- •Шишляев, В.Н.
- •1.3.1. Полиморфные превращения
- •2. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
- •2.3. Свойства металлических расплавов
- •2.3.1. Температура плавления и плотность
- •2.3.2. Поверхностное натяжение
- •2.3.2.1. Поверхностное натяжение и смачиваемость
- •2.3.2.2. Капиллярные явления
- •2.3.2.3. Определение поверхностного натяжения
- •2.3.4. Диффузия в жидких металлах и сплавах
- •Вопросы для самоконтроля
- •3.1. Термодинамические условия кристаллизации
- •3.3. Кинетика кристаллизации
- •3.4. Механизм кристаллизации
- •Вопросы для самоконтроля
- •4. ФОРМИРОВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ
- •4.1. Кристаллизация чистых металлов
- •Х/ННчУ
- •4.2.1.1. Концентрационное переохлаждение
- •4.2.1.2. Особенности механизма кристаллизации сплавов, образующих твердые растворы
- •4.2.2. Кристаллизация эвтектических сплавов
- •4.2.3. Эвтектические структуры в реальных сплавах
- •5.2. Основные положения современной теории кристаллизации
- •5.2.2. Формирование центральной равноосной зоны
- •5.3.2. Влияние скорости кристаллизации
- •5.3.3. Влияние перегрева
- •5.3.4. Влияние перемешивания расплава
- •5.3.5. Влияние примесей
- •Вопросы для самоконтроля
- •6.1. Получение отливок с заданной структурой
- •6.2. Величина зерна литых сплавов
- •6.2.1. Границы зерен в литых сплавах
- •6.2.2. Микроструктура литых сплавов
- •6.3.3. Специальные методы модифицирования
- •6.3.4. Виды модифицирования
- •7.1. Дендритная ликвация
- •7.2. Зональная ликвация
- •7.2.1. Прямая зональная ликвация
- •ШШШШШ
- •7.2.2. Обратная ликвация
- •8.1. Растворимость газов в расплавленных металлах
- •8.3. Выделение газов в процессе затвердевания
- •8.5. Неметаллические включения
- •8.6. Методы устранения дефектов газового характера
- •8.6.1. Предупредительные меры
- •8.6.2. Способы удаления газов из расплава
- •8.7. Рафинирование расплавов
- •8.8. Раскисление металлических расплавов
- •Вопросы для самоконтроля
- •9. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ В ОСОБЫХ УСЛОВИЯХ
- •9.1. Кристаллизация при высоких скоростях охлаждения
- •9.2. Получение монокристаллических изделий
- •9.4. Получение компактных нанокристаллических материалов
- •9.4.2. Методы получения наноматериалов
- •Вопросы для самоконтроля
- •10. ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ
- •10.1. Жидкотекучесть
- •10.1.1. Виды жидкотекучести
- •10.1.2. Определение жидкотекучести
- •10.1.3. Жидкотекучесть чистых металлов и сплавов
- •10.1.5. Влияние технологических условий литья
- •10.1.7. Заполняемость форм
- •10.2. Усадка литейных сплавов
- •10.2.4. Определение объемной усадки
- •10.2.7. Устранение усадочных раковин
- •10.2.8. Герметичность сплавов
- •10.3. Напряжения в отливках
- •10.3.1. Классификация напряжений
- •10.3.2. Методы снижения напряжений
- •10.4. Горячеломкость сплавов
- •10.4.1. Виды трещин в отливках
- •10.4.2. Оценка горячеломкости сплава
- •10.4.3. Факторы, влияющие на горячеломкость сплавов
- •10.4.4. Пути снижения горячеломкости
- •Вопросы для самоконтроля
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
толщина слоя, диаметр волокна или зерна меньше некоторого зна чения, например 100 нм. По химическому составу кристаллитов можно выделить четыре группы наноматериалов. Для наиболее про стого варианта (первая группа) химический состав кристаллитов и границ раздела одинаков. Это, например, слоистые поликристаллические полимеры или чистые металлы с нанокристаплической равно осной структурой. Вторая группа представляет наноструктурные ма териалы с кристаллитами различного химического состава, в частно сти многослойные структуры. Для материалов третьей группы химический состав зерен и границ раздела различен. Материалы, в которых наноразмерные компоненты структуры (слои, волокна или равноосные кристаллиты) диспергированы в матрице сплава другого химического состава, составляют четвертую группу.
9.4.2. Методы получения наноматериалов
Существуют четыре группы получения компактных наномате риалов: порошковая технология, интенсивная пластическая дефор мация (ИПД), контролируемая кристаллизация из аморфного состоя ния и пленочная технология.
Широко известен метод получения компактных нанокристаплических материалов путем прессования нанокристаплического по рошка. Наночастицы получают методом испарения с последующей конденсацией пара на холодной поверхности вращающегося цилинд ра. Схема такого процесса приведена на рис. 104. Испарение и кон денсация осуществляются в атмосфере разреженного инертного газа, обычно гелия. Осажденный конденсат специальным скребком сни мается с поверхности и собирается в коллектор. После откачки инертного газа в вакууме под давлением примерно 1 ГПа проводится предварительное, а затем под давлением до 10 ГПа и окончательное прессование нанокристаплического порошка. По такой технологии получают пластинки диаметром 5-15 мм и толщиной 0,2-3,0 мм. Плотность пластинок достигает 70-90 % от теоретической прочности соответствующего материала. Компактные наноматериалы, получен ные порошковой технологией, состоят из частиц со средним разме ром от 1-2 нм до 80-100 нм.
Метод ИПД, заключающийся в обжатии с большими степеня ми деформации при относительно низких температурах (ниже
0,3-0,4 Гпл, где Тп„ - температура плавления материала) в условиях высоких приложенных давлений, позволяет получать объемные беспористые нанокристаплические металлы и сплавы. Обычные методы деформации - прокатка, волочение, прессование и др. - в конеч ном счете приводят к уменьшению поперечного сечения заготовки и не позволяют достигать больших степеней измельчения зерна.
Рис. 104. Схема процесса получения объемного нанокристаллического материала путем прессованием порошка
Для достижения больших деформаций материала используются нетрадиционные методы - кручение под гидростатическим давлени ем, равноканальное угловое прессование, знакопеременный изгиб, позволяющие деформировать заготовку без изменения сечения
иформы и достигать необходимых высоких степеней деформации
иизмельчения зерна. К настоящему времени нано- и субмикрокри сталлическая структуры в ходе ИПД получены в алюминии, железе, магнии, вольфраме, никеле, титане и их сплавах. Такая структура приводит к изменению физических и механических свойств (значи тельное повышение прочности при сохранении пластичности, повы шение износостойкости, проявление высокоскоростной и низкотем пературной сверхпластичности).
Формирование аморфного состояния рассмотрено в разделе 9.1. Аморфное состояние твердого тела в значительной степени отражает структуру жидкого расплава. В аморфных сплавах в той или иной степени наблюдается ближний порядок, который характерен для расплавленных металлов и при большом переохлаждении расплава наследуется металлическим стеклом. Образование аморфной струк туры возможно только в условиях резкого охлаждения расплава. Для каждого материала можно найти критическую скорость охлаждения. Если скорость охлаждения будет выше критической, то достигается переохлаждение, достаточное для получения аморфной структуры, если ниже - образуется кристаллический сплав. Для получения аморфно-нанокристаллической структуры необходима указанная критическая скорость охлаждения, при которой начинают расти за родыши кристаллов, но затем рост останавливается. Оставшийся расплав затвердевает с образованием аморфной фазы. Структурная модель такой аморфно-нанокристаллической структуры приведена на рис. 105.
Вней выделяются нанокристаллы 1 с размерами 8-10 нм, по
границам которых располагаются переходные области 2. Нанокри сталлы разделены прослойками аморфной фазы 3. В центральной части каждого нанокристалла существует идеальный порядок, кото рый постепенно теряется и на периферии переходит в аморфное со стояние. Такое структурное состояние характеризуется аномально высокой прочностью, превышающей прочность аморфного или кри сталлического состояния.
Рис. 105. Модель структуры аморфно-нано- кристаплического состояния: а - нанокри сталл; б- переходные области; в - прослой ки аморфной фазы
Получение такой структуры затрудняется подбором критиче ской скорости охлаждения.
Нанокристаллическая структура может быть получена и из чис то аморфного сплава путем его кристаллизации в ходе отжига. Тон кие ленты аморфных сплавов получают путем спиннингования, то есть быстрого (со скоростью не менее 10б °С/с) охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска или барабана. Этот метод сей час активно развивается для получения ферромагнитных сплавов систем Fe - Си - М - Si - В, где под символом М понимается Nb, Та, W, Mo, Zr.
Пленки и покрытия, т.е. непрерывные слои нанокристаллического материала, получают путем осаждения на холодную или по догретую подложку из паров, плазмы или коллоидных растворов.
Разработка новых методов получения объемных (массивных) нанокристаллических заготовок с равномерной структурой по сече нию заготовки без пор, микротрещин и других дефектов структуры - актуальная задача, решение которой позволит расширить примене ние наноматериалов конструкционного назначения.
Вопросы для самоконтроля
1. Какая скорость охлаждения достигается при охлаждени мелких капель?