Композиционные материалы icon

Композиционные материалы




НазваКомпозиционные материалы
Сторінка6/12
Дата15.05.2013
Розмір2.79 Mb.
ТипРеферат
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

^ МКМ на основе алюминия и его сплавов. Использование алюминия в качестве матричного материала обусловлено широким распространением его в технике и доступностью, разнообразными механическими характеристиками, возможностью регулировать свойства алюминиевых сплавов термической обработкой и подвергать их практически всем видам обработки давлением, литья и порошковой металлургии.

Композиция А1 - стальная проволока. Первые работы по изучению армированных волокнами КМ были проведены в начале 50-х годов, когда введением в силумины арматуры из стали удалось увеличить прочность материала на 70 %. Армируя алюминий и его сплавы стальной проволокой, стремятся улучшить комплекс физико-механических свойств матричной основы: повысить предел прочности и текучести, увеличить модуль упругости и сопротивление усталости, а также расширить температурный интервал службы материала.

При армировании непрерывными волокнами композиций типа «сэндвич», состоящих из чередующихся слоев алюминиевой фольги и волокон, чаще всего применяют прокатку, динамическое горячее прессование (ДГП), сварку взрывом, диффузионную сварку. Армирование короткими волокнами проводят методами порошковой металлургии - прессованием с последующей гидроэкструзией или прокаткой заготовок.

Уровень прочности композиций А1 - стальные волокна в наибольшей степени определяется прочностью волокон. Использование проволок с пределом прочности, превышающим 3500 МПа, позволяет поднять прочность композиции до 1400-1550 МПа. При этом материал все еще пластичен. Например, армированием сплава АМг6 проволокой ЭП322 (45 об % диаметром 0,1 мм) удается достичь предела прочности композиции 1500 МПа и относительного удлинения 4,2 %.

Чтобы максимально использовать исходную прочность арматуры, выбирая режимы получения композиций, стремятся ограничить время воздействия высоких температур. Однако, даже кратковременный (8-10 мин) нагрев при уплотнении материалов типа «сэндвич» методом ДГП разупрочняет армирующие волокна. Степень разупрочнения зависит от марки стали. Испытания при комнатной температуре композиций, полученных методом ДГП, показывают, что реализация первоначальной прочности стальных проволок У8А, Х18Н10Т и ЭП322 составляет соответственно 57, 82 и 93%. Это объясняется различным поведением углеродистых и коррозионностойких сталей при повышенных температурах. С увеличением температуры испытаний различия в эффекте использования исходной прочности этих проволок сглаживаются. При 400 °С использование первоначальной прочности составляет 70-75 %.

Модуль упругости сталеалюминиевых КМ в соответствии с законом аддитивности увеличивается при повышении концентрации стальной арматуры. Композиция из АД1, армированного 45 об % проволоки Х18Н10Т, имеет модуль упругости 135 ГПа, что почти в 2 раза превышает модуль упругости матрицы.

Армирование алюминия и его сплавов стальными проволоками приводит к значительному повышению длительной прочности. Введением в сплав АМг3 лишь 8 об % проволок стали ЭП322 можно превысить в 2,1 раза сточасовую длительную прочность материала САП-1 при 300 °С и в 1,7 раза - при 400 °С. Сопротивление ползучести у сталеалюминиевых композиций также существенно выше, чем у матричных сплавов. Скорость ползучести у композиции АД1 – 20 об % проволоки У8А на три порядка ниже, чем у матрицы.

Введение в алюминиевую матрицу высокопрочных стальных проволок улучшает усталостные характеристики композиции (табл. 9)

Особенно велико влияние армирования в области малоцикловой усталости, где повышение предела усталости находится в линейной зависимости от объемного содержания. Характерно для армированных композиций то, что даже после появления трещины материал сохраняет свою работоспособность еще в течение большого количества циклов знакопеременной нагрузки.

