Ползучесть углеродных материалов при TMO » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Ползучесть углеродных материалов при TMO

25.06.2021

Пластическая деформация - основа процесса ТМО, связана с явлением ползучести углеродных материалов под действием температуры и внешних нагрузок. Физический смысл механизма ползучести нельзя однозначно описать прежде всего вследствие отсутствия четких представлений о строении поликристаллических графитов. Существует мнение, что поликристаллические графиты можно отнести к так называемым «кристаллическим» полимерам. Кристаллические полимеры состоят из чередующихся кристаллических и аморфных областей с отдельными полимерными цепочками, проникающими через следующие друг за другом кристаллические области (кристаллиты) и аморфные области. В некоторых случаях кристаллиты ориентированы вдоль определенных направлений и плоскостей; в других случаях ориентация кристаллитов случайна. Такое представление определяет существование кристаллических и полимерных областей, что должно отразиться и на свойствах поликристаллических графитов. Однако данные рентгеноструктурного анализа, а также свойства графитов говорят о том, что количество несовершенной составляющей незначительно.

Для более совершенных кристаллических полимеров Г. Линдерманом отмечено, что края соседних кристаллитов могут соединяться, чтобы «сцепиться» вместе вторичными валентными силами той же природы, что и силы, удерживающие вместе цепочки в параллельных узлах (кристаллитах).

Подобная природа графита описывается С. Мрозовским: «Полимерная структура поликристаллического графита обязана большому числу свободных валентностей углерода, имеющихся на краях кристаллических плоскостей. Многие из кристаллических плоскостей связываются с другими плоскостями или прямо по краям микрокристаллитов, или косвенно через промежуточные атомы углерода, входящие в состав межкристаллической неупорядоченной фазы. Эти атомы углерода связаны или связями тетраэдрического характера, или отдельными двойными связями. Углеродное тело представляет собой, по существу, пространственную сетку из кристаллитов, жестко скрепленных сложной системой пересекающихся валентных связей, которые стабилизируют структуру на такое расстояние, что параллельные перемещения плоскостей в кристаллитах могут происходить только под действием сил, способных разорвать краевые С—С-связи. Валентные связи, однажды разрушенные, вновь не восстанавливаются, если температура недостаточно высока для того, чтобы краевые атомы углерода могли бы мигрировать в новое положение, совместимое с направленными свойствами валентностей углерода и новыми относительными положениями кристаллических границ».

Отсутствие четких представлений о структуре поликристаллического графита накладывает отпечаток и на объяснение механизма ползучести. Подавляющее большинство исследований охватывало только начальный участок зависимости деформация — время, т. е. область неустановившейся ползучести и часть следующей за ней области с более или менее постоянной скоростью ползучести. Однако уже имеющиеся сведения о ползучести графита позволяют судить о сложности процесса и невозможности его однозначного объяснения (например, диффузионным механизмом).

Так, М. Кантер и Т. Дорн высказываются за диффузионный механизм процесса ползучести поликристаллического графита, указывают величину энергии активации — 715 кДж/моль, соизмеримой с энергией активации самодиффузии углерода в графите.

По мнению С. Mрозовского и Л. Грина, механизм ползучести графита включает в себя разрыв периферийных связей C-C и скольжение кристаллитов друг относительно друга с восстановлением этих связей при новом положении кристаллитов. Величина энергии активации ползучести (420 кДж/моль), подсчитанная Г. Мартенсом, близка к энергии связи C-C (360 кДж/моль).

Г. Мартенс, изучая ползучесть графита при растяжении, пришел к выводу о существовании процессов двух видов, энергия активации которых равна 420 и 840 кДж/моль. Изучение ползучести металлов показало, что при температурах, составляющих больше половины температуры плавления, энергия активации ползучести равна энергии самодиффузии. Энергия самодиффузии углерода в графите, определенная М. Кантером, равна 585 кДж/моль, что подтверждает вероятность существования диффузионного механизма ползучести, присущего металлам.

