4.2.7.3 Композиційні жароміцні матеріали

Важливою проблемою є вибір матеріалу для вкладників сопел в реактивних двигунах, що працюють на твердому паливі. Необхідно мати на увазі, що гази, які утворюються при згоранні палива, містять тверді частинки, а температура полум’я сягає 3500 °С. Найбільш перспективним матеріалом є графіт із температурою плавлення 3900 °С, малою густиною та достатньою міцністю при високих температурах. Основним недоліком графіту є його низька ерозійна стійкість, яка може призвести до зміни форми сопла. Найкращі результати можна отримати при використанні спеченого пористого вольфраму, який просочений матеріалом з високою теплопровідністю та високою пружністю пари, наприклад, міддю або сріблом. Висока стійкість вкладників сопла з просоченого вольфраму обумовлена охолодженням його внаслідок випаровування речовини, якою його просочують.

У зв’язку з високими вимогами до матеріалу сопла виникає необхідність в створенні матеріалів з більш високими властивостями, ніж у вольфраму. Менші втрати в умовах сильної ерозії можна забезпечити, використовуючи тугоплавкі карбіди, що нанесені на форму плазмовим напиленням. Деякі карбіди, що володіють високою твердістю, мають дуже високу температуру плавлення. Так, наприклад, температура плавлення карбіду цирконію – 3530 °С, карбіду танталу – 3880 °С, карбіду гафнію – 3900 °С [4].

4.3 Холодостійкі матеріали

Холодостійкими називають матеріали, що зберігають достатню в’язкість при низьких температурах: від 0 до −269 °С (273…4 К).

Впливу низьких температур підлягають сталеві металоконструкції (рейки залізниць, труби газо- та нафтопроводів, мости тощо), будівельні машини, автомобілі, вагони в північних районах, що експлуатуються при температурах кліматичного холоду (−60 °С); обшивки літаків, деталі ракет та космічних апаратів, що охолоджуються від 0 °С до температури рідинного кисню (−183 °С); деталі, вузли та трубопроводи холодильної та кріогенної техніки, які використовуються для отримання, зберігання та транспортування зріджених газів, і можуть експлуатуватися аж до температур рідинного гелію (−269 °С) [5].

В таблиці 4.13 вказано температури кипіння скраплених газів при нормальному тиску, які водночас вказують на температурні області використання конструкційних матеріалів в кріогенній техніці [7].

Таблиця 4.13 – Температури кипіння скраплених газів [7]

Газ	Метан	Кисень	Аргон	Фтор	Азот	Неон	Водень	Гелій
tкип, °С	−161	−183	−185	−188	−196	−246	−253	−269

Конструювання та виготовлення холодостійкої та кріогенної техніки повинні ґрунтуватися на глибокому знанні поведінки матеріалів при низьких температурах, надійних методах оцінювання працездатності та довговічності матеріалів, науково обґрунтованих рекомендаціях щодо вибору матеріалів [5].

4.3.1 Критерії холодостійких матеріалів

Зниження температури експлуатації супроводжується зростанням статичної та циклічної міцності, зменшенням пластичності та в’язкості, збільшенням схильності матеріалу до крихкого руйнування. Найважливішою вимогою, що визначає придатність матеріалу для низькотемпературної експлуатації, є відсутність холодноламкості. Холодноламкість – це властивість матеріалу втрачати в’язкість, крихко руйнуватися при зниженні температури. На перехід від в’язкого руйнування до крихкого вказують зміна будови зламу та різке зниження ударної в’язкості (рис. 4.13), що спостерігається в інтервалі температур (t_В−t_КР) (граничні значення температур в’язкого та крихкого руйнування). Основні ознаки крихкого та в’язкого руйнувань наведені в табл. 4.14 [5].