Таблица 9 – Циклическая прочность КМ АМг3 – Х18Н10Т [12]

Vf, %

Число циклов (× 105)

до образования трещины

до полного разрушения

между появлением трещины и разрушением

8

0,21

0,21

0

12

0,35

0,70

0,35

20

1,50

2,70

1,30

29

2,00

10,00

8,00

Ударная вязкость композиций А1 - стальная проволока также достаточно высока. Для сплава Д20, армированного 14-20 об % проволоки Х18Н9Т, ударная вязкость находится в пределах 450-550 кДж/м2.

Армированные стальными проволоками алюминиевые сплавы имеют удовлетворительную технологическую пластичность. Так, средний угол загиба для сплавов АМг6 и АК8, армированных 15 об % волокон из стали Х18Н9Т, составляет соответственно 60 и 43 °.

При повышенных температурах прочность композиции А1 - стальная проволока превышает прочность наиболее теплостойких алюминиевых сплавов, в том числе и материалов типа САП. Так, при 400 °С предел прочности для сплавов АД1, АМг3 и АМг6, армированных 45 об % проволок стали ЭП322, равен 950-1000 МПа. Основываясь на этом, для работы при повышенных температурах в качестве матрицы целесообразно использовать алюминиевые дисперсно-упрочненные материалы типа САП, максимальная рабочая температура которых 550-620 °С. Введение стальной арматуры в матрицу из САП значительно увеличивает прочностные свойства материала даже при армировании проволоками из нержавеющих сталей с относительно низкими пределами прочности. Например, предел прочности композиции САП-1 – 15 об % проволоки Х18Н9 (σв = 1750 МПа) при температуре 250 °С в 2,3 раза, при 350 °С - в 3,9 и при 500 °С - в 5,6 раза больше, чем предел прочности материала САП при тех же температурах. Удельная прочность этой композиции при 500 °С больше удельной прочности матрицы в 4,3 раза. Значительно увеличивается при армировании и долговечность композиций. Так, образцы САП-1 при 350 °С и напряжении 50 МПа разрушались через 5 ч, а введение в матрицу 5,7 об % проволоки Х18Н9 привело к тому, что при той же температуре и напряжении 80 МПа разрушение не наступало даже после 360 ч испытаний.

Композиция САП-1 - стальная проволока имеет удовлетворительную термическую стабильность микроструктуры при высоких температурах. Длительные испытания материала при температуре 450 °С в течение 150 ч под нагрузкой не привели к образованию на границе волокно - матрица интерметаллических соединений. Заметное взаимодействие с образованием хрупких интерметаллидов с микротвердостью 10 ГПа наблюдается только при 500 °С.

Приведенные высокие прочностные свойства присущи однонаправленно армированным МКМ в случае действия нагрузки вдоль волокон. Прочность композиций, в которых волокна расположены поперек направления действия нагрузки, определяется лишь прочностью матрицы.

Увеличить поперечную прочность однонаправленных сталеалюминиевых материалов можно упрочняющей термической обработкой (повышающей также и продольную прочность). Режимы термообработки назначают по режимам, принятым для матричных сплавов. При этом наибольшего дополнительного упрочнения достигают тогда, когда температура нагрева под закалку для матричного сплава соответствует температуре упрочняющего отпуска (старения) для материала волокон. Так, закалкой композиции из сплава В95, упрочненного 20 об % арматуры из стали Х18Н9Т, достигают дополнительного повышения предела прочности на 150 МПа. Если тот же сплав армирован стальными проволоками 2Х15НАМЗ (тем же количеством волокон), увеличение прочности еще значительнее – 210 МПа. Связано это с тем, что температура отпуска стали 2Х15НАМЗ (450 °С) ближе, чем оптимальная температура отпуска стали Х18Н9Т (400 °С), к температуре закалки сплава В95 (490 °С).

Чтобы создать нужную регулируемую анизотропию свойств у сталеалюминиевых композиций (как и у МКМ на другой основе), эффективнее всего использовать ее в качестве армирующих элементов сетки. Так, при армировании алюминиевых матриц трикотажными сетками типа «ластик» с продольной прочностью (вдоль петельных столбиков), в 2,2 раза превышающей поперечную (вдоль петельных рядов), выяснилось, что анизотропия прочности композиций в этих направлениях примерно соответствует анизотропии прочности армирующих сеток (табл. 10). При этом пластичность композиций достаточно высока как в продольном, так и в поперечном направлении. МКМ, армированные сетками, применяются в конструкциях, подверженных плосконапряженному состоянию.

