Композиционные материалы icon

Композиционные материалы




НазваКомпозиционные материалы
Сторінка7/12
Дата15.05.2013
Розмір2.79 Mb.
ТипРеферат
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
Таблица 12 - Прочностные характеристики КМ Mg – В [12]

Композиционный материал

σв, МПа при

Е, ГПа при

изгибе

растяжении

изгибе

растяжении

Mg - 25 об. % В

1130

-

105

-

Mg - 75 об. % В

1600

1320

245

340

Для изготовления листовых композиций Mg - В методом диффузионной сварки выбирают такие оптимальные параметры процесса: давление 70 МПа, температура 525 °С, время 1 ч. В этом случае МКМ обладает высокими удельной прочностью, жесткостью и сопротивлением циклическим нагрузкам.

Прочность МКМ при правильно выбранных режимах диффузионной сварки достаточно близка к значениям, рассчитанным по правилу аддитивности с учетом прочности волокна, извлеченного из матрицы. Испытания волокон, выделенных из магниевой матрицы травлением в ледяной уксусной кислоте, показывают, что прочность арматуры (в сравнении с исходными средними показателями волокон) практически вполне можно сохранить (уменьшение прочности не превышает 3 – 5 %). Но отклонение от оптимальных параметров процесса сварки, например превышение давления в два раза, может привести к повреждению волокон и значительному снижению прочности МКМ, особенно при армировании малыми объемными долями волокон.

Повышение температуры сравнительно мало влияет на разупрочнение композиций Mg – 25 об % В, даже при500 °С сохраняются 67 % исходной прочности материала (прочности при комнатной температуре). Это является одним из самых высоких показателей жаропрочности среди материалов на магниевой основе.

Магний можно рассматривать и как перспективную матрицу для армирования углеродными волокнами. Растворимость углерода в магнии не обнаружена. Карбиды магния MgC2 и Mg2C9 образуются только в особых условиях - при пропускании этана над нагретым порошком магния в течение нескольких часов. Однако при создании композиций Mg - С приходится решать проблему смачиваемости углеродных волокон жидким магнием. Для увеличения этой способности на углеродную арматуру наносят никелевые покрытия (0,05 - 0,25 мкм) химическим и электрохимическим осаждением. Предел прочности композиции на основе магниевого сплава с добавками 3 % А1 и 1 % Zn, армированного 70 об % С (с σв = 1900-2200 МПа и Е = 190-210 ГПа), составляет 621 МПа, а модуль упругости – 139 ГПа. Улучшением качества композиций (снижением пористости и неравномерности распределения волокон по сечению образца) эти показатели можно значительно повысить.

Армирование сверхлегких магниево-литиевых сплавов проволоками из высокопрочной стали и титана позволяет создать КМ конструкционного назначения с самой низкой плотностью, сравнительно высокой жесткостью, высокими пластичностью и ударной вязкостью. Повышенная технологическая пластичность магниево-литиевой матрицы позволяет обрабатывать давлением такие композиции даже при комнатной температуре.

МКМ на основе сплава Mg - 8% Li, армированного проволоками из стали У8А и титанового сплава АТ3, получают пропиткой под давлением и сваркой в холодном состоянии. Пучок однонаправленных непрерывных проволок пропитывают при 630 – 650 °С в графитовой форме в течение 1 мин.

Введение в сплав Mg - 8% Li проволоки АТ3 (40 об %) с пределом прочности 800 МПа и модулем упругости 112 ГПа позволяет получить предел прочности 400 МПа, относительное удлинение 12 %, модуль упругости 66 ГПа, удельную прочность 15 км. Таким образом, прочность МКМ почти в 3 раза превосходит прочность матрицы и в 1,6 раза - ее удельную прочность. Если этот сплав армировать проволокой У8А (σв = 2900 МПа, Е = 220 ГПа, δ = 1-1,5%), то при содержании арматуры 15 об % можно получить МКМ с пределом прочности 600 МПа, относительным удлинением 5 %, модулем упругости 64 ГПа и удельной прочностью 2,5 км. Таким образом, прочность композиции увеличивается в 4 раза по сравнению с матрицей, а удельная прочность - в 2,6 раза.

Существенно увеличить прочностные свойства композиций (при снижении пластичности) можно, увеличивая концентрацию арматуры или применяя более прочные проволоки. Так, введение в магниево-литиевую матрицу стальной проволоки МС-200 (σв = 3400 МПа) позволяет при содержании арматуры 30 об. % изготовить МКМ с пределом прочности 710 МПа и удельной прочностью 21,5 км. При температуре 200 °С прочность этой композиции составляет 450 МПа, а удельная прочность - 13,6 км.

Армирование магниеволитиевых сплавов существенно расширяет диапазон рабочих температур (рис. 40). К тому же, при снижении температуры прочность КМ, армированных как стальными, так и титановыми проволоками, растет.

Рисунок 40 – Влияние температуры нга прочность КМ Mg – 8 об %  Li: 1 – неармированная матрица; 2 - КМ армированный 8 об % У8А; 3 - КМ армированный 15 об % У8А; 4 - КМ армированный 40 об % АТ3

Учитывая высокие значения прочности этих МКМ при низких температурах, композиции на основе магниево-литиевых сплавов можно рассматривать как конструкционный материал, способный работать в условиях низких температур.

Таким образом, армированием магниевых и магниево-литиевых сплавов высокопрочными волокнами можно создать конструкционные МКМ, отличающиеся чрезвычайно высокой удельной прочностью и способные работать в широком диапазоне температур: от - 75 до + 500 °С.

МКМ на основе титана. Армируя волокнами, титан и его сплавы повышают жесткость матричной основы и расширяют диапазон рабочих температур до 700 – 800 °С. Из известных высокомодульных армирующих элементов для введения в титановую матрицу чаще всего используют тугоплавкие металлические проволоки, а также волокна карбида кремния и бора. Для армирования титана металлическими волокнами можно применять прокатку, динамическое горячее прессование (ДГП) и сварку взрывом.

Прочность композиции Ti - Mo, полученной методом динамического уплотнения заготовок типа «сэндвич» в ва-куумируемых контейнерах, с повышением концентра­ции арматуры увеличивается линейно. Введение 44 об % молибденовой проволоки марки МЧ диаметром 0,08 мм в титан ВТ1-0 увеличивает прочность композиции более чем в 2 раза по сравнению с прочностью неармированной матрицы при комнатной температуре (400-500 МПа). Модуль упругости при этом возрастает с 100 до 200 ГПа. Армирование молибденовыми проволоками позволяет сохранить прочность этой композиции даже при высоких температурах. Так, при 800 °С композиция ВТ1-0 – 44 об % Мо имеет прочность 325 МПа, что в 9 раз превышает прочность матричного материала. При ДГП в композиции реализуется примерно 75-80 % первоначальной прочности молибденовой арматуры. Потери связывают с частичным разупрочнением арматуры при нагреве и появлением дополнительных дефектов в волокнах под воздействием ударной нагрузки. Композиции ВТ1-0 - Мо обладают достаточной пластичностью. При введении 44 об % арматуры относительное удлинение материала составляет 7-8 %, что позволяет подвергать компактный композит дальнейшей обработке давлением. Армирование титана молибденовой проволокой даже при небольших объемных содержаниях волокон существенно повышает длительную прочность КМ по сравнению с этой прочностью матрицы. При 700 °С сточасовая длительная прочность композиции ВТ1-0 – 44 об % Мо достигает 200 МПа.

Одним из недостатков композиций системы Ti - Мо является высокая плотность (5,5-7,0 т/м3), что снижает удельные характеристики этих материалов.

