Прочностные свойства графитов при TMO и ТМХО » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Прочностные свойства графитов при TMO и ТМХО

25.06.2021

Термомеханическая обработка


Процесс твердофазного спекания в порошковой металлургии складывается из трех этапов:

- первый этап связан со взаимным перемещением частиц и образованием поверхности контакта; упрочнение протекает со значительными скоростями. Основной его механизм — адгезия;

- второй этап характеризуется более медленным упрочнением, основной механизм — движение дислокаций;

- третий этап с очень медленным увеличением прочности. Процесс упрочнения может быть вызван объемной диффузией или в результате действия механизма испарение — конденсация.

Представляет большой интерес выяснить, подчиняется ли формирование прочности коксовых частиц при TMO тем же закономерностям, что и при спекании металлических порошков. Прежде всего следует отметить, что получение монолитных образцов указанным способом служит достаточным доказательством факта спекания. Величина предела прочности на изгиб при низких температурах мала, но с ее повышением происходит заметное увеличение прочности (рис. 8.23, а).

Ответ на вопрос о возможном механизме упрочнения, очевидно, можно получить при анализе изменения предела прочности на изгиб от времени изотермической выдержки (рис. 8.23, б, в). Следует отметить значительный разброс экспериментальных точек на кривых зависимости прочности от времени выдержки при 2400 и 2600 °С, что, вероятно, объясняется релаксацией напряжений, возникающих в образце, благодаря малой пластичности углеродного материала при этих температурах. Однако по характеру расположения экспериментальных точек можно заметить, что время выдержки не сказывается на изменении прочности. Следовательно, при этих температурах имеет место только адгезионный механизм упрочнения. Диффузионный механизм спекания и спекание по механизму испарение — конденсация, которые характерны для третьего этапа, маловероятны ввиду малых значений коэффициента самодиффузии углерода (~10d-13 см2/с) и парциального давления его паров (0,1 мПа). В литературе известно большое количество работ по прессованию при комнатной температуре порошков естественных графитов, где отмечается отсутствие влияния времени выдержки на прочность получаемого материала и адгезионный характер механизма спекания.

При высоких температурах процесса TMO (2800 °С) изотермическая выдержка заметно сказывается на увеличении прочности (см. рис. 8.23, б). Следовательно, это явление нельзя объяснить только адгезионным процессом. При высоких температурах резко возрастает давление паров углерода в газовой фазе, поэтому становится возможным упрочнение по механизму испарение — конденсация.

Диффузионный механизм вследствие малых значений коэффициента диффузии (-10-18 см2/с) и кратковременности протекания процесса не может быть принят во внимание.

Термомеханическая обработка


Присутствие карбида циркония в графитах TMXO приводит к существенному увеличению прочности, которая находится в сложной зависимости от концентрации. Влияние количества карбида циркония на прочность материала исследовали до (2400 °С) и после (2600 °С) кардинального изменения макроструктуры.

При температуре процесса TMXO 2400 С прочность на изгиб растет прямо пропорционально концентрации карбида циркония (рис. 8.24, а). Однако при 2800 °С прямо пропорциональная зависимость сохраняется только до концентрации карбида циркония 10 мас. %. С увеличением концентрации повышение прочности на изгиб протекает медленнее и полностью прекращается при концентрации карбида циркония 15 мас. %. Это количество карбида циркония считается оптимальным для получения материалов с максимальной прочностью. Следует отметить, что такое же количество карбида циркония было принято оптимальным при исследовании изменения макроструктуры.

Повышение давления прессования до 30 МПа приводит к возрастанию прочности материала на изгиб. При дальнейшем повышении давления прочность на изгиб не увеличивается (рис. 8.24, б).

Дальнейшие исследования проводили при оптимальном содержании карбида циркония 15 мас. % и оптимальном давлении 30 МПа.

Влияние карбида циркония на увеличение прочности материала проявляется во всем диапазоне исследуемых температур процесса TMXO (рис. 8.25). Прочность повышается равномерно при изменении температуры с 1800 до 2400 °C. Резкое увеличение прочности (примерно в 4 раза) наблюдается при 2600 °C. Как уже отмечалось выше, при этой температуре замечено резкое изменение макроструктуры материала.