Таблица 10 - Прочность при растяжении и пластичность композиций на основе АД1 и АМг3, армированных трикотажными сетками типа «ластик»

Композиция

Vf об. %

Продольное растяжение

Поперечное растяжение

Коэффициент анизотропии композиции σв/ σ'в

σв, МПа

δ, %

σ'в, МПа

δ, %

АД1-Х18Н10Т

22

36

380

580

4,2

3,8

160

225

5,6

5,2

2,38

2,58

АМг3-Х18Н10Т

22

36

495

670

4,0

3,7

282

380

5,4

5,0

1,76

1,76

АД1-ЭП322

22

36

527

831

4,1

3,9

213

317

5,5

5,1

2,47

2,62

АМг3-ЭП322

22

36

651

934

3,9

3,7

338

420

5,3

5,0

1,93

2,22

Необходимо отметить, что KM A1 - стальные волокна находят широкое применение в технике, так как они значительно превосходят матричный металл по абсолютной и удельной прочности и жесткости, сохраняют удовлетворительную пластичность, обладают высокой теплопрочностью при температурах вплоть до 450 °С и имеют, в случае необходимости, требуемую анизотропию свойств.

Композицию А1 - кремнеземные волокна получают, нанося на волокна алюминиевую оболочку пропусканием их через расплав матрицы и применяя последующее горячее прессование. В результате алюминиевые оболочки образовывают матрицу с малой пористостью. Давление прессования составляет 70-85 МПа при температуре 450 °С. Предел прочности композиции А1 – 50 % SiO2 при комнатной температуре равен 830 МПа, а при 500 °С - 280 МПа. Этот МКМ в условиях длительных нагружений и высоких температур значительно прочнее материалов типа САП: при 300 °С и выдержке 120 ч под нагрузкой предельное разрушающее напряжение для композиции А1 - 50% SiO2 составляет 380 МПа, а для САП в этих условиях - 160 МПа. Модуль упругости кварцевых и стеклянных волокон (Е-стекло) мало уменьшается вплоть до температур 500 °С. Поэтому композиции с волокнами на основе SiO2 целесообразно применять при повышенных температурах. Скорость ползучести этих МКМ при температурах 200-300 °С на два порядка ниже ползучести неармированной матрицы. Композиции Al - SiO2 обладают и хорошей демпфирующей способностью.

Композиция А1 - бериллиевая проволока - это материал, в котором реализуются высокие физико-механические свойства бериллиевой арматуры и в первую очередь ее низкая плотность и высокая удельная жесткость. Эти композиции обладают более высокой пластичностью, чем на основе алюминия, армированного стальной арматурой, волокнами бора и углерода.

Получают композиции на основе бериллия диффузионной сваркой пакетов из чередующихся слоев бериллиевой проволоки и матричных листов. Композиции на основе алюминиевого сплава, армированного 50 об %, полученные при температуре 470 °С, давлении 70 МПа и выдержке 10 мин, имеют предел прочности 613-700 МПа, что близко к значениям, рассчитанным по закону аддитивности. Модуль упругости этих МКМ при растяжении составляет 200 ГПа, а при кручении – 74 ГПа, относительное удлинение – 3 %. Удельный модуль упругости и удельная прочность композиции А1 - 40 об % Be составляет 2500 км и 25 км соответственно.

Композиция А1 - волокна бора (рис. 37).


Рисунок 37 - Микроструктура композиции А1 - 30 об % В, полученной диффузионной сваркой [12]

Высокая прочность и жесткость этого КМ, а также значительное увеличение температурного уровня эксплуатации до 400-500 °С выдвигают его в число наиболее перспективных конструкционных материалов для авиакосмической техники.

