Ползучесть и длительная прочность молибдена при 2200° С

Новый спрос на высокотемпературные материалы дал толчок исследованиям по изучению поведения и свойств тугоплавких металлов и сплавов. Хотя некоторые такие материалы нашли применение при температурах около 1100° С, все же их преимущества, даваемые их тугоплавкостью, сильнее всего обнаруживаются в интервале 1650—2760° С. Некоторые из этих материалов сравнительно устойчивы в атмосфере большей части газов, в то время как другие такой стойкостью не обладают. Выдержка тантала, например, в атмосфере водорода при 370—815° С приводит к образованию гидрида. Вместе с тем некоторые тугоплавкие металлы подвержены загрязнению микропримесями в атмосфере тех или иных газов. Примером такого рода служит ниобий.

В настоящей работе рассматриваются свойства молибдена при 2200° С в атмосфере водорода и аргона. Хотя в ней раскрывается небольшая часть общей картины поведения тугоплавких металлов и сплавов при повышенных температурах, она может оказаться полезной всем тем, кто использует молибден или изучает свойства других материалов.

Приводимые данные получены при испытании молибдена на длительную прочность при 2200° С. Для подтверждения того, что такие данные характеризуют основной металл и не искажены воздействием таких факторов, как атмосфера испытаний или загрязнение, потребовалось провести тщательные металловедческие исследования.



Оценку длительной прочности и металловедческих свойств молибдена при 2200° С проводили на листовом молибдене толщиной 0,25—0,5 мм из 5 разных источников. Фирмы-поставщики условно обозначены через А, Б, В, Г и Д. Результаты химического анализа испытанных материалов в состоянии поставки приведены в табл. 20.1. Молибден А и Д был приготовлен методом порошковой металлургии. Толщина листов А составляла 0,25 мм, а Д — 0,5 мм. Сорта Б, В и Г относились к молибдену дуговой выплавки. Толщина листов Б составляла 0,25 мм, В — 0,38 мм и Г — 0,5 мм. Все материалы поставлялись в состоянии после снятия напряжений без какой-либо дополнительной механической или термической обработки. Перед испытаниями материал подвергали лишь резке, шлифованию и очистке, т. е. тем видам обработки, которые необходимы для приготовления образцов нужной формы. Общая длина образцов составляла 76 мм, длина измеряемой части образца равнялась 25,4 мм, а в ширину измеряемая часть образца имела 6,35 мм.



Испытания проводили в печи сопротивления с нагревательным элементом из вольфрама. Образцы нагревали тепловым излучением. Из-за малой теплоемкости печи скорости нагрева и охлаждения до испытаний и после них были величиной порядка 280 град/мин. На фиг. 20.1 представлены результаты испытаний на ползучесть и длительную прочность молибдена 5 сортов при 2200° С в атмосфере водорода и аргона. Если результаты испытаний молибдена дуговой выплавки (Б, В и Г) довольно близки, то результаты испытаний спеченного молибдена отличаются и друг от друга, и от результатов испытаний молибдена дуговой выплавки.

Однако спеченный молибден был в обоих случаях прочнее молибдена дуговой выплавки. На фиг. 20.2 воспроизводятся микроструктуры двух испытанных материалов. Молибден дуговой выплавки характеризуется очень крупным зерном (справа), в то время как структуру спеченного молибдена надо признать сравнительно тонкозернистой (№ 6—8 по стандарту АОИМ). При выдержке молибдена сортов А и В в атмосферах водорода и аргона в течение 100 час при 2200° С никаких изменений величины зерна не обнаруживалось. Для выявления причин, сдерживающих рост зерна в спеченном молибдене, испытанные образцы исследовались под микроскопом при большом увеличении. Спеченный молибден содержал дисперсную фазу, в то время как молибден дуговой плавки был, по-видимому, однофазным. При анализе образцов электронным микрозондом обнаружить какие-либо примеси в зернах или на границах зерен не удалось. Инородные частицы, обнаруженные при металлографическом анализе, оказались по данным электронной микроскопии частицами, в изобилии рассеянными в спеченном молибдене как по межзеренным границам, так и внутри кристаллитов. Наоборот, молибден дуговой выплавки был сплошь чрезвычайно чистым, о чем можно судить хотя бы по фиг. 20.3 и 20.4. Хотя эти частицы и не были идентифицированы, полагают, что такие нерастворенные частицы и задерживают в спеченном молибдене укрупнение зерна.

