ВУЗ: Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского
Категория: Решение задач
Дисциплина: Материаловедение
Добавлен: 18.02.2019
Просмотров: 608
Скачиваний: 5
Для твердорастворного упрочнения ТМ обычно используют другие ТМ по следующим причинам:
1. Из-за близости электронного и кристаллического строения ТМ растворяются друг в друге в больших количествах.
2. Нетугоплавкие металлы других групп весьма ограниченно растворимы в ТМ. Это ограничивает возможность создания сплавов-твердых растворов. Не ТМ резко снижают солидус даже при введении их в сплавы на основе ТМ в небольших количествах. Это недопустимо. В сплавах-растворах с низким солидусом сильно развиваются диффузионные процессы при нагреве и сплав становится менее прочным, чем нелегированный ТМ-основа. Твердые растворы, образуемые при сплавлении ТМ друг с другом всегда имеют достаточно высокий солидус. Это является главной причиной твердорастворного упрочнения с использованием в качестве легирующих элементов только тугоплавкие металлы.
ТМ образуют между собой твердые растворы замещения. Упрочнение достигается за счет:
- дополнительного закрепления дислокаций растворенными атомами и в результате торможения дислокаций полями упругих напряжений вокруг растворенных атомов;
- уменьшение при легировании диффузионной подвижности атомов.
Возможности легирования ТМ с целью создания жаропрочных сплавов весьма ограниченны, т.к. при этом снижается пластичность и повышается tхр.
5. Каковы принципы легирования при создании жаропрочных сплавов на основе металлов VA и VIA групп с упрочнением за счет образования избыточных фаз. Какие требования предъявляются к избыточным фазам при этом?
При температурах выше 0,5-0,6 Тпл твердорастворное упрочнение уже неэффективно. В этом случае увеличение жаропрочности можно получить за счет легирования такими элементами, которые будут обеспечивать получение избыточных фаз.
К фазам-упрочнителям на основе ТМ предъявляются особые требования:
1) они должны быть достаточно жаропрочными, температура плавления их должна быть выше или, по крайней мере, соизмерима с Тпл металла-основы сплава;
2) они должны иметь высокую твердость, высокий модуль упругости, малый ТКЛР, т.е. иметь высокие физические и механические свойства, которые определяют высокую прочность связи;
3) высокую термическую стабильность в сплаве, особенно в условиях длительной работы при высоких температурах; поэтому фазы-упрочнители не должны иметь в своем составе атомов металла-растворителя;
4) при введении легирующих элементов, образующих эти фазы, не должен резко понижаться солидус сплава; поэтому данные фазы-упрочнители должны быть конгруэнтно плавящимися;
5) они должны иметь невысокую плотность.
Возможны два пути:
1. Интерметаллидное упрочнение
Для тугоплавких металлов этот путь по ряду причин не дал положительных результатов и пока практически не используется. Эти причины сводятся к следующему:
1) Даже самые известные интерметаллидные фазы на основе ТМ (W2Re3, MoRe3, Mo2Os, Mo3Ir, Ta3Ir), (W2Zr,W2Hf), (WRe3, WIr3) недостаточно тугоплавки;
2) В большинстве своем они инконгруэнтно плавящиеся, т.е. образуются по перитектическим реакциям. Поэтому введение легирующих элементов, образующих эти фазы, резко понижает солидус сплава, а следовательно, и уровень жаропрочности.
3) Введение в состав сплава необходимого для упрочнения количества интерметаллидной фазы приводит к резкому ухудшению технологичности и снижению низкотемпературной пластичности.
Второй путь связан с упрочнением такими элементами, которые образуют фазы внедрения.
6. Раскройте тему: Использование диаграмм состояния при выборе составов жаропрочных сплавов на основе металлов VA и VIA групп.
-оба компонента – ТМ, определить температуру равновесного солидуса изучаемого сплава, предельную растворимость второго компонента (если она имеется), изучить физико-химические свойства ближайшей к основе сплава промежуточной фазы (справочные данные) и т.д.