При изготовлении композиций А1 - волокна бора основной технологической проблемой является предотвращение возможного взаимодействия бора с алюминием. Поэтому жидкофазные методы (пропитку, вакуумное всасывание, различные виды литья) применяют лишь тогда, когда на волокна бора предварительно нанесены защитные покрытия - карбид кремния (волокна борсика) или нитрид бора. Широко применяется диффузионная сварка, иногда с предварительным плазменным напылением матрицы на слои волокон.

Первый МКМ этого типа (ВКА-1) получен диффузионной сваркой пакета, составленного из чередующихся листов алюминиевой фольги, на которых напылением тонкого слоя алюминия были закреплены слои борных волокон. Доля напыленного алюминия в материале составила 15 %.

В зависимости от состава матричного сплава, объемного содержания арматуры и исходной прочности волокон режимы диффузионной сварки могут изменяться в следующих пределах: температура 490-600°С, давление 28-45 МПа, время выдержки 1-60 мин. Предел прочности и модуль упругости боралюминия ВКА-1 линейно зависят от объемного содержания волокон. Предел прочности материала ВКА-1, армированного 50 об % волокон бора с прочностью 2500 МПа, составляет 1100 МПа, а модуль упругости – 260 ГПа. Сравнение данных по прочности с рассчитанными по закону аддитивности показывает, что прочность арматуры реализуется на 85 %. Уровень свойств материала можно значительно повысить, используя более прочные (3000-3500 МПа) волокна бора.

Высокотемпературная прочность композиций, армированных 30 и 50 % В, в интервале 20-400 °С всегда выше прочности высокопрочных и жаропрочных алюминиевых сплавов (рис. 38). Наиболее значительно преимущество КМ при 250-400 °С.

Рисунок 38 – Зависимость предела прочности для КМ Al – B и алюминиевых сплавов от температуры: 1 - Al – 50 об % В; 2 - Al – 30 об % В; 3 – САП-3; 4 – САП-1; 5 – В95; 6 – АК4

Модуль упругости материала ВКА-1 с повышением температуры вплоть до 600 °С меняется незначительно и составляет для материала с 30 и 50 об % бора соответственно 130 ГПа и 228 ГПа.

Существенно расширить рабочую температуру боралюминиевых материалов вплоть до 500 °С можно, используя волокна из борсика. Предел прочности композиции А1 - борсик при этой температуре составляет 600 МПа. Материал изготовляют пропиткой алюминиевым расплавом пучка волокон, покрытых нитридом бора. Предел прочности этой композиции при Vf = 65% достигает 1600 МПа, длительные (в течение 1000 ч) выдержки при 300 °С и даже при 500 °С в течение 1 ч не разупрочняют материал.

Армирование алюминия борным волокном повышает такие важные показатели материала, как длительную и циклическую (рис. 39) прочность. Однонаправленные

Рисунок 39 – Циклическая прочность бор-алюминиевых КМ: 1 – алюминиевый сплав – 41 об % В; 2 - алюминиевый сплав – 33 об % В

KM A1 - В предназначены для применения в деталях конструкций, которые, как правило, подвергаются воздействию двухосного напряженного состояния. Поэтому к ним предъявляют повышенные требования в отношении поперечной прочности и жесткости. Эти показатели у боралюминиевых материалов еще недостаточно высоки и находятся на уровне показателей неармированной матрицы. Увеличивают поперечную прочность таких МКМ, применяя в качестве матриц термообработанные высокопрочные алюминиевые сплавы. Известен также метод введения наряду с борными волокнами небольшого количества (до 5 %) стальной арматуры, увеличивающей поперечную прочность композиций до 300 МПа (табл.  11) [12].