Рисунок 4.13 – Вплив температури випробування на відсоток в’язкої складової у зламі (В) та ударну в’язкість матеріалу КСU, КСТ [5]

Холодноламкість є притаманною для заліза, сталі, металів та сплавів з ОЦК та деяких з ГЩП ґратками. Холодноламкість цих матеріалів можна оцінити температурним порогом холодноламкості t₅₀, тобто температурою, при якій в зламі зразку є 50 % волокнистої складової, та величина ударної в’язкості КСТ знижується вдвічі (рис. 4.13). Для надійної роботи матеріалу необхідно забезпечити температурний запас в’язкості. Ця вимога задовольняється за умов, що температурний поріг холодноламкості матеріалу є нижчим за його температуру експлуатації. Необхідна величина температурного запасу в’язкості залежить від факторів, що впливають на схильність до крихкого руйнування (наявність концентраторів напружень, швидкість навантаження, розміри деталей). Чим вищий температурний запас в’язкості, тим меншою є небезпека крихкого руйнування матеріалу та більша його експлуатаційна надійність.

Таблиця 4.14 – Основні ознаки крихкого та в’язкого руйнувань [6]

В’язке руйнування	Крихке руйнування
Високий рівень роботи, що витрачається на руйнування. Необхідне безперервне зовнішнє підведення енергії для пластичної деформації та подолання зміцнення.	Низькі витрати енергії на руйнування. Руйнування, яке почалося, є самодовільним процесом і здійснюється за рахунок накопиченої в системі енергії пружної деформації.
Тріщина, що утворюється є «тупою», з великим кутом розкриття. Міцність міжзерених границь менша за міцність самих зерен. Тому при підвищених температурах руйнування зазвичай має міжкристалітний характер.	Крихка тріщина є «гострою», має малий кут розкриття. Міжзеренні межі при низьких температурах зазвичай є міцнішими за самі зерна, тому руйнування має транскристалітний характер.
Злам має матовий волокнистий характер без металевого блиску. Електронномікроскопічне дослідження виявляє «чашкову» будову зламу.	Завдяки розколотим зернам злам має металевий блиск. А при електронномікроскопічному дослідженні – характерну «канавкову» будову.
Низька швидкість розповсюдження в’язкої тріщини, що визначається швидкістю прикладання навантаження	Висока швидкість розповсюдження крихкої тріщини, що складає близько 0,4 від швидкості звуку в металі (≈2103 мс).

Метали та сплави з ГЦК-граткою, а також титан та його сплави із ГЩП-граткою не мають порогу холодноламкості; при охолодженні їх ударна в’язкість знижується монотонно. Холодостійкість таких матеріалів оцінюється температурою, при якій ударна в’язкість є не менша за 0,3 МДжм² (t_КСU=0,3).

Крім критеріїв холодостійкості (t₅₀ та t_КСU=0,3) підставами для вибору матеріалу є також показники міцності (_В, _0,2), фізичні та технологічні властивості, сумісність із оточуючим середовищем та вартість матеріалу. Важливим критерієм холодостійкості є критерій К_1С – в’язкість руйнування в умовах плоскої деформації. Однак нестача накопичених даних щодо значень К_1С при низьких температурах поки що обмежує його використання при виборі матеріалів.

Із фізичних властивостей матеріалу найбільш важливими є теплове розширення, теплопровідність, теплоємність. Чим менше теплове розширення матеріалу, тим нижчими є термічні напруження в деталях та конструкціях при термоциклюванні. Від теплоємності та теплопровідності залежить швидкість охолодження матеріалу при термоциклюванні. При дуже низьких температурах, починаючи від температури рідинного азоту (−196 °С), теплопровідність та теплоємність зменшуються більше ніж в 10 разів. Зміна цих властивостей неоднаково впливає на швидкість охолодження матеріалів при термоциклюванні. Чим менша теплоємність та більша теплопровідність, тим легше охолоджується кріогенне обладнання та швидше виходе на робочий режим.

