Влияние пористости на свойства спеченных тел

Материалы, изготовленные методами порошковой металлургии, в большинстве случаев содержат то или иное количество пор. Наличие пористости обусловливает отличие свойств металлокерамических тел от свойств литых тел того же состава. Однако величина пористости сама по себе для многих свойств не является еще единственным фактором, влияющим на свойства. В данном разделе мы опишем влияние пористости на свойства, кратко характеризуя влияние и остальных факторов, поскольку частично это излагалось ранее.

Свойства типа проводимости и аддитивные свойства. К свойствам типа проводимости относится электропроводность, теплопроводность, магнитная и диэлектрическая проницаемость. Для этих свойств теория влияния пористости развита наиболее полно.

Явления протекания тепла и электрического тока при стационарном режиме, а также явления поляризации и магнитной индукции описываются совершенно аналогично, поэтому можно оперировать обобщенной проводимостью системы, под которой в каждом отдельном случае понимается определенная конкретная проводимость.

В.И. Оделевский дал расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем. Для матричных систем (одна фаза образует непрерывносвязанную матрицу, вторая фаза представляет изолированные включения) обобщенная проводимость X имела вид

где Л1 и Л2 — проводимости фаз; 02 — объемная доля включений. Это соотношение может использоваться для вычисления проводимости пропитанных двухфазных сплавов. Если в этой формуле Л2=0 (т. е. приняв включения за пустоту), то для проводимости пористых тел с изолированными, несоединяющимися порами формула будет иметь вид

где Лк — проводимость беспористого материала.

Для статистических смесей (хаотическое распределение неизолированных включений) с произвольным числом фаз В.И. Оделевский получил следующее соотношение:

где Лi и 0i — соответственно проводимость и объемное содержание i-ой фазы.

Для пористого тела соотношение (IV.35a) преобразуется в формулу

Л.Д. Ландау и Е.М. Лившиц показали, что если проводимости компонентов смеси не слишком отличаются друг от друга, то проводимость смеси может быть представлена в виде

Как показали эксперименты, эта формула применима и для расчетов проводимости пористых тел, т. е. для случая, когда проводимости фаз отличаются.

Соотношения (IV.34—IV.36) в целом удовлетворительно подтверждаются экспериментальными данными по измерению электропроводности, теплопроводности и диэлектрической проницаемости пористых и вообще двухфазных тел. Однако наиболее употребимая в практике порошковой металлургии формула (IV.35б) действительна лишь до пористостей примерно 66%, при большем содержании пор пользоваться ею нельзя, ибо рассчитанные значения Л обращаются в нуль или имеют отрицательные значения. В.В. Скороход предложил более универсальную зависимость проводимости от содержания непроводника в смеси с проводником. Численные значения функции Лсм/Лк = f(0) приведены в табл. 52.

На рис. 199 показана зависимость относительной электропроводности спеченных брикетов железа и меди от количества пор. Прямая 1 соответствует формуле (IV.35б). Хорошее совпадение экспериментальных и рассчитанных по методу результатов очевидно. Таким образом, зная проводимость пористого образца, можно оценивать проводимость беспористого тела.

Соотношения, предложенные в работах, действительны для случая отсутствия существенных контактных явлений в смесях, т. е. применимы для тел, у которых размеры межчастичных контактов соизмеримы с величиной частиц. Опыты показывают, что, например, для брикетов меди, спеченных при температуре 700°. контактные явления отсутствуют; электропроводность таких брикетов зависит только от пористости, и другие факторы не оказывают на нее влияния. Метод оценки проводимости дисперсных смесей с несовершенными межчастичными контактами описывался нами ранее. Как уже отмечалось, этот метод использовался для оценки межчастичных контактов типа Cu—Mo в двухфазных системах.

На проницаемость (магнитную и диэлектрическую) существенно влияет форма пор. Польдер и Ван Сантен вычислили диэлектрическую проницаемость смесей в зависимости от формы частиц, которая принималась сферической, эллиптической, иглообразной и дискообразной. Различие в свойствах, связанное с возникновением деполяризующего поля в несферических частицах, особенно резко проявляется в материалах с высокой диэлектрической постоянной.

