Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие важнейших отраслей промышленности таких как, машиностроение, металлообрабатывающая, горнодобывающая, строительная, нефтегазовая и другие тесно связано с огромным потреблением алмазных и нитридборных композиционных материалов. Это обусловлено тем, что благодаря уникальным физико-механическим свойствам,в частности, твердости, модулю упругости, прочности при сжатии, абразивно-режущей способности эти синтетические сверхтвердые тела являются универсальными инструментальными и конструкционными материалами.
С ростом потребности в инструментальных и конструкционных сверхтвердых материалах возникают вопросы о предельных механических характеристиках сверхтвердых тел, о возможностях контроля их механических свойств и управления процессами формирования механической прочности (способности сопротивляться разрушению под действием внешних напряжений). Эти проблемы являются кардинальными для всего современного материаловедения независимо от того, являются ли эти тела сплошными твердыми, как например, металлы и сплавы, либо дисперсными пористыми структурами с фазовыми контактами. Общим подходом к решению этих проблем для всех твердых тел являются поиски взаимосвязи между представлениями о механическом поведении материалов на микро- и макроуровнях.Однако специфика каждого рода материалов накладывает свои ограничения или, наоборот,открывает дополнительные возможности для нахождения такой взаимосвязи.
Синтетические сверхтвердые композиционные материалы, образуя новый класс твердых тел, представляют собой наиболее плотные (малопористые) дисперсные структуры,формирующиеся в особо "жёстких" условиях - при высоких давлениях и температурах. В таких структурах твердых тел особый интерес приобретает граница раздела фаз (в случае однокомпонентного поликристаллического твердого тела - это граница зёрен) и примыкающие к ней области размерами 10 - 10 м с тонким строением кристалликов под названием "субструктура", от природы которых и строения во многом зависят многочисленные явления и процессы взаимодействия твердых тел с окружающей средой. Объясняется это тем, что вблизи поверхности раздела фаз и других дефектов структуры указанные области твердого тела, характеризующиеся нарушениями кристаллического строения, обладают повышенной энергией,
- 4 -что обусловливает высокую активность материала вблизи выходов подобных дефектов на его поверхность.
Вопросу изучения субструктуры металлов и сплавов уделялось значительное внимание на протяжении ряда десятилетий в работах Н. Н Да-Еиденкова, Г. В. Курдюмова, Б. М. Ровинского и Л. М. Рыбаковой, А. Тейлора и др. Известно, что субструктура во многом определяет механику поведения этих тел, их надёжность в эксплуатации и долговечность.
По отношению к сверхтвердым материалам проблема изучения взаимосвязи субструктуры с основными характеристиками механических свойств впервые была поставлена автором в 1970 г. К этому времени (с момента создания первых искусственных алмазов прошло немногим более 10 лет) практически не было систематических работ по изучению субструктуры сверхтвердых материалов и имелись лишь разрозненные экспериментальные данные об их механических свойствах.
Цель исследования - установление взаимосвязи между субструктурой и макроскопической механической прочностью дисперсных структур сверхтвердых материалов и выяснение роли субструктуры в процессах получения сверхтвердых материалов и формирования их механической прочности.
Объектами для исследования служили два типа дисперсных малопористых структур сверхтвердых материалов,образующихся либо путём кристаллизации из пересыщенных растворов углерода и нитрида бора, либо спекания на базе порошков алмаза при высоких давлениях и температурах, а также алмазные микропорошки.
Нижеуказанные представители 2-х типов дисперсных структур алмазных и нитридборных композиционных материалов использовались в качестве модельных систем, в связи с чем основные закономерности, выявленные при исследовании этих структур,по-видимому, можно распространить и на другие синтетические сверхтвердые материалы.
Интерес к алмазным микропорошкам, как к объекту для изучения субструктуры,объясняется тем, что они являются основой для создания новых сверхтвердых материалов в процессе спекания,а также используются для получения обрабатывающего материала,от качества которого зависит при финишной обработке поверхностный слой оптических деталеі и механизмов приборов, что в конечном итоге определяет их належності и долговечность в эксплуатации.
Решение поставленной проблемы потребовало комплексного изучения следующих вопросов :
- исследования в различных аспектах трёх важнейших параметров
- 5 -субструктуры сверхтвердых тел, а именно:микроискажений кристаллической решётки,возникающих под влиянием микронапряжений (внутренних напряжений 2-го рода) в процессе формирования дисперсной структуры сверхтвердого материала, дисперсности блоков мозаики и статических искажений кристаллической решётки (напряжений 3-го рода);
исследования влияния ряда физико-химических факторов (температуры, исходного сырья и его количества, некоторых особенностей технологического процесса, концентрации металлических примесей) на субструктуру сверхтвердых материалов;
теоретического анализа вероятности срастания кристаллов алмаза в процессе формирования дисперсных структур алмазных материалов;
определения макроскопических характеристик механических свойств, в частности, стойкости при резании, прочности при сжатии, абразивной способности, микротвердости;
количественной оценки макроскопической механической прочности дисперсных структур алмазных и нитридборных композиционных материалов и микроскопических характеристик механической прочности;
-получения новых алмазных композиционных материалов.
Научная новизна диссертационной работы. В работе впервые для нового класса синтетических тзердых тел поставлена и в первом приближении решена важнейшая проблема современного материаловедения -взаимосвязи субструктуры сверхтвердых материалов с их механической прочностью,открывающая новое направление в исследовании механического поведения синтетических алмазных и алмазоподобных материалов.
