Практическая работа №5

Механические свойства тугоплавких металлов

Содержание

1. Низкотемпературная хрупкость тугоплавких металлов………………………………

1.1 Методы оценки хладноломкости…………………………………………………

1.2 Факторы, влияющие на хладноломкость ТМ и природа низкотемпературной хрупкости металлов с ОЦК-решеткой……………………………………………………..

1.3 Способы снижения хладноломкости тугоплавких металлов…………………….

2. Механические свойства для определения жаропрочности ТМ……………………….

1. Низкотемпературная хрупкость тугоплавких металлов

В области механических свойств ТМ главная проблема связана с низкотемпературной хрупкостью. Проблема хрупкости является вторым после низкой жаростойкости серьезным недостатком ТМ.

У ТМ технической чистоты температура перехода из хрупкого состояния в пластичное может лежать выше комнатной. Это в первую очередь относится к металлам VIA группы. В результате такие металлы оказываются хрупкими при t_комн, т.е. в обычных условиях. Эти металлы называются хладноломкими.

1.1 Методы оценки хладноломкости

Количественным показателем хладноломкости является температура хрупко-вязкого перехода - Т_хр, которую определяют по температурной зависимости какого-либо показателя пластичности при механических испытаниях (δ, ψ, KCU, угол загиба при испытаниях на изгиб и др.) (рис. 1).

Берется средняя температура в интервале а-b, где резко меняется пластичность (ΔТ_хр). Иногда Т_хр определяют по крайним точкам (а, b). Существуют и другие методы определения Т_хр.

Величина Т_хр широко используется для оценки склонности металла к хрупкому разрушению: чем выше Т_хр, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению.

Рис. 1 ‒ Зависимость показателя пластичности от температуры

1.2 Факторы, влияющие на хладноломкость ТМ и природа низкотемпературной хрупкости металлов с ОЦК-решеткой

Т_хр не является физической константой материала. На характер разрушения и на Т_хр оказывают влияние внешние и внутренние факторы.

Внешние факторы. Т_хр зависит от условий испытаний (динамические или статические),от схемы напряженного состояния, скорости деформации. Определенное влияния на Т_хр оказывает геометрия образцов и состояние поверхности. Увеличение жесткости при механических испытаниях и увеличение скорости деформации приводит к повышению Т_хр.

Это видно по результатам определения Т_хр молибденового сплава ЦМ2А в деформированном состоянии по испытаниям на изгиб (α), растяжение (δ) и ударную вязкость (КСU) (рис. 2, а), за величину Т_хр принята верхняя граница интервала ΔТ_хр: Т_хр изменяется от -50°С при испытаниях на статический изгиб до +200˚С (при испытаниях на ударную вязкость – наиболее жесткая схема испытания).

На величину Т_хр влияет тип нагружения и зависящая от него схема напряженного состояния. Наиболее неблагоприятной для пластической деформации является схема всестороннего растяжения, наиболее благоприятной – всестороннего неравномерного сжатия.

---

Это объясняется следующими причинами. Всестороннее сжатие препятствует межзернной деформации, уплотняет металл, ослабляет отрицательное воздействие неметаллических включений, уменьшает охрупчивающее действие растягивающих напряжений, возникающих при неравномерной пластической деформации. Поэтому даже хрупкий в обычных условиях вольфрам с Т_хр=500°С при гидроэкструзии со схемой неравномерного трехосного сжатия ведет себя как пластичный материал.

Поэтому сравнивать различные материалы по склонности к хладноломкости можно только в том случае, если Т_хр была определена в одинаковых условиях.

Рис. 2 ‒ Изменение характеристик пластичности деформированных (а) и рекристаллизованных (б) образцов сплава ЦМ2А от температуры испытания

Внутренние факторы. Основными внутренними факторами, определяющими температуру Т_хр ОЦК металлов, являются концентрация примесей внедрения и микроструктура.

Увеличение концентрации примесей, растворяющихся в ОЦК металлах по способу внедрения (H, O, N, C и др.), вызывает повышение Т_хр.

В состоянии высокой чистоты (при суммарном содержании примесей < 10^-5-10^-6%) ТМ пластичны вплоть до глубоких отрицательных температур.

При одном и том же содержании примесей склонность к хрупкому разрушению у металлов VA и VIА групп различна. У W и Сr технической чистоты Т_хр > t_комн. Они являются хрупкими в обычных условиях, у Mo Т_хр находится вблизи комнатной температуры. У Nb и V она отрицательна, а технически чистый Ta вообще не проявляет склонности к хрупкому разрушению. Его не следует относить к хладноломким металлам (рис. 3).

Рис. 3 ‒ Изменение относительного удлинения ТМ в интервале температур хрупко-вязкого перехода

Такое различие в хладноломкости металлов VA иVIА групп связано с резко различной растворимостью в них примесей внедрения.

Как следует из табл. 1, в ниобии и тантале растворяется на 2-4 порядка больше примесей внедрения, чем в молибдене и вольфраме.