В работе указывается, что все выводы относительно диэлектрической проницаемости применимы и к магнитной проницаемости (имеется в виду начальная магнитная проницаемость). Наши опыты, а также опыты Стейнитца показали, что максимальная магнитная проницаемость существенно зависит от формы пор. Чем ближе форма пор к сферической, тем меньше размагничивающее влияние выступов и впадин на поверхности частиц, тем больше максимальная магнитная проницаемость при неизменной величине пористости. Помимо этого, umax определяется содержанием примесей, величиной зерен и наклепом.

На рис. 200, по данным О.А. Чеховой, показано влияние пористости на максимальную магнитную проницаемость образцов железа, изготовленных из различных порошков и спеченных в различных условиях. Как показывают эти результаты, при одинаковой пористости umax в зависимости от условий спекания и характеристик порошков может отличаться почти в два раза.

Аддитивные свойства — теплоемкость, магнитное насыщение — могут быть подсчитаны по следующей формуле:

где BS — магнитное насыщение или другое аддитивное свойство смеси; BSi и 0i — свойство и содержание i-ой составляющей смеси. Для пористого тела

здесь ВSк — магнитное насыщение беспористого тела; т — относительная плотность.

Исследования магнитных свойств спеченного никеля показали, что намагниченность образцов при комнатной температуре не зависит от температуры спекания и зависит только от пористости. Величина индукции образцов в полях, меньших, чем насыщающее, зависит от плотности также по линейному закону, но влияние формы пор и температуры спекания сказывается на разбросе результатов. Аналогично меняется и остаточная индукция (Br). Вообще форма петли гистерезиса и ее параметры, кроме индукции насыщения, зависят не только от пористости, но и от условий спекания, определяющих форму пор, содержание примесей, величину зерен.

Коэрцитивная сила. Теория коэрцитивной силы металлов и сплавов в настоящее время развита не в такой степени, чтобы от нее можно было ожидать количественного совпадения между расчетными и экспериментальными результатами. Тем не менее качественно многие экспериментально наблюдаемые явления могут быть объяснены. Коэрцитивная сила определяется значением поля, при котором индукция в образце равна нулю. Процесс размагничивания зависит от движения междоменной границы (стенки). Наличие в образце градиентов напряжений, инородных включений и пор препятствует движению стенки и способствует увеличению коэрцитивной силы. На величину последней влияет также не только общее количество включений, но и их форма. Согласно теории для магнитно-мягких материалов коэрцитивная сила, по крайней мере в небольшом интервале зависит линейно от пористости, что, действительно, наблюдается на практике. Использование более высоких температур спекания, режимов активированного спекания, применение более чистых и тонкодисперсных порошков способствует понижению коэрцитивной силы при неизменной пористости.

Для магнитно-твердых спеченных материалов типа альни наличие пористости не сказывается на величине коэрцитивной силы. В таких материалах основным фактором, определяющим величину коэрцитивной силы, является наличие мелкодисперсных выделений в результате старения.

Механические свойства. Эти характеристики явились предметом многочисленных преимущественно экспериментальных исследований. Механические свойства в большинстве своем чувствительны к форме пор, что связано с влиянием надрезов, ослабляющих прочность и особенно снижающих пластичность. Поэтому, используя высокие температуры спекания, режимы активированного спекания, применяя мелкодисперсные порошки, можно существенно за счет сглаживания рельефа пор, более дисперсного и равномерного их распределения повысить прочность и особенно пластичность и вязкость при той же пористости образцов. Твердость и модуль упругости зависят в основном только от плотности образцов.

Зависимости прочности, пластичности, вязкости от пористости в широком интервале изменения последней имеют нелинейный характер. На рис. 201 показано влияние пористости и температуры спекания на предел прочности при растяжении и относительное удлинение до разрыва образцов из восстановленного железа.

