Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Содержание

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Эвтектика

1.2 Механические свойства и микроструктура

2. Экспериментальная часть

2.1 Подготовка шихты

2.2 Оборудование для выращивания

2.3 Выращивание оксидной эвтектики методом Степанова (EFG)

2.4 Получение и анализ изображений микроструктуры

2.5 Проведение механических испытаний

Выводы

Литература

Введение

В настоящее время ведётся поиск материалов, обладающих высокими: прочностью, жёсткостью, износостойкостью, сопротивлением ползучести, температурой плавления, стойкостью к термическому удару, сопротивлением окислению, трещиностойкостью. Одними из материалов, способных удовлетворить этот спрос, являются композиционные материалы. Композиционные материалы можно условно разделить на две группы:

1) «искусственные», получаемые введением армирующих компонентов в матрицу, что требует множества различных операций, обеспечения химической совместимости и т.п.

2) «естественные», структура которых формируются в процессе фазовых превращений, путем направленной кристаллизации.

Эвтектический сплав - «естественный» композит, который обладает ориентированной мелкодисперсной структурой. Эвтектические соединения, полученные направленной кристаллизацией, обладают выдающимися свойствами, вытекающими из их микроструктуры [1]. Среди них выделяются оксид алюминиевые эвтектики из-за их способности сохранять высокую прочность при высоких температурах и сопротивления ползучести в сочетании с их микроструктурной стабильностью и сопротивляемостью деградации при температурах близких к эвтектической точке. Эти свойства делают этот материал перспективным кандидатом в качестве высокотемпературного конструкционного материала [1] [2].

При использовании эвтектических композиций в качестве конструкционных материалов, они должны обладать определенной формой, соответствующей их функциональному назначению. Достижение необходимой формы путём механической обработки крайне затруднено из-за высокой твердости эвтектик. Поэтому желательно выращивать эти «естественные» композиты в форме, близкой к форме конечной детали. Эту задачу позволяет решить метод выращивания Степанова, что является большим преимуществом данного метода.

1. Обзор литературы

1.1 Эвтектика

Эвтемктика (греч. йutektos - легкоплавящийся) - нонвариантная (при постоянном давлении) точка в системе из n компонентов, в которой находятся в равновесии n твердых фаз и жидкая фаза. На рис. 1 изображена фазовая диаграмма двойной эвтектики . Эвтектическая точка находится на пересечении линии ликвидуса и солидуса.

Рис. 1. Фазовая диаграмма двойной оксидной системы . [3]

Эвтектические сплавы обладают высокой температурой плавления и повышенным сопротивлением к окислению [4].

Оксиды редкоземельных металлов от лантана до прометия не имеют эвтектической точки с . Оксиды самария, европия и гадолиния образуют фазу перовскита, а оксиды элементов от тербия до лютеция образуют фазу граната (см. рис. 2) [4].

Рис. 2. Редкоземельные элементы, составляющие и не составляющие эвтектическую точку с . [4]

Исследуемая в данной работе эвтектика состава принадлежит к третьей группе, т.е. оксид эрбия имеет эвтектическую точку с оксидом алюминия и образует фазу эрбий алюминиевого граната.

1.2 Механические свойства и микроструктура

Механические свойства сильно зависят от типа и размера микроструктуры. Композиты, выращенные из расплава, т. е. эвтектические сплавы обладают повышенной прочностью при высоких температурах по сравнению с поликристаллами и монокристаллами. У поликристалла при высоких температурах существует скольжение зерен вдоль граней, что заметно снижает высокотемпературную прочность оксидных керамик. Диффузия и отсутствие барьеров для дислокаций в монокристалле также приводят к значительному снижению высокотемпературной прочности. Наконец в эвтектиках отсутствует скольжение зерен вдоль границ, но существуют границы, предотвращающие движение дислокаций. Таким образом эвтектические сплавы при высоких температурах выгодно отличаются от поликристаллов и монокристаллов (рис. 3).

Рис. 3. Сравнительная характеристики поликристалла, монокристалла и композита, выращенного из расплава [5]

На рис. 4 показана типичная для двойной эвтектики микроструктура, называемая «Chinese Script». Данная структура состоит из трехмерной взаимопроникающей сетки двух фаз.

