Свойства металлов современной металлургии и научные разработки
Каждое зерно металла расширяется по-своему, но ему мешают соседние зерна, что тоже приводит к накоплению больших напряжений на границах зерен. Особенно сильно это проявляется, например, у титана.
Кубическая объемноцентрированная и особенно гранецентрированная решетки расширяются равномерно во все стороны. На границах зерен таких металлов при нагревании не возникает больших напряжений, поэтому они значительно медленнее теряют прочность при повышении температуры. Гранецентрированную решетку, как вы помните, имеет гамма-железо. Именно поэтому оно может использоваться как основа для создания жаропрочных сталей.
Как помочь металлу? Чтобы усилить связь между ион-атомами железа, а также чтобы затруднить перекристаллизацию, железо легируют тугоплавкими металлами: вольфрамом, молибденом, ниобием, однако эти металлы довольно дороги, в чем можно убедиться если проанализировать курс lme запасы и цены. Температура полиморфного перехода повышается на десятки градусов, если добавить в железо всего один атомный процент молибдена или вольфрама. Кроме того, вольфрам придает стали твердость, которую она сохраняет даже будучи раскаленной до красна. Чтобы затруднить движение дислокаций, в железо добавляют алюминий и титан, а еще лучше, если в нем образуются тугоплавкие карбиды.
Особенно вредят металлам при высоких температурах легкоплавкие примеси. Скапливаясь на границах зерен, сера, свинец, висмут резко снижают жаропрочность. Поэтому для создания жаропрочных сплавов необходимо брать очень чистые исходные материалы.
Чем дальше друг от друга стоят в таблице Менделеева металл-основа и легирующий элемент, тем лучше: в этом случае связь между их атомами будет не только металлической, но и химической. Однако далеко стоящие в периодической таблице элементы плохо растворяются друг в друге. Вот и приходится вводить в металл-основу сразу несколько легирующих элементов, между атомами которых и создается химическая связь. Современные жаропрочные сплавы содержат иногда более десяти легирующих добавок.
Во время термической обработки легирующие атомы выделяются из пересыщенного раствора и образуют очень мелкие частицы, равномерно расположенные в массе сплава. Каждая такая частица имеет свою поверхность раздела. Скапливаясь на границах зерен металла-основы, они мешают образованию трещин и тем самым упрочняют металл.
Вы, наверное, помните, что деформация кристалла под действием нагрузок приводит нередко к смещению его атомных плоскостей по отношению друг к другу. Это очень напоминает скольжение карт в колоде или монет в стопке.
Чтобы каблук или подметка не отвалились от ботинка, их приклеивают или прибивают. Атомы металлических соединений, «вылезая» из кристаллической решетки твердого раствора, скрепляют соседние ее плоскости, как «гвозди» атомного размера. Прочность металла при этом значительно повышается.
Первыми жаропрочными сплавами были созданные в 40-х годах аустенитные стали, содержащие мелкие частицы карбидов. Изготовленные из них лопатки газовых турбин могли работать при температурах до 600—700°С. Из этих сплавов делали также конструкции и обшивку самолетов и ракет.
Основой более поздних жаропрочных сплавов явились соседи железа в периодической таблице — никель и кобальт. У них довольно высокая температура плавления, связь между их атомами достаточно сильна, и высокотемпературная фаза имеет гранецентрированную кубическую решетку, тогдаже широкое распространение получили нержавеющие стали.
Однако и железные, и никелевые, и кобальтовые сплавы не могут работать при температурах, значительно превышающих 1000°С. Для создания еще более высокотемпературных материалов приходится в качестве металла-основы брать тугоплавкие металлы. metallicheckiy-portal.ru
Свежие комментарии