Увеличение температуры спекания от 1000 до 1300° приводит к улучшению свойств за счет создания пор, более совершенных по форме. Это отмечалось также для брикетов меди в работе.

Аналогичный характер изменения свойств наблюдается и для других видов железного порошка (вихревого, электролитического, восстановленного твердым углеродом). Однако для различных сортов порошка наклон кривых зависимости прочности от плотности может быть неодинаков (рис. 202).

Характерно, что применение более грубозернистых порошков приводит к снижению характеристик прочности и пластичности, однако при пористости менее 10% эта разница постепенно нивелируется. Влияние величины частиц на прочность и пластичность спеченных тел можно объяснить различной формой пор и величиной контактов. При использовании мелких порошков зарастание впадин между частицами и округление фор. мы пор, как уже отмечалось ранее, происходит гораздо интенсивнее. Зависимость предела прочности при растяжении от величины частиц порошковой меди, по данным Б.Я. Пинеса и сотрудников, показана на рис. 203.

Влияние пористости на предел прочности при срезе примерно аналогично, только чувствительность прочности на срез к форме пор и соответственно к условиям спекания и к характеристикам порошков несколько меньше.

Для сферических частиц влияние величины частиц на механические свойства существеннее, чем для несферических порошков, что связано с особенностями укладки частиц при прессовании. Так, опыты, проведенные в ИМСС, показали, что прочность на срез никелевых фильтров, изготовленных из сферических порошков размером около 50 мк почти вдвое больше прочности на срез для образцов, спеченных в тех же условиях из порошков размером около 100 мк.

Особенностью испытаний пористых тел на сжатие является то, что в процессе испытания спеченное тело увеличивает свою плотность за счет приложенного давления и соответственно упрочняется. Поэтому предел прочности на растяжение для пористых тел всегда меньше предела прочности на сжатие. Опыты, проведенные в ИМСС, показали, что влияние характеристик порошка и условий спекания сказываются на прочности на сжатие в очень малой степени. Зависимость прочности на сжатие от пористости имеет линейный характер.

Наиболее чувствительна к форме пор ударная вязкость. Для спеченных тел с пористостью 15—20% ударная вязкость обычно очень мала, она в несколько раз меньше вязкости литого беспористого материала. По данным Эдье, в случае применения активированного спекания железа в засыпках с галоидными солями ударную вязкость можно повысить при той же пористости в 6—7 раз.

Различная чувствительность свойств к форме пор определяет характер их зависимости от плотности. Если воспользоваться схемой Хюттига, то можно представить зависимость относительных свойств (в — отношение свойства пористого материала к свойству беспористого металла) от относительной плотности так, как на рис. 204. Для аддитивных свойств (или как их называет Хюттиг скалярных) эта зависимость определяется прямой OA (в = т); для электропроводности, модуля упругости рост в с увеличением т происходит примерно с коэффициентом, равным 1,5, — кривая OA (рис. 204). Для прочности, пластичности, магнитной проницаемости, ударной вязкости, т. е. свойств, существенно зависящих от формы пор, увеличение плотности приводит к более интенсивному росту в(в - 1,7—3 т). Увеличение плотности сопровождается не только ростом межчастичных контактов, уменьшением количества непроводящей фазы, но и уменьшением поверхности пор, которые являются зародышами трещин или местами возникновения размагничивающих потоков. Примерная область нахождения 0,2 кривых о, b, ак, u = f(t) заштрихована на графике.

Попытки теоретического истолкования зависимости прочности от пористости были предприняты в работах. М.Ю. Бальшин предложил следующую зависимость:

где m = 3—6; ак — предел прочности компактного металла; т — относительная плотность. Величина m зависит от условий изготовления; для технологии, обеспечивающей максимальные свойства для данной пористости, m = 3.