Время изотермической выдержки существенно сказывается на увеличении прочности графитов TMXO в интервале температур процесса 1800— 2400 °C (рис. 8.26). Выдержка при этих температурах в течение 1 ч приводит к повышению прочности материала почти в 2 раза.

При температурах процесса 2600 и 2800 °C влияние времени изотермической выдержки на прочность менее заметно. Так, выдержка 1 ч при 2800 °С повышает прочность материала на изгиб всего на 10 %.

Анализ приведенных результатов показывает, что прочность графитов TMXO почти в 4 раза выше прочности графитов TM О. Влияние карбида циркония на прочность графитов TMXO значительно и сказывается во всем диапазоне исследуемых температур процесса. При 2600 °C наблюдается резкое, скачкообразное повышение прочности. Можно выделить два этапа в формировании прочности этих графитов: низкотемпературный (до 2400 °С), на котором сказывается влияние времени выдержки, и высокотемпературный (свыше 2600 °С), где влияние выдержки мало заметно.

Рассмотренные результаты исследований позволяют сделать вывод о существенном различии характера изменения свойств искусственных графитов в процессе TMO и ТМХО. Так, деформация углеродного материала в процессе TMXO значительно выше, чем при ТМО. Соответственно и плотность по углероду графитов TMXO значительно превышает плотность графитов ТМО. В интервале температур процесса TMXO 2400—2600 °С наблюдается скачкообразное увеличение относительной деформации. Сравнение величин энергий активации процесса пластической деформации при TMO и TMXO позволяет предположить различный механизм явления.

Характер изменения микроструктуры графитов в процессах TMO и TMXO также различен. Если при TMO зеренная структура сохраняется даже при высоких температурах процесса, несмотря на значительную деформацию частиц, то в процессе TMXO при 2600 °С происходит диспергирование исходных коксовых зерен на отдельные структурные элементы.

Деформация углеродного материала в процессах TMO и TMXO приводит к существенному изменению пористой структуры: уменьшаются объем пор, их радиус, удельная поверхность. В процессе TMXO все эти изменения протекают интенсивнее. В интервале 2400—2600 °С замечено резкое изменение пористой структуры материала при ТМХО: уменьшается объем пор, их размер и увеличивается удельная поверхность, что можно объяснить диспергированием исходных частиц.

Влияние карбида циркония на повышение прочности графитов TMXO сказывается во всем диапазоне исследуемых температур. Особенно быстрое повышение прочности наблюдается при 2600 °С.

Изменения, происходящие с макроструктурой в процессах TMO и ТМХО, непосредственно сказываются и на формировании кристаллической решетки графитов. С повышением температуры процессов уменьшается межслоевое расстояние, и увеличение размеров кристаллитов происходит намного быстрее, чем при термической обработке. В присутствии карбида циркония эти изменения протекают еще интенсивнее.

В интервале температур процесса ТМХО 2400—2600 °С резко изменяется ряд свойств, непосредственно связанных с совершенством кристаллической решетки графита. Замечено скачкообразное повышение теплопроводности, коэффициента Холла и уменьшение диамагнитной восприимчивости.

Таким образом, сравнительный анализ результатов исследования показывает, что влияние карбида циркония на формирование свойств графитов ТМХО проявляется во всем диапазоне исследуемых температур процесса. Причем наиболее резко это влияние сказывается при температуре процесса ТМХО 2600 °С. При этой температуре и выше в основном формируются свойства графитов ТМХО, которые так выгодно отличают их от графитов ТМО. Подобные явления, сопровождающиеся резким изменением свойств, имеют место при горячем прессовании порошковых металлокерамических композиций в присутствии жидкой фазы, реагирующей с твердыми фазами. В этом случае жидкая фаза является активатором диффузионных процессов, приводящих к спеканию дисперсных составляющих сверхвысокотемпературных композиционных материалов.

Судя по диаграмме состояния цирконий — углерод, возможность появления при высоких температурах процесса ТМХО насыщенного углеродом расплава Me + С (эвтектика ZrC + С) вполне вероятна, что подтверждается результатами проведенных исследований.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: