Свойства металлов и современная металлургия

Свойства металлов и современная металлургия.

Почему в «жару» металлу плохо? Почему при пожаре обрушиваются многоэтажные здания? Ведь их стальной каркас в огне пожара не горит и даже не плавится.

Все объясняется тем, что железо, как мы уже знаем, при высокой температуре перекристаллизовывается в высокотемпературную гамма-фазу и, потеряв жесткость, легко изменяет форму даже под небольшой нагрузкой. В результате, каркас здания рушится под собственной тяжестью.

При температуре примерно на 300 с лишним градусов меньшей, чем его температура плавления, железо становится столь же мягким и пластичным, как свинец при комнатной. Только благодаря этому свойству железо и сталь можно ковать, штамповать и т. п., иными словами, обрабатывать различными способами пластической деформации. Но, становясь столь же пластичными, как свинец, железо снижает свой предел прочности более чем в 20 раз, подобными свойствами обладают многие низколегированные стали и чугуны, в частности чугун сч и другие.

Однако технике космического века остро необходимы материалы, длительно работающие под нагрузкой при высоких температурах. Для всего этого необходимы материалы, способные выдерживать высокие температуры при значительных нагрузках.Чем выше температура, тем труднее металлу противостоять нагрузкам. Но чем выше рабочая температура газовой турбины, тем мощнее двигатель при том же весе и тем меньше удельный расход топлива (то есть количество топлива, затрачиваемое на создание единицы мощности двигателя).

Лопатки турбин авиационных двигателей теперь уже способны работать при температуре, достигающей 1100°С. Материалам камеры сгорания необходимо сохранять свою прочность при температурах и выше 1100°С. А в двигателях новейших американских военных самолетов температура газа на входе газотурбинного двигателя достигает 1370°С. Не удивительно поэтому, что такие двигатели на 50—60% изготовлены из жаропрочных сплавов.

Ведется проектирование и намечается строительство газотурбинных установок с рабочей температурой до 1700°С. Дальнейший рост мощности сдерживается вовсе не возможностями горючего, а только способностью существующих материалов надежно и эффективно работать при еще более высоких температурах.

Как же создаются материалы, способные выдерживать столь высокие температуры? Чтобы разобраться в этом, необходимо уяснить, от чего зависит прочность металлов и сплавов при сильном нагревании.

Ясно, что никакой конструкционный материал не способен работать в расплавленном состоянии. Температура же плавления тем выше, чем прочнее связи ион-атомов в кристаллической решетке металла. Самая высокая температура плавления у вольфрама — 3380°С.

Чем выше температура, тем сильнее раскачивается кристаллическая решетка металла. Не удивительно, что под действием внешних нагрузок эта расшатанная решетка в конце концов разрушается, металлическое изделие выходит из строя. Причем цветные металлы менее стойки чем стальные сплавы, при том что цветные металлы в целом гораздо дороже. Мы уже знаем, что перекристаллизация металлов-«хамелеонов» тоже сильно снижает прочность задолго до температуры плавления.

Под действием нагрузок на границах зерен в любом нагретом металле постепенно накапливаются внутренние напряжения, которые и приводят в итоге к внезапному разрушению металлического изделия. Особенно сильно это проявляется у металлов, имеющих гексагональные кристаллические решетки. Дело, по-видимому, здесь в том, что при нагревании такие зерна расширяются в разных направлениях неодинаково: в одних — сильнее, в других — слабее. Причем разница эта может быть очень велика — до 4 раз!