Найважливішими технологічними властивостями холодостійких матеріалів є зварюваність та пластичність. Зварювання широко застосовують у виробництві конструкцій та герметичної кріогенної апаратури. Пластичність необхідна для виготовлення тонких листів та тонкостінних елементів, що менш схильні до крихкого руйнування, ніж масивні вироби.

Сумісність із оточуючим середовищем визначається взаємодією матеріалу із киснем та воднем – найбільш розповсюдженими середовищами в техніці низьких температур. В контакті із киснем можливе спалахування матеріалів (титану, алюмінію та їх сплавів). Водень розчиняється в багатьох металах та призводе до окрихчування сталей з ОЦК граткою та сплавів на основі титану.

Складність кількісної оцінки впливу різних конструкторсько-технологічних факторів, розмірів деталей, рівня залишкових напружень, виду напруженого стану та умов навантаження на надійність машин та конструкцій утруднює розробку нормативних рекомендацій з використання матеріалів для роботи в конкретних умовах.

За холодостійкістю металеві матеріали, що використовуються при низьких температурах, умовно можуть бути розподілені на чотири основні групи.

1. Метали та сплави, характеристики механічних властивостей яких дозволяють використовувати їх при температурах до −60 °С (213 К), тобто до низьких кліматичних температур, для виготовлення виробів так званого північного виконання. До цієї групи відносяться якісні вуглецеві та низьколеговані сталі феритного та ферито-перлитного класів з ОЦК граткою.

2. Сплави, що зберігають в’язкість та пластичність при охолодженні до 170К. Це сталі з 0,2…0,3 % С, що додатково леговані Ni, Cr, Ti, Mo. До цієї групи відносять, наприклад, низьковуглецеві феритні сталі з 2…5 % Ni, що експлуатуються при температурах 210…150 К.

3. Сплави, що здатні без погіршення властивостей витримувати температури до 77 К (температура кипіння рідинного азоту). Сюди відносяться сталі типу 12Х18Н10Т, 0Н9А, більшість сплавів на основі Al, Ti, Cu, що не мають схильності до крихкого руйнування. Для ненавантажених конструкцій з метою економії Ni використовують Cr-Mn та Cr-Ni-Mn сталі типу 10Х14Г14Н4Т, 03Х13АГ19, 07Х21Г7АН5.

4. Сплави, що працюють при температурі нижче 77 К. До цієї групи належать матеріали, що використовують в космічній техніці, виробництві та споживанні водню, експериментальній фізиці. Для роботи при таких температурах придатні лише високолеговані корозійностійкі сталі типу 03Х20Н16АГ6, 10Х11Н23Т3МР (ЭП33), деякі бронзи, нікелеві, алюмінієві сплави, що леговані магнієм, та сплави титану.

В таблиці 4.15 наведені температурні інтервали використання деяких конструкційних матеріалів [5].

Таблиця 4.15 – Температурні інтервали використання конструкційних матеріалів [5]

Матеріал	Гранична температура надійної роботи матеріалу, °С
	Без додаткової обробки	Після підвищення холодостійкості
Сталь: вуглецева: звичайної якості якісна низьколегована типу 09Г2 нікелева: з 6 %Ni (0Н6) з 9 %Ni (0Н9) мартенсито-старіюча 03Х9К14Н6М3Т аустенітна: хромомарганцева 03Х13АГ19 хромонікелева 12Х18Н10Т	−20 −30 −40 −100 −150 −196 −130 −253	−50 −60 −60 −150 −196 −253 −196 −269
Інвар 36Н	−269	−269
Алюміній та його сплави: АД1, АМц з магнієм (АМг1, АМг5) дюралюміній (Д16) високоміцні (типу В95)	−269 −253 −196 −196	−269 −269 −253 −253
Сплави на основі титану: ВТ5-1 ВТ3-1	−253 −196	−269 −253
Мідь та її сплави: М1р, М2р, М3р БрАЖН10-4-4 Л63, ЛЖМц59-1-1 БрБ2	−269 −196 −253 −269	−269 −253 −269 −269