Оцінюючи експлуатаційні властивості дисперсно-зміцнених сплавів потрібно мати на увазі характерну для них дуже високу стабільність характеристик міцності у часі.
У ряді випадків метод дисперсного зміцнення виявляється незамінним при утворенні матеріалів, що експлуатуються при помірних і навіть низьких температурах, але повинні, поряд з підвищеною міцністю та низькою швидкістю повзучості, мати певний комплекс фізичних властивостей. Сюди відносяться, наприклад, сплави для електротехніки на основі міді і срібла, в яких вимагається збереження високої електропровідності, цирконієві сплави для атомної енергетики з високою прозорістю для нейтронів та ін. Деякі дисперснозміцнені сплави вийшли за межі лабораторних розроблень, їх виготовляють в промислових масштабах та успішно використовують в конструкціях.
1.2 Дисперсно-зміцнені матеріали на основі міді
1.2.1 Властивості та використання мідних дисперсно-зміцнених матеріалів
Під час опису властивостей дисперсно-зміцнених матеріалів головна увага приділяється найбільш важливим експлуатаційним характеристикам, таким як межа міцності, показники пластичності, опір повзучості, тривала міцність, жаростійкість. При оцінюванні досягнутого рівня властивостей у різноманітних системах виникають труднощі співпоставлення, оскільки навіть стосовно до тих самих сплавів у різних роботах використані суттєво різні схеми отримання порошків та напівфабрикатів. Разом з тим по мірі удосконалення техніки отримання напівфабрикатів та оптимізації параметрів деформування та термічної обробки властивості майже всіх дисперснозміцнених сплавів будуть підвищуватися. Найбільш перспективними матеріалами в цьому відношенні є конденсовані дисперснозміцнені системи метал-метал з компонентами, що взаємно не розчиняються, які за можливістю зберігати задані властивості після впливу високих температур можуть перевершувати композиції метал-окисел. Новим технологічним прийомом синтезування композиційних матеріалів є метод вакуумної конденсації, який володіє рядом переваг перед порошковою металургією та внутрішнім окисленням. Здатність будь-яких речовин утворювати однорідну суміш у паровому стані та специфічні умови над швидкої заготовки, що реалізуються при конденсації цього пару на холодній підложці у вакуумі дозволяють отримувати матеріали, які неможливо отримати іншими методами. Характерною відмінністю конденсованих плівкових композитів є виключно висока неровноважність їх структури, яка зумовлює їх високі властивості міцності.
Найбільш цінними технічними властивостями міді, що визначають основні галузі її застосування, є високі електропровідність та теплопровідність. При звичайних методах легування вимоги підвищення жароміцності і збереження високої електропровідності вступають у супереч. Наслідком цього є те, що леговані сплави з електропровідністю не нижче 0,8 від електропровідності чистої міді характеризуються максимальним значенням відношення міцності сплаву до міцності матричного металу при температурах 0,5–0,6 Тпл. При більш високих температурах це відношення падає занадто різко, що вже біля 700 °С (≈0,7 Тпл) леговані сплави не мають переваг міцності відносно чистої міді.
Для дисперснозміцненої міді коефіцієнт зміцнення з підвищенням температури невпинно зростає, що забезпечує високу жароміцність при температурах 0,9–0,95 Тпл.
Як видно з рисунку 1, переваги дисперсно-зміцнених матеріалів перед звичайними виявляються вже при температурах вище 0,5Тпл (400 °С) и з підвищенням температури виявляються більш виразно.
Завдяки занадто малій розчинності кисню (менш 0,001% (за масою) при 800 °С) та низькій термодинамічній стабільності власних окислів мідь ефективно зміцнюється тугоплавкими окислами, що не взаємодіють з нею аж до температури плавлення. Найбільш високі значення жароміцності отримані при введені окислів алюмінію, берилію та торію. Для введення зміцнюючих окислів використовують методи внутрішнього окислення, хімічного осадження та відновлення у розчинах, які дають майже однакові результати. З підвищенням об’ємного вмісту зміцнюючої фази (при збереженні середнього розміру часток) міцність дисперснозміцненої міді підвищується, але для збереження високої електропровідності та хорошої пластичної у промислових жароміцних сплавах об’ємний вміст окислів не перевищує 1,5–2%. При такому вмісті зміцднюючої фази міцність при кімнатній температурі складає 380–450 МПа (в залежності від способу приготування порошків та режимів обробки напівфабрикатів) підчас подовжування 15–20%. Високий запас пластичності дозволяє методами холодного деформування отримувати прутки, листи, фольгу та проволоку малих перетинів.
Дослідження температурної залежності електропровідності міді, яка була зміцнена двоокисом торію і отримана з порошків, що виготовлені хімічним відновленням у розчинах, показало, що при кімнатній температурі вона складає біля 85% від електропровідності чистої міді, але з підвищенням температури ця різниця зменшується та при 800 °С значення електропровідності майже співпадають. У промислових марках, що зміцнені окислами берилію чи алюмінію та отримані з використанням методу хімічного осадження, електропровідність змінюється в межах 0,8–0,9 від електропровідності безкисневої провідникової міді.
Висока жароміцність дисперснозміцненої міді може бути вигідно використана при виготовлені обмоток роторів двигунів, що працюють при підвищених температурах, трубчатих теплообмінників, деталей електровакуумних приладів, контактів.
Широке використання дисперснозміцнена мідь знайшла у зварювальній техніці при виготовлені електродів для стикового та роликового зварювання. Робоча частина мідних електродів зварювальних машин у процесі експлуатації може нагріватися до 600–800 °С, внаслідок чого відбувається швидкий спад твердості і міцності, який призводить до погіршення стабільності та якості зварювання.
Результати досліджень механічних властивостей дисперсно-зміцнених композицій та аналіз механізмів їх зміцнення свідчить про те, що рівень їхніх характеристик міцності визначається складом та структурними параметрами матриці та фаз, що зміцнюють [5]. Специфіка структури вакуумних конденсатів міститься у високій дисперсності її елементів, сильній неровноважності та складному внутрішньому напруженому стані.
Високі властивості міцності дисперсно-зміцнених матеріалів обумовлені наявністю в об’ємі матриці некогерентних високодисперсних часток другої фази, які в значно більшому ступені, ніж субграниці та границі зерен чинять опір руху дислокацій під час деформування. Частки другої фази впливають також і на структуру матриці, знижують розмір зерна та переборюють у значному ступіні процеси рекристалізації.
1.2.2 Вплив дисперсних некогерентних часток двофазних сплавів на рекристалізацію
Відомо, що дисперсні тверді некогерентні частки можуть уповільнювати рекристалізацію металу.
Рекристалізація уповільнюється за двома причинами: по-перше, частки другої фази можуть обумовити стабільність дислокаційної структури; по-друге, вони можуть чинити опір перебудові дислокацій та ґратки, заважаючи утворенню границь зерен та їх міграції.
Підвищений опір рекристалізації полікристалічних матеріалів повинен проявлятися внаслідок стопорного ефекту виділень, що зупиняють дислокації, а не зумовлюватися границями зерен чи дислокаційними субграницями. Цей ефект можна розділити на дві категорії: зерно граничний та субграничний.
Ефективне подавлення рекристалізації відбувається у гетерофазних матеріалах, у яких відстань між частками менш ніж 10-3 мм. Так, наприклад, при відстані між частками, що становить декілька десятків нанометрів, рекристалізація може не відбуватися навіть при температурах відпалу, які приближуються до температури плавлення матеріалу матриці. Це відноситься в першу чергу до конденсованих дисперсно-зміцнених композицій, що мають дуже дисперсні, близько розташовані одна до одної зміцнюючі частки.
1.2.3 Методи виготовлення дисперсно-зміцнених композиційних матеріалів
1) Порошковий метод виготовлення дисперсно-зміцнених композиційних матеріалів (ДКМ). Виготовлюють суміші порошків матричного матеріалу та зміцнюючої фази. Зазвичай це суміші порошків металів з порошками оксидів, боридів, карбідів, потім пресування, спікання та термічна обробка. Недоліками цього методу є те, що цією технологією складно отримувати зміцнюючі частки розміром менш ніж 1000Å; під час спікання відбувається коагуляція часток та в результаті цього ДКМ поступається старіючим сплавам при помірних температурах.
2) Метод внутрішнього окислення. Технологія полягає в тому, що спочатку отримають сплав матричного матеріалу, легований метал, потім цей сплав нагрівають та витримують у атмосфері кисню, при цьому відбувається дифузія атомів кисню у глибину металу та їх взаємодія з легуючими елементами. Внаслідок цього в об’ємі матриці формуються частки зміцнюючої фази. Недоліками цього методу є обмежений вибір систем а також те, що по глибині металу частки мають не однаковий розмір, головним чином через те, що тривалість процесу для об’ємів, що знаходяться на поверхні та в середині зразка різна. У зв’язку з цим методом внутрішнього окислення отримують або тонкі фольги, або дифузійні шари.