Рис. 4. Снимки со сканирующего электронного микроскопа: поперечные сечения стержней эвтектического состава -, выращенных при различных скоростях; (а) 25мм/ч, (б) 350мм/ч, (в) 750 мм/ч. Чёрная фаза - . [6]

На рис. 5 показаны три кривые зависимости прочности ни изгиб от температуры испытания. Видно, что эвтектика с более тонкой микроструктурой имеет большую прочность, однако значительно проигрывает в стабильности более крупным структурам. Это связано с тем, что, имея сильные межфазные границы, более мелкая структура является более прочной. Однако, Такая структура сильнее подвержена укрупнению при высоких температурах. Таким образом необходимо находить баланс между прочностью и устойчивостью микроструктуры.

Рис. 5. Зависимости прочности на изгиб от температуры для эвтектик состава , выращенных при различных скоростях. [6]

Цели работы

1) Получение профилированных эвтектических композиций методом направленной кристаллизацией из расплава.

2) Исследование зависимости микроструктуры полученных эвтектик от условий роста

3) Исследование механических свойств полученных эвтектических сплавов.

2. Экспериментальная часть

2.1 Подготовка шихты

Использованные материалы перечислены в таблице 1. Для удаления воды из порошков проводился отжиг длительностью 1,5-2 ч при температуре 150. Эвтектический состав был взят из статьи [7]. Смешение порошков осуществлялось в весовом соотношении. Далее смесь оксидов прессовалась давлением ~1 Мпа в таблетки массой по 12 г и диаметром 20 мм.

Таблица 1. Исходные материалы и эвтектический состав

Весовое соотношение m считалось по формуле (1):

(1)

степанов эвтектика оксидный

2.2 Оборудование для выращивания

Выращивание профилированных эвтектик состава проводилось на ростовой установке высокочастотного (22 кГц) индукционного нагрева НИКА, снабженной датчиком веса и автоматизированной системой управления, позволяющей наряду с управлением формой, контролировать качество кристаллов на стадиях затравливания, стационарного роста и перехода от одного профиля к другому [8].

Тепловая зона включает в себя графитовый концентратор и молибденовую оснастку: тигель, формообразователь и систему экранов для создания необходимого температурного градиента в зоне кристаллизации. В качестве исходного материала использовались прессованные таблетки смеси оксидов и . Выращивание проводилось в защитной атмосфере аргона (ОСЧ) под абсолютным давлением 1.1-1.3 атм. Скорость вытягивания варьировалась в диапазоне от 30 до 250 мм/час.

2.3 Выращивание оксидной эвтектики методом Степанова (EFG)

Для получения оксидной эвтектики использовался метод Степанова (EFG), который позволяет выращивать профилированные кристаллы. Принцип метода Степанова состоит в следующем: расплав подается из тигля через капиллярные каналы на рабочую поверхность формообразователя, в котором реализуется зацепление мениска за рабочие кромки формообразователя (см рис. 6). Поперечное сечение кристалла задается геометрией торцевой поверхности формообразователя [9]. В качестве затравки использовался сапфир с ориентацией <0001>.

Рис. 6. Схема роста монолитного образца методом Степанова. (1) выращиваемый образец, (2) затравка, (3) расплав, (4) формообразователь [9].

На рис. 7 представлены полученные Методом Степанова профилированные эвтектики с различной геометрией: полая труба, стержень и волокно.

Рис. 7. Профилированные эвтектики состава , выращенные методом Степанова: (а)-труба, (б)-стержень, (в)-волокно.

После выращивания оксидная эвтектика отжигалась на установке УПО с резистивным нагревом в вакууме при температуре 1850C для снятия термоупругих напряжений. После отжига проводилась механическая обработка полученных заготовок (резка, шлифовка, полировка).

2.4 Получение и анализ изображений микроструктуры

В качестве образцов использовались отполированные поперечные сечения выращенных стержней. Снимки были получены на сканирующем электронном микроскопе (модель Vega 2 XMU). На Рис. 8. изображены фотографии микроструктуры, называемой Chinese Script. Эта структура состоит из трехмерной взаимопроникающей сети двух фаз: и

Рис. 8. Снимки со сканирующего электронного микроскопа: поперечные сечения стержней эвтектического состава - , выращенных при различных скоростях; (а) 30мм/ч, (б) 90мм/ч, (в) 150 мм/ч, (г) 250мм/ч. Чёрная фаза - .

Эвтектические соединения с различной микроструктурой могут быть получены изменением условий роста. В частности скорость роста влияет на тип микроструктуры и на характерный размер фазы. Если диффузионное расстояние в расплаве меньше размера фазы, то зависимость размера фазы от скорости роста соответствует модели кристаллизации Ханта-Джексона:

, (2)

где - константа, которая зависит от фазовой диаграммы и коэффициента диффузии ионов в расплаве. Размер фазы определялся методом случайных секущих. Суть метода состоит в измерении длин хорд, образовавшихся в результате пересечения границ фаз секущими. По полученной совокупности замеров судят о величине характерного размера фазы . Результаты измерения для семи образцов представлены в таблице 2.