Показано, что синтетические сверхтвердые материалы, получаемые в особо "жёстких" условиях кристаллизации и спекания явлются наиболее плотными (малопористыми) дисперсными структурами.
Впервые при исследовании влияния некоторых физико-химических факторов таких,как температура, давление,вид и физико-механические свойства исходного для синтеза сырья, его количество, особенности технологического процесса, концентрация металлических примесей на субструктуру сверхтвердых материалов установлена зависимость параметров субструктуры синтезированных материалов и изделий из них от физико-химических условий получения и эксплуатации этих материалов.
Показано, что в структурах алмазных и алмазоподобных синтетических материалов существуют значительные микронапряжения (внутре-
- 6 -нние напряжения 2-го рода), уравновешивающиеся в объемах одного илу нескольких кристаллитов. Эти внутренние напряжения возникают при срастании кристалликов алмаза или кубического нитрида бора в стесне ных условиях путём формирования фазовых контактов между ними в пр цессе кристаллизации из пересыщенных растворов или при сцеплении кр сталликов с образованием фазовых контактов в ходе спекания в услс виях высоких давлений и температур и локализуются , главным образок вблизи межфазных границ раздела.
Обнаружено возникновение пластических деформаций алмаза в прс цессе синтеза алмазно-металлических композиций при давлениях поряди 4 ГПа и температурах около 1473 К.
Предложен механизм положительного влияния микронапряжений нг механическую прочность структур алмазных сверхтвердых материале* состоящий в том, что их упрочнение может происходить за счёт увели чения площади фазовых контактов в связи с развитием контактной зов соприкосновения кристаллов алмаза в результате пластической деформє ции под влиянием микронапряжений.
Выявлена роль остаточных микронапряжений как "индикатора" ме ханической прочности сверхтвердого материала. В результате предстаї лены рабочие формулы, дающие возможность прогнозировать прочностные характеристики по получаемым из эксперимента величинам микроискаже ний кристаллической решётки и проводить количественную оценку меха* ческой прочности структур сверхтвердых материалов в макро- и микрс масштабе, тем самым заложить основы физико-химической теории прої ности дисперсных структур сверхтвердых тел.
Расчетным путем получены количественные данные о величинах Мс роскопической механической прочности структур сверхтвердых материа) и микроскопических характеристик - прочности фазовых контактов меж; кристалликами основного компонента в сверхтвердых материалах и плов ди, на которой реализуются силы сцепления.
Практическая ценность работы. На основе сложившихся в работе представлений о микроискажениях кристаллической решётки, как о показателе уровня механических свойств сверхтвердого материала создаї способ контроля качества (механических свойств) изделий из алмаза і алмазоподобных материалов без их разрушения, защищенный авторски» свидетельством в СССР и патентами в Российской Федерации,ФРГ,Англш Швеции и Франции. Способ базируется на впервые установленной коррел; ционной зависимости между величинами микроискажений кристаллическоі решетки и некоторыми механическими и эксплуатационными свойствами і
делий из синтетических сверхтвердых материалов, например, стойкостью резцов из поликристаллических алмазов типа карбонадо при резании сверхтвердого карбидо-вольфрамового сплава или резцов из эльбора-Р при обработке закаленных сталей марки ШХ-15, прочностью образцов алмазно-металлических композиционных материалов при сжатии и др.
Изобретение на способ контроля качества изделий из алмаза и алмазсподобных материалов проверялось на работоспособность в условиях Томилинского завода алмазных инструментов (ТЗАИ) и Ереванского Производственного объединения "Алмаз" (ЕрПо) и использовалось в Институте физики высоких давлений АН СССР (ЙФВД АН СССР) с участием предприятий Минстанкопрома. Акты испытаний и использования изобретения прилагаются к диссертации.
В работе также предложен новый способ обнаружения пластической деформации в сверхтвердых материалах по необратимому изменению субструктуры алмазных кристаллов (увеличению дисперсности блоков мозаики), защищенный авторским свидетельством в СССР и патентом в Российской Федерации. Изобретение использовалось в Институте физики высоких давлений АН СССР. Акт использования изобретения прилагается к диссертации.
Для анализа микроискажений кристаллической решётки и дисперсности блоков в структурах сверхтвердых материалов создан способ определения размера кристаллитов, защищенный авторским свидетельством в СССР. Предпосылкой для создания этого способа явились результаты прямого обнаружения микронапряжений в дисперсных пористых структурах таких, как катализаторы, сорбенты, минеральные вяжущие вещества и др. Предложенный способ применялся для исследования различных сверхтвердых материалов в ИФВД АН СССР, металлоке-рамических порошков и ситаллов в Институте машиноведения АН СССР и в Новомосковском филиале ГИАП Минудобрений для исследования компонентов катализаторов.
На основе установленного эффекта положительного влияния микронапряжений на прочность и полученных данных о параметрах субструктуры (микроискажениях и статических искажениях кристаллической решетки) создан способ получения алмазного композиционного материала с повышенной механической прочностью.
С целью улучшения механических свойств алмазных компактов и увеличения их размеров предложен также способ получения алмазных компактов, в основе которого лежат процессы, улучшающие пропитку металлическим связующим под давлением при спекании алмазных порош-
- 8 -ков.
Указанные способы были защищены авторскими свидетельствами в СССР и патентами в Российской Федерации. Они нашли применение в ИФВД АН СССР в серийном производстве для изготовления резцов и при разработке способа контроля качества изделий из алмазных композиционных материалов,а также использовались на ЕрПо. Акты использования изобретений прилагаются к диссертации.