Таблица 11 – Механические свойства КМ Al – B – коррозионностойкая сталь

Vf, об. %

Режим

термообработки

матрицы

Прочность в направлении

Сопротивление сдвигу τ, МПа

продольном

поперечном

σв, МПа

Е,

ГПа

σв, МПа

σт, МПа

Е, ГПа

35

Без обработки

808

158,2

300

135

80,8

170

35

Закалка и старение

671

163,8

290

206

97,7

159

45

Без обработки

123

208,8

254

105

99,8

129

45

Закалка и старение

112

220,0

225

162

111,0

135

Поскольку однонаправленный боралюминиевый КМ обладает ярко выраженной анизотропией свойств, применяют его в тех конструкциях, где такая анизотропия допустима, например в компрессорных и вентиляторных лопатках газотурбинных авиадвигателей. Уменьшить анизотропию боралюминия, как и других однонаправленных композиций, можно комбинированным армированием, когда слои волокон укладывают под различными углами друг к другу в соответствии с кон­кретными условиями работы деталей из КМ.

Композиция А1 - углеродные волокна. Армируя алюминий углеродными волокнами, стремятся использовать высокие показатели их прочности и жесткости. Сочетание низкой плотности арматуры (1,82 т/м3) и матрицы (2,7 т/м3) позволяет создать МКМ с высокими удельными прочностью и жесткостью. Однако большой недостаток углеродных волокон - их нетехнологичность, связанная с хрупкостью волокон и их высокой реакционной способностью. В связи с этим приходится отказываться от таких технологических процессов, как диффузионная сварка и электроосаждение. Давление диффузионной сварки разрушает волокна, а методом электроосаждения получается пористая матрица, причем последующее уплотнение горячим прессо­ванием также повреждает волокна.

Обычно композицию А1 - С получают пропиткой жидким металлом или методами порошковой металлургии. Пропитку используют, изготовляя материалы, армированные непрерывными волокнами, а методы порошковой металлургии - вводя в композицию дискретные волокна.

Наиболее просто быстро протянуть пучки волокон через расплав алюминия. Время контактирования в этом случае не превышает нескольких секунд, что позволяет избежать появления карбида алюминия А14С, ухудшающего связь между волокном и матрицей.

Один из методов пропитки - литье под давлением инертного газа, например аргона. Давление 0,5-1,0 МПа способствует лучшему проникновению матрицы между волокнами, при этом время пропитки составляет несколько минут. Наряду с непрерывными волокнами литьем под давлением обрабатывают и короткие волокна. Чтобы уложить короткие волокна в литейную форму, их ориентируют в пучок введением связки (парафина) и вытягиванием смеси в жгут. При 400 °С парафин выгорает, освобождая межволоконные пространства для заполнения матричным металлом. Однако метод литья под давлением требует дальнейшего усовершенствования, так как образцы композиции А1 - С получаются с порами и неравномерным распределением волокон.

Разновидность пропитки - получение листовых образцов между горячими плитами. Плоскую слоистую заготовку помещают в контейнер, который после продувки аргоном вакуумируется. По достижении 600 °С к заготовке прикладывают давление 14 МПа. В момент расплавления алюминиевой матрицы давление доводят до 56 МПа и поддерживают до полной ее кристаллизации. Продолжается процесс не более 3 мин. Этим способом получают удовлетворительное распределение целых волокон по сечению образца.

Средний предел прочности, достигнутый при пропитке каркаса из 28 об % высокопрочных волокон Thornel-50 (σв = 2200 МПа; Е = 350 ГПа) силумином А1 + 13 % Si, составляет 750 МПа. Полученные материалы обладают хорошим сопротивлением резким теплосменам. Так, 20-кратное термоциклирование в интервале температур от минус 193 до плюс 500 ºС прочности их не снижает.

Композиции А1 - С с короткими волокнами длиной до 1 мм получают, смешивая арматуру с тонким алюминиевым порошком и затем экструдируя шихту при температурах 450–625 °С. Однако равномерности распределения волокон по объему композиции этим способом получить не удается. Кроме того, без повреждения арматуры экструзия позволяет армировать сравнительно небольшими долями волокон (10-11 %). Прочность такой композиции невысока вследствие недостаточной связи между волокном и матрицей, неравномерного распределения их, отклонений от однонаправленности волокон, а также наличия непропитанных матрицей комков волокон.