Такое предположение подтверждается и тем, что ползучесть графита чувствительна к предварительной деформации, и ползучесть и самодиффузия в графите начинают проявляться с температурой 2000—2200 °С.

Совсем низкие значения энергии активации получены Давидсоном и Лости при изучении ползучести при кручении графита в области микродеформации (84 кДж/моль). Низкое значение энергии активации показывает, что в области небольших деформаций ползучесть зависит от процессов, связанных не с самодиффузией углерода, а, например, со скольжением дислокаций.

Дислокационный механизм ползучести графита широко освещен в работах, авторы которых экспериментальными методами и расчетом показывают существенную роль дислокационной ползучести графита при его пластических деформациях. При исследовании ползучести монокристаллов графита методом электронной микроскопии доказано, что последние деформируются благодаря движению дислокаций, которые расположены и перемешаются в результате скольжения в базисной плоскости без разрыва сильных углеродных связей в этих плоскостях, а только с нарушением связей между плоскостями. Предпочтительное перемещение винтовых дислокаций определяется меньшими, чем для перемещения краевых дислокаций, требуемыми напряжениями. По данным работы, напряжения, необходимые для перемещения краевых дислокаций, в 10в6 раз превышают таковые для винтовых дислокаций.

Переползание краевых дислокаций также имеет место, но при температурах, достаточных для процессов активной самодиффузии углерода. Эта температура должна быть, очевидно, выше 2000 °С. Причем направление переползания краевых дислокаций будет определяться напряжениями, возникающими со стороны винтовых дислокаций. Отсюда следует, что процесс дислокационной ползучести совместно с процессом вакансионной диффузии, источниками которой служат движущиеся краевые дислокации, уменьшает дезориентировку блоков (кристаллитом) в их смежных границах.

Следует отметить, что во всех работах, связанных с ползучестью графита, не принимается во внимание явление его сублимации (источник вакансий), что, естественно, существенно влияет на характер высокотемпературной ползучести. Только в некоторых работах С. Мрозовского отмечается возможность влияния сублимации на ползучесть графита.

Подводя итоги сказанному выше, необходимо отметить следующее. Наиболее подходящей моделью поликристаллического графита, с нашей точки зрения, можно считать модель С. Мрозовского и Л. Грина, позволяющую объяснить многие свойства поликристаллического графита, а также с достаточной приближенностью представить механизм высокотемпературной ползучести. Несмотря на существование между кристаллитами пересекающихся валентных связей, стабилизирующих структуру в жесткую систему, нельзя отрицать возможность движения дислокаций внутри кристаллитов. Это приводит к выходу дислокаций из центра кристаллитов на края, что сказывается на жесткости связей C-C между кристаллитами и возможности пластической деформации под действием внешних нагрузок.

Движением дислокаций можно объяснить ползучесть графита в области температур 1800—2000 °C и относительно низкую величину ее энергии активации. В области температур до 2500 °C вполне приемлемо объяснение ползучести поликристаллического графита, сделанное С. Мрозовским и Л. Грином. Они объясняют механизм ползучести разрывом периферийных связей C-C и скольжением кристаллитов друг относительно друга. Мартенс объясняет разрыв связей C-C диффузией углерода по границам кристаллитов.

Высокотемпературная область (2500—3000 °С) ползучести поликристаллического графита, объясняемая большинством авторов самодиффузией углерода в графите, во многом зависит от явления сублимации графита. Тем более что энергия активации процесса ползучести для этих температур, находящаяся, по Мартенсу, в пределах 720—1230 кДж/моль, соизмерима с теплотой сублимации графита 715 кДж/моль. Очевидно, сублимация источник вакансий в кристаллитах, т. е. первопричина вакансионной диффузии, а следовательно, и диффузионного механизма ползучести при высоких температурах.

Данных о высокотемпературной ползучести и связанной с ней пластической деформации графита применительно к процессам ТМО, а также сведений, относящихся непосредственно к влиянию карбидообразующих элементов на ползучесть и пластическую деформацию углеродных материалов, в литературе нет.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: