- •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
9.4. Получение компактных нанокристаллических материалов
Металлические, керамические, полимерные и композиционные материалы составляют основную часть всех конструкционных мате риалов. Выбор их использования в конструкциях во многом опреде ляется соотношением между прочностью и пластичностью. Метал лические материалы обладают наилучшим соотношением этих свойств. Керамические и полимерные материалы менее пластичны, нежели металлические, а композиционные по указанным характери стикам занимают промежуточное положение между керамическими и металлическими материалами. Оптимальное соотношение прочно сти и пластичности у металлических материалов определило их ре шающую роль (выше 90 %) в общем объеме конструкционных мате риалов. К настоящему времени в России разработано и используется около 2000 марок сталей и выпускается более 15 млн вариантов ме таллопродукции, включающих металлы массового назначения (ста ли, алюминиевые сплавы, титановые сплавы и др.), высокопрочные стали и сплавы, жаропрочные сплавы, хладостойкие стали, коррози онно-стойкие стали и сплавы, износостойкие стали, радиационно стойкие стали и сплавы, литейные чугуны и др. Прирост прочност ных свойств конструкционных материалов за последние десятилетия был обусловлен в основном разработкой сплавов с новым химиче ским и фазовым составом. Этот путь уже исчерпал свои возможно сти. В последние годы наметились новые пути повышения свойств конструкционных материалов за счет целенаправленного формиро вания микро- и нанокристаллической структуры.
Интерес к использованию сверхмелкозернистых материалов во всех областях техники возрастает с каждым годом, так как обнару жилось, что уменьшение размеров кристаллитов ниже некоторого порогового значения приводит к значительному изменению свойств материалов. У частиц нанометровых размеров были обнаружены особые механические, оптические, электрические и магнитные свой ства. Хрупкие керамические материалы с наноразмерным строением становятся пластичными.
Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материа ла известно достаточно давно и используется в разных областях тех
ники. Наиболее известно применение аэрозолей. Добавки наночастиц железа в моторное масло позволяют восстанавливать детали двига телей в процессе работы. Малые частицы и наноразмерные материа лы уже используются для производства авиационных материалов.
Керамические материалы, в матрице которых беспорядочно распределены тонкодисперсные металлические частицы, обладают радиопоглощающими свойствами, помогают сделать самолеты неви димыми для радаров. Нитевидные монокристаллы (усы) и поликри сталлы (волокна) обладают высочайшей прочностью. Усы графита имеют прочность около 24,5 ГПа, что в десять раз превышает проч ность стальной проволоки. Их используют в качестве наполнителя легких композиционных материалов для аэрокосмической промыш ленности. Решение важнейшей проблемы увеличения ресурса работы лопаток авиационных двигателей связывают с получением нанокристаллической структуры. У наноматериалов высокая прочность все гда сочетается с высокой пластичностью. Наноматериалы обладают сверхпластичностью, высочайшими магнитными свойствами и др.
Благодаря уникальным свойствам наноматериалов новый век начинается под знаком приоритетного развития нанотехнологий.
9.4.1.Основные понятия о наночастицах
инаноматериалах
Технически значимые изменения физико-механических свойств наноматериалов обнаруживаются в интервале размеров от 1 до 100 нм. Следуя тому, что в системе СИ приставка нано используется для образования дольных единиц - 10'9, в качестве наночастиц сле дует рассматривать только частицы размером от 1 до 10 нм. К части цам с размерами до 100 нм более подходит определение ультрадисперсных частиц. Чаще всего предметом исследований на наноуровне являются металлические, точнее, металлосодержащие наночастицы.
Металлическая трехмерная наночастица - это объект сферои дальной формы, состоящий из 101—10 3 атомов, имеющий диаметр 1-10 нм и соотношение между количествами поверхностных частиц и частиц в объеме, равное единице и более (Nn0JN0Q> 1). Если из та ких частиц образуется компактный наноматериал, то доля поверхно стей раздела составляет примерно 50 % и более. Считается [22], что
многочисленные поверхности раздела в наноматериалах играют ре шающую роль в существенном изменении их свойств. На рис. 103 приведена схема, иллюстрирующая различие между наначастицами и ультрадисперсными частицами.
N |
*“ *• (561) |
151-2110 |
|
d, нм |
2-10 |
Доля поверхност |
|
ных атомов, % 92-63 |
63-15 |
Рис. 103. Геометрические параметры наночастиц (слева) и дисперсных частиц
Левее границы раздела (сдвоенная линия) показаны наночасти цы, которые состоят из атомов, количество которых приведено
вкруглых скобках. Правее в том же масштабе показаны более круп ные дисперсные системы. Наночастицы металлов с диаметром 10 нм
вобщем случае могут содержать до 2110 атомов, при этом доля по
верхностных частиц может составлять только 15%, а не 50 %, как указывалось выше. Такие ограничения размеров наночастиц (до 10 нм) установлены на основании изменения физических свойств в зависимости от размеров. Если рассматривать всю совокупность свойств и физических параметров металлосодержащих частиц [22], то для произвольной частицы, содержащей более 103 атомов, этот комплекс свойств уже не отличается от свойств компактного метал ла. Однако существуют и менее жесткие, в отношении размеров, оп
ределения наночастиц. У разных ученых [20] к наночастицам отно сятся и объекты с размерами до 100 нм. Это объясняется тем, что при размерах до 100 нм можно наблюдать значительные, представляю щие технический интерес изменения отдельных (а не всего комплек са) физико-механических свойств (прочности, твердости и т.д.) под влиянием только размерных эффектов.
Кроме трехмерных наночастиц существуют двух- и одномерные частицы, это соответственно нитевидные кристаллы (усы) и пленки.
В практическом отношении больший интерес представляют не наночастицы, а компактный (консолидированный) материал из этих частиц (наноматериал). Наноматериалы можно классифи цировать по химическому составу, форме кристаллитов и располо жению границ раздела (табл. 5). По этим параметрам они делятся на слоистые, волокнистые и равноосные, для которых соответственно
|
|
|
|
Таблица 5 |
|
|
Классификация наноматериалов по структуре |
||||
|
Химический состав кристаллитов |
||||
Форма |
Состав |
Состав |
Состав |
Кристаллиты |
|
кристалли |
кристалли |
границ и |
диспергиро |
||
кристал |
|||||
тов и границ |
тов различен |
кристалли |
ваны в мат |
||
литов |
|||||
раздела |
|
тов различен |
рице различ |
||
|
|
||||
|
одинаковый |
|
|
ного состава |
Слоистая
Волокнистая
Равноосная