книги / Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов

Данные производственных испытаний коррелируют с коэффициентом шлифования из табл. 6.3. В результате анализа зависимости удельного расхода от прочности камня (рис. 6.14) установлено, что наибольший расход алмазов наблюдался у состава с 6 % никеля при шлифовке самого прочного камня «Цветок Украины». Самым универсальным инструментом можно считать инструмент с содержанием Ni 12 %, этот инструмент одинаково экономично работал как

Рис. 6.14. Зависимость расхода алмазов от предела прочности камня

251

по мягким, так и по твердым породам. Опытная партия инструмента прошла промышленные испытания. Удельный расход алмазов был меньше заданного ГОСТ 16115–85 в 2,3 раза (см. табл. 6.3). При сравнительных производственных испытаниях инструмента, обладающего твердостью связки 82 НRВ, ударной вязкостью инструмента 30 кДж/м2, установлены существенно лучшие показатели по сравнению с аналогами на других металлических связках (табл. 6.4). Производственные испытания алмазного инструмента при резке мраморов типа Коелгинского показали удельный расход алмазов 0,05 кар/м2, что в 3 раза меньше существующей нормы (норматив удельного расхода алмазов при резке этой же породы мрамора: природных – 0,07 кар/м2, синтетических – 0,15 кар/м2).

Таблица 6.4

Сравнительная характеристика удельного расхода алмазов в сегментах при резке мрамора месторождения Шабры

Кроме того, алмазный инструмент с разработанной связкой может быть применен для резки и шлифовки горных пород различной твердости (от мраморов до гранитов), поскольку режущие свойства оказались связаны с объемом фазовых превращений, зависящих от нагрузки.

6.2. Интерметаллические материалы

Интерметаллические соединения (интерметаллиды) – соединения металлов между собой, а также с германием и кремнием. Существует около 1500 соединений с 200 типами кристаллических решеток.

252

Применение интерметаллических сплавов:

•защитные покрытия,

•накопители водорода,

•сверхпроводники,

•магнитотвердые материалы,

•конструкционные сплавы,

•жаропрочные сплавы,

•сплавы с памятью формы. Классификация интерметаллидов:

1) дальтониды (соединения постоянного состава) – NiAl, LiAl,

AuZn;

2)бертоллиды (соединения переменного состава) – Ni3Al, FeAl,

TiAl;

3)соединения Курнакова (неупорядоченные твердые растворы

снеупорядоченным строением границ зерен) – Ti3Al, Zr3Al, Fe3Al, CuZn.

Характерная особенность интерметаллидов – высокая твердость и хрупкость при комнатной температуре (кроме соединений Курнакова).

Потеря пластичности интерметаллидов. Для пластического деформирования необходимо выполнение правила Мизеса: для деформации поликристаллов без нарушения сплошности должно действовать не менее 5 независимых систем скольжения, для которых критические сдвигающие напряжения меньше прочности адге-

зии. Например, пластическая деформация Ti3Al при комнатной температуре ограничена, так как дислокации способны скользить не более чем по 5 плоскостям, в процессе деформации происходит скопление дислокаций и зарождение микротрещин.

Для обеспечения пластичности необходимо разупорядочение

межзеренных границ. Например, Ni3Al – скольжение по 5 плоскостям, но границы упорядоченные, которые формируются в процессе кристаллизации одновременно с упорядочением.

253

рушаются хрупко по границам зерен, а соединения марганца с железом – пластично по телу зерна.

6.2.1. Сплавы с памятью формы

Металлы, обладающие эффектом памяти формы (ЭПФ), относятся к числу наиболее ярких представителей материалов со специальными свойствами. Повышенный интерес к этому металлургическому феномену обусловлен уникальным сочетанием высоких механических характеристик, сопротивления усталости, коррозионной стойкости и необычных свойств, таких как термомеханическая память, реактивное напряжение, основанных на термоупругом мартенситном превращении. Особенностью сплавов с ЭПФ является ярко выраженная зависимость большинства свойств от структуры. Значения физико-механических характеристик меняются в несколько раз при обратимом фазовом переходе аустенит – мартенсит для разных сплавов в интервале температур обычно от –150 до +150 °С.

ЭПФ наблюдается в системах CsCl, Fe3Al, Ti50Ni47,5Fe2,5, Сu3Al (табл. 6.5).

254

Из большого числа сплавов с ЭПФ наиболее перспективными для практического применения являются сплавы Тi-Ni эквиатомного состава (примерно 50 : 50 % (ат.)), обычно называемые никелидом титана или нитинолом. Реже используют более дешевые сплавы на основе меди Сu-А1-Ni и Сu-А1-Sn.

Механизм эффекта памяти формы. В основе лежит фазовое превращение. Происходит по мартенситному (бездиффузионному) превращению. В сталях превращение перлита в мартенсит невозможно, так как при всех температурах мартенсит обладает большей свободной энергией, чем перлит. Обратное превращение наблюдается в безуглеродистых высоколегированных сплавах.