Металл	Растворимость 10-4, %
	C	N	O
Mo W	0,1-1 <0,1	1 <0.1	1 <1
Nb Ta	100 10	200 1000	1000 200

Табл. 1 ‒ Растворимость С, N, O в ТМ VA и VIA групп при комнатной температуре

В то же время металлы VA группы даже без специальной очистки в большинстве случаев однофазны, и твердый раствор внедрения в них не насыщен.

На Т_хр оказывают влияние и примеси замещения, но их влияние второстепенно.

Влияние структуры. Эффект влияния примесей внедрения на склонность к хрупкому разрушению различен в зависимости от того, какую структуру имеет металл и как распределены эти примеси. Например, V, Nb, Ta в отожженном после литья и рекристаллизованном состояниях гораздо пластичнее, чем в деформированном.

Пластичность же металлов VIA группы зависит от структуры в некоторых отношениях аномально. Необычное изменение свойств в деформированном и отожженном состояниях проявляются в том, что металлы VIA группы (Cr, Mo, W) имеют максимальную Т_хр, когда в их структуре имеется сетка высокоугловых границ. Такая сетка границ всегда имеется в слитках, сварных швах (до и после отжига) и в рекристаллизованных после деформации полуфабрикатах. Сетка высокоугловых границ отсутствует в деформированном состоянии и в монокристаллах. Минимальная Т_хр наблюдается именно в этих двух состояниях.

---

Например, деформированный Mo подвергнутый дорекристаллизонному отжигу с полигонизованной структурой имеет Т_хр=20°С, а рекристаллизованный - Т_хр=300-400°С, соответственно деформированный молибден имеет определенный запас пластичности, а рекристаллизованный – абсолютно хрупкий.

Т_хр зависит и от тонкой дислокационной структуры, которая формируется в процессе деформации ТМ. Она может быть различной в зависимости от условий деформации: от схемы напряженного состояния в очаге деформации, от температуры, степени и скорости деформации.

Различают три разновидности дислокационных структур, которые формируются в процессе деформации.

Рис. 4 Дислокационная структура металлов VIA группы в различных состояниях

а – субструктура деформированного Мо с гомогенным распределением дислокаций;

б – ячеистая дислокационная структура деформированного Мо;

в – полигонизованная структура деформированного молибденового сплава после дорекристаллизационного отжига

Субструктура I типа (рис. 4, а) характеризуется гомогенным распределением дислокаций. Такая структура в ОЦК металлах формируется при низкотемпературной деформации с высокими скоростями. Она дает минимальную пластичность и максимальную Т_хр.

Субструктура II типа (рис. 4, б) – это ячеистая субструктура. Она характеризуется неравномерным распределением дислокаций, которые сосредоточены в основном по стенкам ячеек, образуя объемные сплетения.

Структура III типа (рис. 4, в) полигонизованная структура. Границы субзерен (блоков) – это малоугловые границы, состоящие из дислокационных стенок или сеток.

Максимальная пластичность достигается в случае полигонизованной структуры, а при наличии высокоугловых границ – в случае максимального измельчения зерен.

Структуру III типа можно получить при горячей деформации с малыми степенями (прессование, экструзия), в процессе которой развивается динамическая полигонизация, а также применением дорекристаллизационного отжига (на возврат).

Известно, что Т_хр снижается при уменьшении размера зерен (d) в соответствии с уравнением (В. И. Трефилов):

где С₁ и С₂ – константы металла; d – размер зерен рекристаллизованного или литого металла, или размер субзерен для полигонизованного металла.

Кроме зеренной и дислокационной структуры твердого раствора на базе ТМ, важным элементом структуры металлов VIA группы являются частицы избыточных фаз (карбидов, оксидов, нитридов). В литом состоянии (слитки и сварные швы) выделения фаз кристаллизованного происхождения располагаются преимущественно вдоль границ зерен, часто в виде сплошных ободков. Это вызывает хрупкое межзеренное разрушение уже при высоких температурах (Т_хр > 200 - 500°C). Если с помощью отжига слитка удается хотя бы частично растворить или сфероидизировать пограничные выделения, то Т_хр снижается и деформационные возможности металла возрастают.

---

Важной отличительной особенностью металлов VIA группы является резко отрицательное влияние рекристаллизации на пластичность.

Все современные теории склонности ТМ к хрупкому разрушению связывают ее с взаимодействием атомов примесей внедрения с дефектами кристаллической решетки – с дислокациями, границами зерен и блоков.

Особенно велико это влияние в металлах VIA группы вследствие крайне малой растворимости примесей в этих металлах и особенностями их электронной структуры.

В результате деформационного старения примеси внедрения образуют атмосферы Коттрелла, препятствующие скольжению дислокаций. В ОЦК металлах возможна эффективная блокировка примесями внедрения дислокаций всех видов, в том числе и винтовых. Это вызывает резкое повышение склонности ТМ к хрупкому разрушению. Однако это не единственная причина хрупкости ТМ.

Вторая причина перехода ТМ в хрупкое состояние связана с образованием равновесной сегрегации примесей на границах.