-несколько типовых тройных диаграмм состояния Ме–Ме’-Х в виде изотермических сечений (схем) при температурах, близких к рабочим температурам жаропрочного сплава.
-два принципа
1) инструментальное упрочнение при создании гетерофазных сплавов неприемлемо;
2) присутствие в этих сплавах фазы-упрочнителя, содержащей основной компонент (чаще всего это карбидная фаза внедрения Mo2C, W2C,Nb2C, Ta2C (в зависимости от основы сплава)) нежелательно и ее содержание должно быть исключено или сведено к минимуму.
7. Приведите основные типы тройных диаграмм состояния, которые используются при создании жаропрочных сплавов на основе металлов VA и VIA групп. Какие требования предъявляются к упрочняющим фазам при этом?
1. Первый тип тройной системы (рис. а) образуют металлы-аналоги, соседи в периодической системе. В каждой граничной двойной системе Ме-Х и Ме’-Х существуют по крайней мере две изоструктурные фазы внедрения типа Ме2Х и МеХ. Между металлами и изоструктурными фазами образуются непрерывные ряды твердых растворов , [(Ме,Ме’)2Х] и [(Ме,Ме’)Х]. Очевидно, что такая система не перспективна для разработки сплавов с гетерофазным упрочнением, т.к. в равновесии с Ме раствором в любом варианте будет находиться фаза, состав которой входит основной металл: Ме+[(Ме2Ме’)Х].
2. Ко второму типу (рис. б) относятся системы, в которых между металлами и изоструктурными фазами типа МеХ образуются непрерывные ряды твердых растворов Ме и [(Ме,Ме’)Х]. В этой системе имеется вариант, когда при достаточно высоком содержании легирующего металла Ме’ в равновесии с Ме твердым раствором будет находиться фаза (Ме’Х)), которую можно рассматривать как перспективную фазу-упрочнитель.
3. Третий тип диаграммы состояния (рис. в) реализуется в системах, в которых металлы Ме и Ме’ находятся в различных группах и имеют ограниченную растворимость друг в друге. Предварительно необходимо провести триангуляцию этой системы. Если отсутствует квазибинарный разрез 1 (показан пунктирными линиями), эту систему считают наиболее перспективной для разработки жаропрочных сплавов на основе ТМ. Для этого в данной системе должен существовать квазибинарный разрез Ме-Ме’Х с тугоплавкой эвтектикой, а избыточная фаза-упрочнитель Ме’Х отвечает требованиям этого назначения (см. слайд 64). Наиболее жаропрочные сплавы находятся в фазовой области Ме+Ме’Х - вблизи квазибинарного разреза.
4. Четвертый тип диаграмм (рис. г) образуют металлы, которые находятся в разных группах периодической системы и имеют ограниченную растворимость друг в друге. В системе возможно существование тройных соединений (типа S) и, следовательно, может быть целая серия квазибинарных разрезов.
Поэтому при анализе этой системы сначала необходимо провести ее триангуляцию с целью определения квазибинарных разрезов. Если в системе существует квазибинарный разрез Ме-Ме’Х, то такая система в принципе может быть выбрана для разработки жаропрочных сплавов. Если в системе существует разрез 1 (показан пунктирными линиями), то эта система будет неперспективной в любом варианте легирования, т.к. в равновесии с Ме раствором будут находиться фазы Ме2Х и МеmМе’n.
Рассмотренные типы диаграмм состояния не исчерпывают всего многообразия реальных тройных систем на основе тугоплавких металлов. Они являются упрощенной схемой, которая помогает при выборе новых композиций сплавов и анализе их структуры. Следует отметить, что составы многих промышленных жаропрочных сплавов на основе молибдена и вольфрама находятся в тройных и более сложных системах (Mo-Zr(Ti,Hf)-C, Mo-Tc-Zr-C, W-Hf(Zr)-C), в которых имеются квазибинарные разрезы эвтектического типа (Ме-Ме’С), а упрочняющими фазами являются жаропрочные и исключительно тугоплавкие карбиды металлов IVА группы: TiC, ZrC и HfC.