- скорость роста;

- размер фазы;

СКО - среднеквадратическое отклонение;

- коэффициент Стьюдента;

- абсолютная погрешность

- относительная погрешность

Таблица 2. Результаты измерений

За истинное значение было принято наиболее вероятное. Погрешность считалась по формулам (3) и (4) как произведение среднеквадратичного отклонения на коэффициент Стьюдента:

(3)

, (4)

Коэффициент Стьюдента брался для доверительной вероятности =0,95% и количества измерений (пересечений границ фаз секущими) =10002500.

На рис. 9 изображена прямая зависимости от , построенная по экспериментальным точкам.

Рис. 9. Прямая зависимости от

Линеаризованной зависимости . соответствует костанта a=4,65 . Находим константу для уравнения (2): , С=21,71,3

2.5 Проведение механических испытаний

Измерения прочности на трёхточечный изгиб проводились при комнатной температуре на установке «Instron 1195». Скорость нагружения образцов =0,1 мм/мин. Испытуемые образцы были выращены на скорости =130мм/ч. На рис. 10 изображен график нагрузки как функции деформации одного из пяти исследуемых образцов.

Рис. 10. Кривая нагрузка-деформация при испытаниях на изгиб.

Из рис. 10 видно, что зона пластичности отсутствует, существует только зона упругости, за которой сразу наступает разрушение образца, что говорит о хрупком характере разрушения, а также о хрупкости материала. Испытаниям подверглись пять образцов. Геометрические параметры и результаты представлены в таблице 3.

- нагрузка;

- расстояние между опорами;

- диаметр испытуемого стержня;

- предел прочности на изгиб;

- относительная погрешность ;

Таблица 3. Результаты измерений

Первоначально величина нагрузки была получена в относительных единицах, затем переведена в килограммы умножением на максимальное значение шкалы, равное 200кг. Килограммы были переведены в Ньютоны умножением на ускорение свободного падения =9,8066 м/. Далее, используя формулу (5)

, (5)

были посчитаны пределы прочности для всех пяти образцов. За истинное значение было принято среднее. Погрешность считалась по формулам (3) и (4). Для доверительной вероятности =0.95% и количества испытаний N=5 коэффициент Стьюдента равен =2,776.

Выводы

Методом Степанова были получены профилированные эвтектические композиции в виде волокон стержней и трубок.

Исследована микроструктура полученных эвтектик в зависимости от скорости выращивания: размер фазы измерялся методом секущих. Полученная зависимость размера фазы от скорости роста согласуется с моделью кристаллизации Хант-Джексона (2), однако наблюдались небольшие отклонения от линейности в зоне низкий скоростей (рис. 9). Данное явление может свидетельствовать о наличии неоднородностей в микроструктуре и требует дополнительных исследований.

Были также проведены механические испытания, в ходе которых был получен предел прочности на изгиб 722105 Мпа.

Все результаты почти полностью согласуются с результатами в области оксидных эвтектик, полученными другими исследователями [6].

Литература

1. LLorca J, Orera VM. Directionally-solidified eutectic ceramic oxides.

2. Waku Y, Nagakawa N, Wakamoto T. High-temperature strength and thermal stability of a unidirectionally solidified eutectic composite.

3. Haijun Sua, Jun Zhang, Yangfang Deng. Directional Solidification and Characterization of Eutectic In Situ Composite by Laser Zone Remelting.

4. Yoshikawa, K. Hasegawa, J.H. Lee. Phase identification of and (RE = Sm-Lu, Y eutectics )

5. Yoshiharu Waku. Unidirectionally Solidified Eutectic Ceramic Composites for Ultra-High Efficiency Gas Turbine Systems.

6. M.C. Mesa, P.B. Oliete, V.M. Orera. Microstructure and mechanical properties of eutectic rods grown by the laser-heated floating zone method

7. P. Wu, A.D. Petron, J. Alloys Compounds 179 (1992) 259.

8. Kurlov V.N., Rossolenko S.N. Growth of shaped sapphire crystals using automated weight control

9. Курлов В. Н. Диссертация: Новые пути управления формой и свойствами профилированных кристаллов сапфира в процессе их выращивания.

Размещено на Allbest.ru