В небольшом интервале изменения пористости прочность снижается с уменьшением плотности по линейному закону. Из геометрических соображений с учетом уменьшения прочности за счет ослабления сечения Б.Я. Пинес и Н.И. Сухинин предложили формулу

где s — коэффициент ослабления, который был определен из экспериментальных данных и оказался равным примерно. Для образцов меди, спеченных при температуре 1000°, зависимость прочности от пористости определяется по формуле

Выражения (IV.37) и (IV.38) имеют полуэмпирический характер, и вычисление прочности и вообще механических свойств спеченных тел в зависимости от пористости остается пока нерешенной проблемой.

Влияние пористости на механические свойства многокомпонентных металлокерамических сплавов (Cu—Ni, Cu—Fe, Cr—Mo, W—Ni и др.) изучалось в работах Б.Я. Пинеса и сотрудников. При одинаковой пористости более прочными оказывались, как правило, легированные сплавы. В небольшом интервале пористостей зависимости a=f(0) имели линейный характер. При повышенных температурах испытания такой ход зависимости сохранялся. Заметим, что практикующаяся в работах линейная экстраполяция кривых o=f(0) на нулевую пористость не всегда правомерна и полученные таким образом значения ок могут быть заниженными.

Для многих металлокерамических объектов, отличающихся хрупкостью при комнатных температурах, повышение температуры испытаний приводит не к уменьшению прочности, а даже к некоторому повышению ее. Это связано с переходом при нагреве от хрупкого состояния к пластическому и появлением в результате этого ресурса пластичности. Длительная прочность при высоких температурах под влиянием пористости уменьшается довольно существенно. В данном случае наличие пор интенсифицирует диффузионный рост зародышевых трещин, приводящих к разрушению. Помимо этого, при испытаниях в окислительной среде наличие пор обусловливает окалинообразование и понижение прочности.

Для модуля упругости пористых тел Маккензи предложил выражение

где V — коэффициент Пуассона; А — некоторая эмпирическая константа, определяемая из экспериментальных данных. В большинстве случаев квадратичным членом выражения (IV.39) можно пренебречь. Экспериментальные исследования упругих свойств пористых тел в целом удовлетворительно подтвердили зависимость (IV. 39). В работе предложены более общие формулы для определения модуля упругости многофазных систем

где К — модуль всестороннего сжатия, a G — модуль сдвига, индекс i относится, как обычно, к свойствам фаз. Нормальный модуль упругости определяется по формуле

Зависимости (IV.40a) и (IV.40б) также применимы для пористых тел. На рис. 205 показана зависимость модуля упругости спеченного железа от пористости.

Точками нанесены экспериментальные данные, сплошная линия представляет результат расчета по выражениям (IV.40а) и (IV.40 б).

Беспористые многофазные системы. Методы порошковой металлургии позволяют получать многофазные сплавы и композиции, не содержащие пор. Чаще всего это удается путем пропитки или жидкофазного спекания.

Определение свойств типа проводимости и упругих констант в таких системах может проводиться путем использования зависимостей (IV.34)—(35.40). При этом нужно учитывать матричный или статистический характер смесей.

Механические свойства многофазных систем аналитическому расчету пока не поддаются. Для твердых сплавов, структура которых представлена карбидными зернами, окаймленными прослойками металла-связки (кобальта), прочностные свойства определяются размером карбидных зерен и свойствами кобальтовых прослоек. Как показано в работах, твердость вольфрамово-кобальтовых сплавов снижается с увеличением содержания кобальта, размера зерен и толщины прослоек кобальта. В то же время изменение прочности в зависимости от этих величин не монотонно, на всех кривых имеются максимумы прочности. По П.С. Креймеру, такой характер изменения прочности объясняется микропластичностью кобальтовых Прослоек. С уменьшением содержания кобальта или с уменьшением величины карбидных зерен уменьшается толщина прослоек кобальта, что приводит к возникновению в них напряженного состояния и росту прочности; но одновременно понижается и микропластичность прослоек, уменьшается способность к перераспределению напряжений. Поэтому при определенном содержании кобальта или размере зерен WC наблюдается максимум прочности (рис. 206).