№7 Жаропрочные сплавы на основе ТМ
Общие вопросы
1. Какие существуют способы повышения уровня жаропрочности при разработке сплавов на основе металлов VA и VIA групп за счет легирования?
1) твердораствороное упрочнение;
2) упрочнение за счет образования избыточных фаз при получении гетерофазных сплавов (дисперсионное и дисперсное упрочнение).
4. В чем различие дисперсионноупрочненных сплавов и дисперсноупрочненных сплавов на основе ТМ?
1. Основным признаком дисперсионноупрочненных сплавов является способность к старению (дисперсионному твердению), что предполагает наличие заметной растворимости упрочняющей фазы в матричном твердом растворе при высоких температурах и снижение растворимости при понижении температуры. Дисперсионноупрочненные сплавы на основе ТМ получают методом вакуумной плавки с последующей деформацией слитка или без нее. В основном эти сплавы подвергают различным видам отжига.
2. Дисперсноупрочненные сплавы на основе ТМ обычно получают методом порошковой металлургии (ПМ).
При получении спеченных сплавов к порошку основного металла добавляют определенную объемную долю порошка фазы-упрочнителя заданной дисперсности. После перемешивания такая смесь подвергается обычным операциям ПМ: брикетирование, спекание, экструзия.
5. В чем состоит способ создания жаропрочных сплавов на основе металлов «большой четверки», упрочненных фазами внедрения? Какие используются фазы внедрения при создании жаропрочных сплавов, какие этим фазам предъявляются требования? Какими способами они вводятся в ТМ?
При выборе типовых диаграмм учитывают два основополагающих принципа при создании жаропрочных сплавов на основе ТМ:
1) инструментальное упрочнение при создании гетерофазных сплавов неприемлемо;
2) присутствие в этих сплавах фазы-упрочнителя, содержащей основной компонент (чаще всего это карбидная фаза внедрения Mo2C, W2C,Nb2C, Ta2C (в зависимости от основы сплава)) нежелательно и ее содержание должно быть исключено или сведено к минимуму.
6. Назовите примерные интервалы температур, в которых наиболее перспективной основой для создания жаропрочных сплавов является Nb? В каких Ta, в каких Mo и в каких W? По каким свойствам проводится оценка этих диапазонов и почему?
7. Какие используются способы при создании жаропрочных сплавов на основе ТМ VA и VIA групп и сплавов на их основе? Проведите градуировку этих способов по предельным рабочим температурам.
Сопоставление различных механизмов упрочнения при создании жаропрочных сплавов на основе тугоплавких металлов
Это сопоставление рассматривается на примере Mo и его сплавов, при создании которых использовались различные механизмы упрочнения (рис. 23).
Как следует из риc. 23, даже технически чистый молибден (кривая 1) является превосходным жаропрочным металлом. Уже при температурах выше 0,5Тпл (1178С) по уровню прочности и жаропрочности он превосходит лучшие жаропрочные супер сплавы на никелевой и кобальтовой основах. Существенное упрочнение тугоплавких металлов может быть достигнуто в результате наклепа при пластической деформации. При низких температурах оно может быть выше, чем у сплавов с гетерофазным упрочнением (кривая 2). Однако при нагреве деформированный металл быстро разупрочняется. Поэтому деформационный механизм упрочнения не может использоваться для создания жаропрочных материалов на основе тугоплавких металлов. Как показывают данные механических испытаний, эффективным способом создания жаропрочных сплавов на основе ТМ является твердорастворное упрочнение (кривая 3).
Высоколегированные сплавы – твердые растворы по уровню прочности и жаропрочности при рабочих температурах <0,5Тпл могут превосходить сплавы с гетерофазным упрочнением (кривые 4 и 5).
