Как на самом деле работают тугоплавкие сплавы?
Из обычной практики известно, что бывают сплавы или чистые металлы, которые плавятся при низких температурах, а бывают те, что плавятся при высоких или запредельных температурах. Например, ложка из галлия расплавится в стакане с теплой воды, а вольфрамовая нить в лампочке будет работать аж при 3500 градусов без особых проблем!
Из чистого металла хитрыми манипуляциями, которые материаловеды называют легированием, можно получить материал с более интересным и нужным в конкретном случае набором свойств.
Подобная ситуация и с тугоплавкостью.
Кстати, как вы думаете, есть ли различие между жаропрочностью, жаростойкостью и тугоплавкостью? :)
Как ни странно, это совершенно разные термины, хотя и похожие по звучанию.
Жаростойкость — это, если коротко, стойкость к окалине и способность не подвергаться коррозионному разрушению в условиях высоких температур
Жаропрочность — это способность сохранять высокую прочность при высоких температурах
Тугоплавкость — техническая возможность не плавиться при высоких температурах, но вероятно терять при этом некоторые механические свойства
Принцип достижения этих свойств схожий. Везде нужно работать со структурой металла. Понятно, что для этого прибегают к самым разным приемам и со структурой выполняются различные модификации. Например, внутри сплава формируются карбиды.
Карбиды вольфрама, которые по написанию напоминают английский сортир WC, оказываются в структуре и фактически затрудняют плавление. Но что именно происходит с физической точки зрения?
Давайте вспомним, в чём именно заключается процесс плавления? Это переход материала из одного агрегатного состояния в другое. А на уровне структуры это перестроение структуры атомов и увеличение расстояний между ними.
Агрегатные состояния
Для того, чтобы это произошло, нужно приложить энергию. Тепло, которое мы подводим к образцу, заставляет частицы внутри этого образцы увеличивать интенсивность своего теплового движения. В структуре сначала появляются вибрации, а потом она и вовсе начинает меняться, перестраиваться и даже, уместно будет отметить, разрушаться.
Красная стрелка — рост температуры при плавлении и ответная реакция структуры
Плавление нужно понимать в первую очередь как разрушение кристаллической структуры.
Кристаллическая решетка
Из всего этого логично следует, что интенсивность плавления зависит от того, насколько хорошо имеющаяся структура может противостоять подводимой энергии. Чем больше связей имеют частицы, образующие конструкцию материала, тем сложнее будет такую штуку разрушить.
Аналогия тут довольно простая. Представьте себе, что есть шарик, подвешенный в комнате на одной нити. Вы отрезаете одну нить и шарик падает. Теперь подвесим шарик за 10 нитей. Нужно отрезать все 10 нитей, чтобы шарик упал. Вот вам и роль связей. Это очень условно напоминает процесс построения самой обычной структуры материала. Там тоже есть связи. Тут стоит вспомнить варианты химической связи и в нашем случае — металлическую связь.
Дальше всё совсем просто.
Для того, чтобы материал мог хорошо сопротивляться воздействию высоких температур, нужно иметь максимальное количество связей, на разрушение которых потребуется наибольшее количество энергии.
Если температура будет недостаточной, чтобы подвести нужное количество энергии для разрушения конструкции материала, то конструкция и не разрушится.
Как быть, если в исходном чистом металле таких связей очень мало? Конечно же увеличить количество связей искусственно! Или провести легирование.
После легирования в структуре металлического сплава появится множество новых элементов — это вам и твердые растворы, и фазы внедрения, и интерметаллиды, и карбиды, и прочие элементы со страшными названиями.
Сравните это с исходным кубиком
Все они затрудняют разрушение структуры, образуя дополнительные связи или напряженные состояния. Напряженные состояния — это появление внутренних сил в результате формирования твёрдого раствора внедрения. Между узлами решетки оказываются дополнительные атомы примесного элемента, которые натягивают связи как тетиву лука. При этом примесные атомы ещё и сами усиливают связи дополнительными.
Есть и «механические воздействия», когда разрушающийся материал «технически» может противостоять механизму процессу разрушения структуры. Например, движущиеся дислокации будут упираться в интерметаллиды. Но мы сейчас уйдем далеко за границу научно-популярного материала.
Значит, основная идея при конструировании материалов, способных безотказно работать при высоких температурах и сопротивляться им, должна основываться на возможности отвести поступившую тепловую энергию в разные стороны. Тратить её на попытки разрушения имеющейся структуры и образовывать новые связи, которые потребуется разорвать, и конструировать препятствия для этого процесса.
Спасибо за внимание и традиционно приглашаю присоединиться всех уважаемых читателей к Telegram-каналу моего проекта, где регулярно публикуются интересные физико-инженерные заметки. Вместе делаем познание интересным ;)…