Образцы спеченного молибдена А при испытаниях в атмосфере аргона при 2200° С показали в отдельных случаях повышение сопротивления ползучести и времени до разрушения на целый порядок по сравнению с другими материалами, испытывавшимися в атмосфере аргона, и всеми материалами, испытывавшимися в атмосфере водорода. Этой аномалии не наблюдалось при испытаниях молибдена дуговой выплавки в атмосфере водорода или аргона. Химический анализ образцов с малой скоростью ползучести показал, что они были сильно загрязнены (до 7.5 вес. % вольфрама) после 50-часовой выдержки при 2200 С, чем, по-видимому, и объяснялось повышение их прочности. Источником вольфрама служил, очевидно, нагревательный элемент печи. Поскольку упругость паров вольфрама при 2200° С слишком низка, чтобы быть причиной переноса вольфрама, и поскольку загрязнения образцов вольфрамом не было при их нагреве в сухом аргоне высокой чистоты, использовавшимся для проведения испытаний, постольку загрязнение объяснялось, по-видимому, образованием летучего окисла вольфрама благодаря взаимодействию вольфрама с водяным паром. Доказательства, подтверждающие эту точку зрения, были получены при испытании в атмосфере аргона молибденового образца, покрытого тонкой пленкой окиси вольфрама. Это испытание дало такое же повышение прочности, причем в самом молибденовом образце был обнаружен вольфрам. При испытании образцов с таким же покрытием в атмосфере водорода никакого упрочнения не наблюдалось. Окись вольфрама, очевидно, весьма быстро восстанавливалась при нагреве образца до температуры испытания, и металлическое покрытие не оказывало никакого влияния на прочность. Зерно в спеченном молибдене, загрязненном вольфрамом при 2200° С, было в 2—3 раза крупнее. Второй фазы обнаружить не удалось, а вольфрам находился в твердом растворе.

Образцы спеченного молибдена Д, испытывавшиеся в аргоне высокой чистоты, показали меньшую длительную прочность, чем при испытаниях в атмосфере водорода. На основе дополнительных испытаний спеченного тантала, вольфрама, рения и сплава W — 25 Re можно утверждать, что этот эффект, по-видимому, надо считать общим для спеченных материалов и связанным с температурой спекания материала. Как показывают эти исследования, если спеченный материал подвергается воздействию температур выше температуры его спекания, то длительная прочность такого материала будет при испытаниях в атмосфере водорода больше, чем при испытаниях в атмосфере аргона. По-видимому, при испытании в атмосфере водорода протекает дополнительное спекание, чего не происходит в атмосфере аргона. Судя по величине общего удлинения образцов, испытывавшихся на длительную прочность, спеченный молибден по пластичности при 2200° С уступает молибдену дуговой выплавки. Величина общего удлинения для спеченного молибдена составляет 15—30%, а для молибдена дуговой выплавки — от 50 до 70%. Это согласуется с размером зерна, так как мелкозернистый материал обладает большим сопротивлением ползучести, чем крупнозернистый.

По характеру разрушения спеченный молибден совершенно отличается от литого. Спеченный молибден, обладающий большим сопротивлением ползучести, характеризуется межкристаллитным разрушением с весьма малым относительным сужением в области разрушения. По всей области разрушения наблюдалось разделение границ зерен. Характер разрушения молибдена дуговой выплавки определить труднее, но, по-видимому, здесь происходит разрушение по телу зерна. При разрушении крупные зерна значительно вытягивались, но заметного разделения границ зерен не наблюдалось.