Лекция 3

Тема 1.2. Физико- химические основы создания материалов с заданными свойствами

Принципы выбора состава металлических материалов

Возможны три подхода при выборе состава будущего материала:

«метод проб и ошибок», в основе которого заложена практика экспериментального выбора лучшего по свойствам сплава из большого массива заранее приготовленных и испытанных сплавов.

теоретическая разработка состава материала на основе аналитических зависимостей свойств материалов от их структурно-фазового состояния.

комбинациия первых двух методов разработки материалов так назваемый «синтез сплавов».

Это, по сути, определенная методология разработки материалов, учитывающая существующие теоретические представления физики и химии твердого тела, теоретического и прикладного материаловедения (металловедения) и практический опыт получения и применения материалов, включающая исходные данные, основную задачу и этапы ее решения.

Синтез сплавов

Исходными данными для синтеза сплавов служат: -условия работы техники, -опыт по разработке материалов,

-свойства химических элементов (по таблице Д.И. Менделеева),

-требования к материалу (основные и ограничивающие).

Основная задача - определение состава сплава, технологии его обработки для создания структурно-стабильного материала.

Основа методологии синтеза сплавов, т.е. рабочие инструменты :

•физико-химический анализ;

•технико-экономические оценки;

•вычислительный эксперимент, включающий последовательность действий: модель – алгоритм – программа – анализ результатов – решение.

Основные этапы синтеза сплавов

•выбор основы сплава, состояние которого соответствуют основным требованиям к его свойствам;

•выбор легирующих элементов, выявление вредных примесей;

•выбор легирующего комплекса и состава с учетом всех требований к свойствам сплава;

•получение (выплавка) сплава;

•стабилизация СФС методами термомеханической и термической обработок, модифицированием СФС приповерхностных слоев и другими методами;

•всесторонние испытания (стендовые и натурные) и сертификация материала.

Впроцессе синтеза выявляются предельные изменения свойств материалов за счет легирования, термической и других видов обработки.

Выбор основы сплава

Общие подходы:

Выбор основы – результаты анализа осуществленных в практике разработок и достижений материаловедения.

Выбор (разработка) нового материала – это всегда компромисс: желаемого и возможного, основных и ограничивающих факторов (стоимость, технологичность), опыта применения и возможности замены.

Материал должен иметь максимально простой состав и низкую стоимость.

Основой сплава – это базовый металл, по концентрации большей других компонентов сплава, но чаще – это сплав из двух или более базовых компонентов. Основа должна позволить создать сплав, удовлетворяющий

основным требованиям к свойствам.

Вкачестве основы рассматривают существующие сплавы, т.е. учитывается опыт применения материалов, их стоимость и технологичность.

Примеры выбора основы

1.Материал оболочки ТВЭЛа реактора на тепловых нейтронах типа ВВЭР.

Важное требование к свойствам – минимальное сечение захвата тепловых нейтронов.

Этому требованию могут удовлетворять - С (графит); Be, Mg, Zr, Al (мбарн) : – С (графит)- 4,5; Be-9,0; Mg– 59; Zr – 180, Al- 215.

Ве - относится к группе дорогостоящих металлов, имеющих низкие значения относительного удлинения (пластичности);

Zr – относительно недорогой, но по стоимости лучшие – это Al, Mg, графит;

С позиций жаропрочности лучшие - Zr и графит, а с учетом технологичности при относительно высоких (около 300 °С) температурах теплоносителя, для оболочек твэлов применяют сплавы циркония.

Энергетические реакторы: оболочки из сплавов - Zr (теплоноситель – вода) и Mg (теплоноситель СО2); исследовательские реакторы-Al-

Mg.

Сечения поглощения нейтронов, мбарн

Примеры выбора основы

2.Оболочка ТВЭЛа реактора на быстрых нейтронах

Жаропрочность -одна из основных характеристик материала оболочки, работающей при температурах до 650–700 °С.

Материал должен иметь высокие Тпл и Трекр, пределы

ползучести и длительной прочности при относительно высоких характеристиках пластичности и вязкости разрушения (Траб 0,4Тпл или Тф.п)

Максимальные рабочие температуры (Траб =Трек - 100-1500 С)

для сплавов на основе ряда металлов следующие: Mg – 90 °С, Al – 100 °С,

-Ti – 300 °С (имеет фазовое превращение), -Zr – 300 °С (имеет фазовое превращение), V – 700 °С, Cr – 590°С, -Fe –

450 °С (имеет фазовое превращение), Ni – 400 °С, Nb – 800 °С, Be – 350 °С (имеет фазовое превращение).

С учетом совокупности свойств (стоимость) для оболочек твэлов быстрых реакторов используют обычно сплавы на основе железа, т.е. хромо - никелевые и хромистые стали.

Основные этапы синтеза сплавов

•выбор основы сплава, состояние которого соответствуют основным требованиям к его свойствам;

•выбор легирующих элементов, выявление вредных примесей;

•выбор легирующего комплекса и состава с учетом всех требований к свойствам сплава;

•получение (выплавка) сплава;

•стабилизация СФС методами термомеханической и термической обработок, модифицированием СФС приповерхностных слоев и другими методами;

•всесторонние испытания (стендовые и натурные) и сертификация материала.

Впроцессе синтеза выявляются предельные изменения свойств материалов за счет легирования, термической и других видов обработки.

Принципы выбора легирующих элементов

Общие замечания

Необходимо различать легирующие элементы и примеси.

Независимо от количества, легирующим элементом называют химический элемент, специально вводимый в основу с той или иной целью.

В случае малых концентраций (около 0,1 %), специально вводимых в сплав химических элементов, процесс называют

микролегированием.

Примесь - химический элемент, оказавшийся в основе сплава (или

в легирующем элементе) в силу определенных обстоятельств:

-из руды (сопутствующие примеси, например S и Р в сталях, или постоянные примеси, близкие по химическим свойствам элементы, например Hf в Zr);

-скрытые примеси (O, N, H, C), попадающие в сплав при его переделах;

-случайные примеси, попадающие в сплав при нарушениях технологии получения или обработки материала.