Эффект памяти формы состоит в том, что образец, имеющий определенную форму в аустенитном состоянии при повышенной температуре, деформируют при более низкой температуре мартенситного превращения. После перегрева, сопровождающегося протеканием обратного превращения, исходная характерная форма восстанавливается (рис. 6.16).

ЭПФ проявляется в сплавах, характеризующихся термоупругим мартенситным превращением, когерентностью

Условия для ЭПФ. Восстановление формы, обусловленное эффектом памяти формы, завершается при нагреве выше температуры Ан. Его движущей силой является разность свободных энергий исходной и мартенситной фаз при обратном превращении.

Для полного восстановления формы необходимо:

1) чтобы мартенситное являлось кристаллографически обратимым (это возможно в сплавах с упорядоченной решеткой, обычно ОЦК);

257

2) чтобы процесс деформации осуществлялся без участия скольжения (скольжение – необратимый процесс), ЭПФ возможен, если деформация осуществляется не скольжением, а двойникованием.

В этих условиях при деформации образуются когерентные с исходной структурой двойниковые мартенситные кристаллы, а при отогреве и обратном превращении эти мартенситные кристаллы исчезают и плавно переходят в решетку исходной фазы. Обратимое движение когерентных межфазных границ при обратном превращении приводит к восстановлению первоначальной формы (рис. 6.17). Для полного восстановления формы необходимо, чтобы мартенситное превращение являлось кристаллографически обратимым. Кристаллографическая обратимость превращения предполагает не только восстановление кристаллической структуры, зависящей от обратного превращения, но и восстановление кристаллографической ориентировки исходной фазы перед превращением. Кроме того, необходимо, чтобы деформация осуществлялась без участия скольжения, так как скольжение является необратимым процессом и при нагреве деформация не устраняется.

а

б

Рис. 6.17. Рост (а) и уменьшение (б) кристаллов термоупругого мартенсита в сплавах Cu-Al-Ni при охлаждении и нагреве

258

Учитывая, что ЭПФ определяется термоупругими мартенситными превращениями, с научной и практической позиций весьма важно определение температурных интервалов мартенситных превращений при нагреве–охлаждении без нагрузки и при охлаждении– нагреве под механическим напряжением с максимальным приближением условий испытаний к условиям эксплуатации.

Схема влияния температуры на фазовый состав сплавов с обратимыми мартенситными превращениями приведена на рис. 6.18.

Рис. 6.18. Зависимость фазового состава сплава от температуры: а – широкий гистерезис; б – узкий гистерезис

При охлаждении материала из аустенитного состояния мартенсит начинает образовываться с некоторой температуры Мн. При дальнейшем охлаждении количество мартенситной фазы увеличивается, и полное превращение аустенита в мартенсит заканчивается при некоторой температуре Мк. Ниже этой температуры термодинамически устойчивой остается только мартенситная фаза.

При нагреве превращение мартенсита в аустенит начинается с некоторой температуры Ан и полностью заканчивается при температуре Ак. При полном термоциклировании получается гистерезисная петля. Ширина гистерезисной петли по температурной шкале Ак – Мн

259

или Ан – Мк может быть различной для разных материалов: широкой или узкой (см. рис. 6.18, а и б).

Кроме этих температур обычно рассматривают еще три характеристических температуры: Т0, Мд, Ад, где Т0 – температура термодинамического равновесия; Мд – температура, ниже которой мартенсит может возникнуть не только вследствие понижения температуры, но и под действием механического напряжения; Ад – температура, выше которой аустенит может появиться не только под действием температуры, но и под действием механических напряжений. Расположение этих температур относительно петли гистерезиса оказывает влияние на поведение материала при термосиловом воздействии. В случае узкого гистерезиса (см. рис. 6.18, б) температура Мд может оказаться правее температуры конца аустенитного превращения Ак, а при широком гистерезисе – левее этой температуры

(см. рис. 6.18, а).

Тогда для материала с узким гистерезисом наведенный механомартенсит, т.е. мартенсит, образованный под действием внешней нагрузки при температуре ниже Мд (но выше Ан), будет термодинамически неустойчивым и при разгрузке он должен исчезнуть.

В случае широкого гистерезиса наведенный механомартенсит будет термодинамически устойчивым и сохранится при разгрузке. Деформации в этом случае исчезнут только после нагрева, т.е. после завершения реакции мартенсит–аустенит.

Особенностью обратимых мартенситных превращений является то, что при нагреве и охлаждении сплавов за 100–200 °С до достижения точек Ак и Мн начинают интенсивно уменьшаться модуль сдвига G и модуль упругости Е, и в критических точках они становятся минимальными. Образно говоря, кристаллическая решетка как бы «смягчается» в преддверии обратимых мартенситных превращений.

Характеристические температуры превращений ряда двойных сплавов Тi-Ni с ЭПФ разного состава, полученные из разных источников, приведены в табл. 6.6. Из табл. 6.6 следует, что даже малые отклонения состава сплавов Тi-Ni от стехиометрического приводят

260