевидно, что для достижении высокой прочности основы нет смысла увеличивать количество одного химического элемента до концентрации С3, а целесообразно вводить оптимальные

количества (концентрации) нескольких добавок типа С1 с высокими значениями bi.

В многокомпонентных сплавах для получения максимального эффекта упрочнения целесообразно использовать несколько добавок, при этом, однако, необходимо учитывать экономические факторы.

Использование нескольких легирующих добавок – это комплексное легирование, т.е. одновременное введение в сплав нескольких легирующих элементов, представляющих собой

некий комплекс элементов.

Комплексное легирование основы

Целесообразность и необходимость комплексного легирования и введения тех или иных элементов в комплекс определяется:

1.Требованием одновременного обеспечения определенного уровня нескольких свойств: прочности сплава при заданном уровне пластичности и вязкости разрушения, минимальной стоимости и др.

2.Необходимость снижения отрицательного влияния на свойства сплава вредных примесей: проявляется часто через образование зернограничных сегрегаций, включений, например, хрупких химических (интерметаллических) соединений, легкоплавких эвтектик и др. Одним из способов подавления вредного влияния примесей является введение специальных добавок, образующих с примесями устойчивые, тугоплавкие соединения не растворимые (малорастворимые) в матрице сплава. Например, для раскисления в железные сплавы вводят - Si, Mn, Al, в медные сплавы – P, в никелевые – Si, Mn, Mg, B. Для устранения S – в сталь вводят - Mn и РЗМ, в никель – Zr, B, La. Для связывания H2 в Cu вводят - Li и др.

Комплексное легирование основы

(продолжение)

3.Снижением отрицательных эффектов от введения некоторых легирующих добавок. Для устранения

межкристаллитной коррозии, обусловленной избытком углерода и образованием карбидов хрома на границах зерен, в аустенитные стали с высокой концентрацией хрома вводят карбидообразующие элементы: титан, ванадий ниобий. Эти элементы связывают избыток углерода, образуя устойчивые карбиды в теле зерна.

4.Созданием жаропрочных сплавов, обладающих высоким сопротивлением деформации длительное время при высокой температуре, высокой энергией активации ползучести и высокой жаростойкостью.

Обеспечение этих требований возможно только при комплексном легировании.

Комплексное легирование основы

(продолжение)

5.Изменением свойств сплава благодаря взаимодействию между собой и основой двух и более легирующих элементов, дающих синергетический эффект усиления свойств.

Например, свойство сплава связано с концентрациями двух

легирующих элементов Х1 и Х2 следующим полиномом:

= 0 + b1 X1 + b2 X2 + b3 X1 X2

•Где b1 и b2 – коэффициенты вклада в свойство ЛЭ с концентрациями X1 и X2; b3 – коэффициент совместного влияния добавок на свойство - .

Варианты влияния легирующих добавок на свойство:

а) b1, b2, b3 = 0. Добавки не влияют на свойство, вводить нецелесообразно.

б) b3=0; b1 и b2 0. Элементы 2 и 3 действуют на свойство независимо,

т.е. аддитивно. Целесообразно вводить только одну из добавок, обладающую большей эффективностью (большим bi) и

дешевизной.

в) b3 0; b1 и b2 0. Одновременное введение обеих добавок взаимно

ослабляют их действие на свойство. Совместное использование для легирования нецелесообразно.

Комплексное легирование основы

(продолжение)

= 0 + b1 X1 + b2 X2 + b3 X1 X2

г) b1 b2 b3. Первая добавка действует значительно сильнее

второй и третьей. Эффект совместного действия добавок мал, поэтому вторую добавку вводить нецелесообразно.

д) b1 или b2 0, b3 b1 и b2. Добавку, имеющую отрицательное

значение b вводить нецелесообразно.

е) b3 b1 и b2. Эффект от совместного влияния добавок

больше, чем сумма эффектов от введения каждой добавки по отдельности. Эти добавки взаимно усиливают свое воздействие на свойство.

Именно такие комбинации добавок необходимо искать и применять для легирования основы.

Наблюдения показывают, что третий компонент оказывается эффективным в том случае, когда обладает высокой взаимной растворимостью в первой добавке, усиливая устойчивость твердого раствора основы и повышая прочность.

Окончательный выбор состава сплава

Легирование – компромиссная задача, направленная на оптимизацию целого ряда параметров, включая достижения максимума заданных свойств сплава, его технологичности и стоимости, решать альтернативные задачи, выбирая оптимальное сочетание, например, прочности и пластичности, прочности и технологичности, прочности и необходимого комплекса физических свойств и так далее.

Основные этапы:

•1.Оптимизация состава

•2.Экспериментальное изучение сплава, в том числе в изделии.

•3.Изучение работоспособности изделия с заданным СФС материала в модельных экспериментах.

•4. Изучение работоспособности изделия с заданным СФС материала в рабочих условиях

•5.Вывод о готовности материала

•6.Сертификация и внедрение материала (изделия) в производство.

Оптимизация состава сплава

Задача - определить окончательный и оптимальный состав сплава.

Этот этап наиболее доступный для компьютерного эксперимента. Если имеется физическая модель сплава, то предстоит построить математическую модель сплава, выработать алгоритм и программу решения задачи, провести необходимые расчеты и получить результат.

1.Mатематические модели, например, зависимости свойства от состава:

= k1a +k2b + k3c + ……..+ kmf= l1a + l2b + l3c + ……..+ lmf

= m1a + m2b + m3c + ……..+ mmf= n1a + n2b + n3c + ……..+ nmf

…………………………………………

= p1a + p2b + p3c + ……..+ pmf

2.Оптимизируя A, B, C,…..F, выбираем состав сплава М: M = A + n1B + n2C + n3D + ………..+ nmF

Для компьютерного эксперимента необходима база данных.