Физические и механические свойства ниобия и тантала, применяемых в качестве матриц СВТКМ

Механические свойства ниобия и тантала в значительной степени зависят от количества примесей в этих металлах, основные из них, влияющие на механические свойства ниобия и тантала, — углерод, кислород, азот.

Чистота ниобия, получаемого методом порошковой металлургии, не ниже 99,95 %. Для тантала, получаемого методом порошковой металлургии, характерно содержание примесей в количестве 0,01 % С, 0,01 % О.

Для ниобия и тантала, полученных методами порошковой металлургии, не наблюдается значительного изменения модуля нормальной упругости в интервале температур 300—1000 °С. Численные значения модуля упругости ниобия в рассматриваемом интервале температур близки к 113—120 ГПа. Для тантала этот показатель при 1000 °С не превышает 185 ГПа.

Поскольку ниобий и тантал можно рассматривать в качестве основного компонента сверхвысокотемпературных композиционных материалом, представляет практический интерес рассмотрение влияния температуры на их механические свойства. Механические свойства ниобия и тантала, полученные в интервале температур 30—1370 °С, приведены в табл. 16.1—16.4 и на рис. 16.1—16.3.

Коэффициент термического расширении ниобия и тантала для интервала температур 1100—2470 К можно рассчитан, по уравнениям:

Приведенные на рис. 16.1 температурные зависимости модуля упругости ниобия и тантала свидетельствуют о линейной зависимости изменения этого параметра в интервале температур 100—900 °С. В этом интервале температур наклон зависимостей E — f(T) для ниобия и тантала практически одинаков. Пролонгация зависимостей ENb =Д7) и ETa = f(T) до 1830 °С при условии линейного характера изменения этого параметра в интервале 100—1830 °С позволяет получить значения модуля упругости при 1830 °C для ниобия = 80 ГПа и для тантала = 170 ГПа.

Кривые механических свойств ниобия в интервале температур 30—1000 °С, представленные на рис. 16.2, показывают, что максимумы прочностных свойств ниобия электронно-лучевой и дуговой плавки наблюдаются при температурах 300 °С. Дальнейшее повышение температуры сопровождается резким снижением прочности ов и предела текучести о. , ниобия. При этом характеристики пластичности ниобия изменяются мало.

Легирование ниобия титаном или цирконием сопровождается значительным повышением предела прочности и текучести. На рис. 16.3 представлены зависимости предела прочности и относительного удлинения сплавов на основе ниобия, содержащих 8 % Ti и 0,75 % Zr.

Анализ приведенных на рис. 16.2 и 16.3 результатов экспериментальных исследований показывает, что на исследуемые параметры существенное влияние оказывает температура отжига tотж холоднодеформированных сплавов ниобия. Повышение температуры отжига сопровождается уменьшением прочности холоднодеформированных сплавов ниобия (см. рис. 16.3). Тем не менее представленная информация позволяет оптимизировать параметры процессов обработки давлением и температуры отжигов деформированных сплавов системы Nb-Ti, Nb-Zr с целью получения максимальных значений эксплуатационных параметров этих сплавов.

Температурные зависимости механических свойств ниобия изучены также авторами работ. Согласно результатам исследований механические свойства ниобия существенно зависят от температуры (см. табл. 16.3), и при высоких температурах 1100—1370 °С ов равен 69—26 МПа соответственно. В работе показано, что предел прочности ниобия в интервале температур 1500—2000 °C снижается до постоянного значения ов = 17,7 МПа.

Легирование ниобия титаном, ванадием, вольфрамом несущественно влияет на предел прочности сложных ниобиевых сплавов в сравнении с не легированным ниобием (см. табл. 16.4).

Механические свойства тантала, полученного электронно-лучевой и дуговой плавкой, приведены на рис. 16.4. Анализ результатов этих исследований показывает, что температурная зависимость прочности и текучести тантала изменяется в значительных пределах; при высоких температурах (- 1000 °С) ов уменьшается до 140 МПа.

Длительная прочность нелегированного тантала в рекристаллизонанном состоянии также существенно меняется с повышением температуры. Aнализ результатов исследований, приведенных на рис. 16.5, показывает, что длительная прочность (о100) тантала при высоких температурах (к = 1400 °С) снижается до 30 МПа. Такой уровень длительной прочности тантала при высоких температурах позволяет рассматривать возможность его применения в качестве основного компонента сверхвысокотемпературных композиционных материалов, но при низких значениях статической нагрузки при температурах эксплуатации. Легирование тантала металлами из ряда Ti, Zr, Hf, V, Nb, Mo, Re, W сопровождается изменением прочности тантала, содержащего переменное количество легирующего элемента (рис. 16.6). Анализируя приведенные экспериментальные данные, можно сделать вывод, что наиболее эффективное влияние на прочность тантала оказывают гафний и ванадий и в меньшей степени титан и ниобий.

Именно поэтому полученные значения предела прочности легированного тантала позволяют рассматривать бинарные системы Ta-V, Ta-Hf в качестве основы сверхвысокотемпературных композиционных материалов, применяемых в области высоких и сверхвысоких температур.