Из других методов порошковой металлургии иногда применяют горячее прессование в вакууме предварительно покрытых алюминием (путем разложения триизобутила алюминия) углеродных волокон. При этом объемную долю арматуры доводят до 47 %. Режимы прессования следующие: температура 450-660 °С, давление 8-77 МПа, время выдержки 1-60 мин. Прочность таких композиций достигает 550-600 МПа.

МКМ на основе магния. Использование магния и магниевых сплавов в качестве матричной основы МКМ, армированных высокопрочными и высокомодульными волокнами, позволяет создать легкие конструкционные материалы с повышенной удельной прочностью, жаропрочностью и модулем упругости.

Высокими прочностными свойствами отличается КМ Mg - В. Бор не растворяется в жидком магнии, а бориды магния образуются лишь при восстановлении магнием борного ангидрида. Поскольку волокна бора обладают длительной термической стабильностью в жидком магнии и его сплавах до 750 °С, для изготовления КМ можно применять методы пропитки и литья. Композиции Mg - В получают вакуумной пропиткой при температуре 750 °С. Особенно эффективна пропитка при высоких концентрациях арматуры (свыше 65 %), когда волокна очень равномерно распределяются по объему трубки-формы, а раковины и поры не образуются. Предел прочности при растяжении и сжатии для материала, армированного 69 об % борных волокон, при комнатной температуре составляет соответственно 2400 и 3190 МПа.

Способом непрерывного литья создают беспористый МКМ в виде прутков и различных профилей (труб, двутавров, швеллеров, уголков и пр.), в которые вводят до 65 – 75 об % борных волокон, равномерно распределенных по сечению изделия. Длина заготовок достигает 1 м. Прочностные характеристики KM Mg - В, полученных непрерывным литьем, представлены в таблице 12. Из других технологий получения КМ используют диффузионную сварку и осаждение из газовой фазы. Этими способами удается избежать повреждения волокон.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Схожі:

Композиционные материалы iconМетодические указания к выполнению студентами лабораторного практикума по дисциплинам «Теория процессов и формирования напыленных покрытий» для специальности 090103 и «Композиционные и порошковые материалы и покрытия» для специальности 090401
«Теория процессов и формирования напыленных покрытий» для специальности 090103 и «Композиционные и
Композиционные материалы iconКомпозиционные материалы на основе модифицированной коры сосны
Фгбоу впо «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», 656038, Российская Федерация, Алтайский край,...
Композиционные материалы iconМеждународная научно-практическая конференция «композиционные материалы повышенной долговечности для строительства»
Содержание доклада объемом до 5 стр на одном из языков: русском, украинском или английском, оформленного согласно требованиям, приведенным...
Композиционные материалы iconТезисы международной научно-технической конференции «Функциональные и композиционные материалы»
Збірка доповiдей VІ міжнародної наукової конференції аспірантів та студентів «Охорона навколишнього середовища та раціональне використання...
Композиционные материалы iconТребования к оформлению материалов в сборнике трудов конференции материалы до четырех полных страниц
Материалы до четырех полных страниц разместить на белой бумаге формата А4 (210х297) с полями 25 мм со всех сторон. Страницы не нумеровать....
Композиционные материалы iconДокументи
1. /Уч материалы/стр 1-62 Часть 1.doc
2. /Уч...

Композиционные материалы iconСумский государственный университет учебно-методические материалы
Учебно-методические материалы по развитию связной речи для студентов подготовительного отделения цмо / Составители: Е. А. Голованенко,...
Композиционные материалы iconОбъемно-планировочные решения зданий
Их сочетание определяет характер архитектурной композиции. Различают три основные композиционные системы, которые закладывают в основу...
Композиционные материалы iconПравила оформления материалов
Оргкомитет оставляет за собой право отклонять материалы, не соответствующие условиям конференции за стилистикой и содержанием или...
Композиционные материалы iconГосударственный стандарт союза сср система стандартов безопасности труда пожаровзрывоопасность веществ и материалов
Настоящий стандарт распространяется на простые вещества, химические соединения и их смеси в различных агрегатных состояниях и комбинациях,...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи