Новые материалы в металлургии
  4.1 Общие сведения о сплавах с особыми тепловыми и упругими свойствами

Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необходимо применение материалов со строго регламентированными значениями в определенных температурных интервалах эксплуатации таких физических свойств, как температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) и модуля нормальной упругости (ТКМУ). Эти коэффициенты определяют характер изменения размеров детали и модуля упругости сплава при нагреве.

Согласно правилу Курнакова, в случае, когда компоненты образуют твердый раствор, ТКЛР сплава изменяется по криволинейной зависимости внутри пределов, ограниченных значениями ТКЛР чистых компонентов. Однако сплавы Fe – Ni не подчиняются общим закономерностям. В области концентраций от 30 до 45 % никеля для них характерны аномалии, связанные с инварным эффектом (рисунок 4.1).

Температурный коэффициент линейного расширения сплавов Fe – Ni

Рисунок 4.1 – Температурный коэффициент линейного расширения сплавов Fe – Ni

Самое низкое значение ТКЛР в диапазоне температур от –100 до +100°С имеет сплав, содержащий 36 % Ni. Этот сплав был открыт в 1897 г. и назван инваром (лат. invariabilis – неизменный) из-за минимальных значений коэффициента теплового расширения.

Для металлов с кубической кристаллической решеткой ТКЛР изотропен. Его значения не зависят от направлений кристаллической решетки и преимущественной ориентации текстуры. Термический коэффициент объемного расширения втрое превышает ТКЛР.

Для сплавов Fe – Ni инварного состава, помимо низких значений ТКЛР, характерна еще одна аномалия – аномалия температурного коэффициента модуля упругости. В любых твердых телах, в том числе металлах, при нагреве наблюдается уменьшение модуля упругости, являющегося мерой сил межатомных связей. В сплавах с инварным эффектом модуль упругости растет или остается постоянным с повышением температуры. Характерно, что максимальной величиной ТКМУ обладает тот же Fe – Ni сплав с самым низким значением ТКЛР, содержащий 36 % Ni (рисунок 4.2). Подбор определенного химического состава позволяет разработать сплавы, модуль упругости которых практически не зависит от температуры.

Температурный коэффициент модуля упругости сплавов Fe – Ni

Рисунок 4.2 – Температурный коэффициент модуля упругости сплавов Fe – Ni

Сплавы, сохраняющие постоянство модуля упругости в широком интервале температур, называют элинварами. Природа аномального изменения ТКЛР инварных сплавов, так же как и модуля нормальной упругости, имеет ферромагнитное происхождение.

В ферромагнитных Fe – Ni сплавах инварного типа велик уровень объемной магнитострикции – увеличения объема за счет внутреннего магнитного поля. При нагреве происходит уменьшение магнитострикционной составляющей объема. Выше температуры точки Кюри магнитострикционные деформации полностью исчезают в связи с переходом металла в парамагнитное состояние.

ТКЛР ферромагнетиков определяется формулой:

- (4.1)

где – нормальный коэффициент линейного расширения, определяемый энергией связи атомов;

– составляющая ТКЛР, обусловленная магнитострикцией парапроцесса.

Нормальная составляющая ТКЛР при нагреве растет вследствие уменьшения энергии связи атомов. Этот рост компенсируется уменьшением магнитострикции в результате снижения намагниченности, как следствие усиления тепловых колебаний атомов.

В итоге при нагреве до температуры точки Кюри объем инварных сплавов мало меняется. ТКЛР для некоторых сплавов может даже приобретать отрицательные значения и их объем даже уменьшается.

Внешние растягивающие напряжения действуют на Fe – Ni ферромагнетики инварного состава подобно магнитному полю и также способствуют проявлению объемной магнитострикции, обычно называемой в этом случае механострикцией. Высокий уровень механострикции в элинварных сплавах способствует аномальному изменению модуля упругости при нагреве. Влияние нагрева на модуль упругости элинварных сплавов может быть описано формулой

- 4.2

где – модуль упругости обычных сплавов,

– температурный коэффициент модуля нормальной упругости.

В элинварных сплавах коэффициент всегда имеет положительное значение. Снижение модуля упругости при нагреве обычных сплавов компенсируется составляющей за счет механострикции, что в итоге способствует стабилизации модуля упругости в широком температурном диапазоне.

Для обеспечения стабильности температурного коэффициента линейного расширения и модуля упругости для каждого конкретного случая необходимо применение сплавов строго определенного химического состава. Такие сплавы обычно называют прецизионными сплавами (франц. precision – точность), т. е. отличающимися высокой точностью химического состава.

  4.1 Общие сведения о сплавах с особыми тепловыми и упругими свойствами
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