И только при высоких гомологических температурах (больше или равно 0,5Тпл) сплавы с гетерофазным упрочнением превосходят по жаропрочности материалы с другими механизмами упрочнения (риc 23). Причем при температурах выше 0,6Тпл основы наиболее высокую прочность имеют сплавы с дисперсным механизмом упрочнения (кривые 4 и 5). Это объясняется особой термической стабильностью упрочняющих фаз в дисперсноупрочненных сплавах, получаемых методом ПМ.
8. Сформулируйте принципы легирования жаропрочных сплавов на основе ТМ «большой четверки».
Уровень жаропрочности ТМ может быть существенно повышен за счет легирования. Как и при создании жаропрочных сплавов на любой основе, ТМ легируют элементами, упрочняющими матрицу за счет образования твердых растворов и частиц избыточных фаз. Иными словами, реализуются два известных способа упрочнения:
1) твердораствороное упрочнение;
2) упрочнение за счет образования избыточных фаз при получении гетерофазных сплавов (дисперсионное и дисперсное упрочнение).
Вопросы для сплавов на основе Mo, Nb, W и Ta
1. Назовите значения физических свойств Mo (Nb, W, Ta), определяющие возможность использования его в качестве основы жаропрочных сплавов.
2. Какой диапазон рабочих температур жаропрочных молибденовых (ниобиевых, вольфрамовых, танталовых) сплавов?
3. Какие принципы упрочнения используются при создании жаропрочных молибденовых (ниобиевых, вольфрамовых, танталовых) сплавов?
4. Какие требования предъявляются к фазам упрочнителям в гетерогенных жаропрочных молибденовых (ниобиевых, вольфрамовых, танталовых) сплавах?
- для гетерогенных – потому что в нетегерогенных сплавах этих фаз нет, они гомогенны и там только альфа раствор
5. Какова роль углерода и металлов IVA группы в молибденовых (ниобиевых, вольфрамовых, танталовых) сплавах?
6. Какие диаграммы состояния являются перспективными для создания жаропрочных сплавов на основе Mo (Nb, W, Ta)?
- не для всех, так как сейчас не для всех сплавов найдены квазибинарные разрезы
7. Какова пределельная растворимость углерода в молибдене (Nb, W, Ta) и как она изменяется с понижением температуры?
- всегда понижается
8. При каком соотношении углерода и циркония (по массе и в автомных процентах) сплавы системы Mo-Zr-C сплавы будут двухфазны?
9. При каком соотношении углерода и циркония в малолегированных молибденовых сплавах системы Mo-Zr-C возможно появление карбидной фазы Mo2C?
10. Каков механизм быстрого окисления молибдена (Nb, W, Ta) на воздухе при температурах выше 1000 ℃?
11. Каковы важнейшие для практики особенности свойств молибдена (Nb, W, Ta) и его сплавов?
12. Какие Вы знаете молибденовые (ниобиевые, вольфрамовые, танталовые) сплавы?
13. Почему плотность имеет важное значение для конструкционных материалов?
16. Какие ТМ и почему представляют интерес для использования в ядерных реакторах?
17. Какие факторы определяют разную склонность ТМ VA и VIA групп к хладноломкости?
18. Какая структура металлов VIA групп обеспечивает их минимальную склонность к хрупкому разрушению?
-полигонизованная
19. Сопоставьте по удельной жаропрочности Mo, W и Nb при температурах 3300 ℃ и 1900 ℃.
20. Чем обусловлено относительно быстрое разупрочнение ТМ с ОЦК решеткой при повышенных температурах?
– ОЦК рыхлая
21. В чем состоят особенности легирования металлов «большой четверки» для повышения их жаропрочности?
22. Какие фазы упрочнители чаще всего используются в сплавах на основе ТМ VA И VIA групп?
23. Почему жаропрочность дисперсноупрочненных сплавов тугоплавких металлов выше, чем после закалки и старения на максимальную прочность?