Движущей силой миграции атомов примесей к границам является уменьшение энергии искажения решетки вокруг них.

Сегрегации примесей у границ, во-первых, приводят к усилению их барьерного действия у границ. Они затормаживают дислокации (типа источников Франка-Рида) по другую сторону от границы (рис. 5). В результате у границ скапливается большое количество дислокаций и резко возрастает опастность зарождения трещин вдоль границ. Кроме того, примеси понижают поверхностную энергию, что также способствует хрупкому межзеренному разрушению.

Рис. 5 ‒ Схема торможения дислокаций у границы зерен при взаимодействии с сегрегацией примесей

В металлах VIA группы (Cr, Mo, W) охрупчивающее действие сегрегации примесей внедрения на высокоугловых границах настолько велико, что оно даже превышает эффект повышения пластичности за счет уменьшения плотности дислокаций в процессе рекристаллизации. В результате деформированные полуфабрикаты металлов VIA группы имеют более низкую температуру хрупко-вязкого перехода (Т_хр), чем после рекристаллизационного отжига.

У всех ТМ с увеличением размера зерен Т_хр резко повышается (рис. 6). Однако при обычном для технических металлов размере зерен 20-30 мкм у ниобия она находится в области отрицательных температур, у молибдена – в районе комнатной температуры (0…+20°C), у вольфрама – при +150…+200°C. Ясно, что склонность у этих металлов к хладноломкости различна.

Рис. 6 ‒ Влияние диаметра зерна на температуру перехода ТМ (Nb, Mo, W) из пластичного состояния в хрупкое

1.3 Способы снижения хладноломкости тугоплавких металлов

Таким образом, анализ данных о низкотемпературной хрупкости ТМ с ОЦК решеткой позволяет сформулировать основные способы снижения хладноломкости.

1. Снижение концентрации примесей внедрения различными технологическими способами: повышение степени вакуума и использование без-масляных вакуумных насосов в печах для плавки ТМ, раскисление при плавке, применение высокотемпературных вакуумных отжигов, применение зонной рафинировки и т.д.

---

2. Создание оптимальной структуры (в деформированном состоянии – полигонизованной, в рекристаллизованном – мелкозернистой без сплошных прослоек избыточных фаз на границах).

3. Использования монокристаллов (где это возможно) в качестве заготовок для изготовления деталей или последующей деформации.

4. Рациональное легирование с целью понижения Т_хр.

Большинство легирующих элементов, образующие твердые растворы замещения, вызывают дополнительные искажения кристаллической решетки, затрудняют движение дислокаций, что вызывает повышение Т_хр и соответствующее снижение пластичности по сравнению с нелегированными ТМ (кривая 1 – рис. 7)

Рис. 7 ‒ Схемы изменения температуры Т_хр тугоплавких металлов при легировании

Некоторые легирующие элементы, введенные в малых количествах, снижают Т_хр, однако дальнейшее увеличение их концентрации приводит к росту температуры хрупко-вязкого перехода (кривая 2, рис. 7).

Лишь один элемент Re снижает Т_хр металлов VIA группы (Cr, Mo, W) в рекристаллизованном состоянии (кривая 3 рис. 7).

2. Механические свойства для определения жаропрочности ТМ

Жаропрочность – это способность материалов работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной деформации и разрушения.

Для количественной оценки характеристик жаропрочности металлов и сплавов используют несколько методов механических испытаний. Наиболее важным из них является испытание на длительную прочность и ползучесть. Эти испытания проводятся по схеме одноосного растяжения.

Испытания на длительную прочность

Предел длительной прочности – это условные напряжения (), под действием которого материал разрушается при данной температуре(t) за заданный промежуток времени().

Предел длительной прочности обозначается буквой() с двумя индексами: верхний – температура (t,С) испытания, нижний – время (, часы) до разрушения. Обозначается:

, (t = 800 ℃,  = 1000 ч)

Испытания на ползучесть

Ползучестью называют явление непрерывной деформации под действием постоянного напряжения при повышенной температуре. Основной целью стандартных испытаний на ползучесть при растяжении является определение явления ползучести.

Существует два ограничения для критерия ползучести:

1. Ограничения по скорости(V(%/ч)) на установившейся стадии ползучести

В этом случае предел ползучести – это условное напряжение, при котором скорость ползучести достигает определённой величины. Предел ползучести обозначается буквой  с двумя индексами: нижний соответствует заданной скорости ползучести(V(%/ч)), верхний – температура испытания

2. Ограничение по деформации ползучести

В этом случае предел ползучести обозначается буквой  с тремя индексами: верхний определяет температуру испытания(t_исп), два нижних – деформацию () и время ():

---

Смотрите также файлы

• Практическая работа №6 Принципы легирования.docx

• Практическая работа №7 Жаропрочные сплавы.docx

• Список литературы по тугоплавким металлам.docx

• Курсовая. Анализ фазовых превращений в системе Cu-Sn.docx

• Ответы на вопросы по порошкам (Шляпин).docx