Армирование титановой матрицы волокнами бора и карбида кремния позволяет повысить не только абсолютные, но и удельные характеристики МКМ на основе титана. Так как эти волокна хрупки, то для получения компактных композиций Ti - В и Ti - SiC чаще всего используют диффузионную сварку в вакууме. Выбор температуры, времени и давления обусловлен необходимостью предотвратить механические повреждения арматуры и химические реакции на границе волокно - титановая матрица. Длительные выдержки композиции Ti - В при температурах выше 900 °С под давлением приводят к образованию хрупких боридов титана, разупрочняющих МКМ. Карбидокремниевые волокна более устойчивы в матрице. Их взаимодействие с титаном вплоть до температуры 900 °С протекает сравнительно медленно.

Чтобы повысить термическую стабильность борных волокон в титановых сплавах, их покрывают карбидом кремния (волокна борсика). Режимами диффузионной сварки для композиции ВТ1-0 - борсик служат: температура 780-920 °С, давление 40 – 60 МПа и время выдержки 20-30 мин. На аналогичных режимах получают и композиции Ti - SiC. Для титана, армированного 25 об % SiC, получены такие показатели: плотность 4,0 т/м3, предел прочности- 900 МПа, удельная прочность - 22,7 км, модуль упругости - 210 ГПа, удельный модуль упругости - 5260 км.

Высокопрочные и высокомодульные титановые композиции с низкой плотностью могут применяться в авиационной, ракетной и космической технике для изготовления таких деталей, как вентиляторные и компрессорные лопатки газовых турбин, детали обшивки фюзеляжей, крыльев и пр. В химической промышленности эти материалы можно использовать для резервуаров, реакторов и других емкостей, работающих под нагрузкой в агрессивных средах.

МКМ на основе меди и ее сплавов с упрочнителями из вольфрамовых и молибденовых проволок - это одни из первых КМ. Важнейшим преимуществом этих систем служит то, что вольфрамовые и молибденовые волокна практически не растворяются в меди и хорошо ею смачиваются.

Методы получения материалов Cu - тугоплавкие проволоки разнообразны. Это пропитка расплавом меди пучка волокон, уплотнение проволок, покрытых слоем меди, статическим и динамическим горячим прессованием, сваркой взрывом, методы порошковой металлургии.

Пропитка армирующего каркаса позволяет реализовать в композиции прочную связь между компонентами и наиболее полно использовать прочность волокон. Зависимость предела прочности от объемного содержания арматуры хорошо описывается уравнением аддитивности.

Изменение прочности системы Cu - W в интервале 20-400 °С незначительно, следовательно, в этом МКМ можно добиться напряжений, близких к пределу прочности арматуры. Тем же обусловлены высокие показатели длительной прочности и ползучести у композиции Cu - W. Медь, армированная 12,5 % W, не разрушается при 400 °С под давлением 160 МПа в течение 1700 ч, в то время как высокопрочный медный сплав, легированный цирконием, в этих условиях разрушается через 700 ч.

Армированная медь наряду с повышенной кратковременной и длительной прочностью обладает и повышенным сопротивлением усталостному разрушению при комнатной температуре. Предел усталости композиции Cu - W на базе 107 циклов в условиях повторного растяжения увеличивается с ростом объемной доли волокон. При Vf = 37,5 об % циклическая прочность составляет 300 МПа, а при Vf = 51 об % - 400 МПа, что в 4-5 раз превышает предел усталости чистой меди. Отношение циклической прочности на базе 107 циклов к статической для системы Cu - W составляет - 0,5. Чтобы обеспечить высокое сопротивление усталостному разрушению, необходимо иметь матрицу, которая при наличии переменных нагрузок практически не наклёпывается.

Уплотнением сваркой взрывом трубок с волокнами, покрытыми медью, получают беспористые прутки, в которых прочность вольфрамовой арматуры близка к первоначальной прочности волокон. КМ, армированный 75 об % проволоки диаметром 0,3 мм, имеет прочность после взрывного обжатия 1700-1900 МПа, в то время как прочность того же материала, полученного методом пропитки, составляет 1100-1300 МПа. Это связано с рекристаллизационными, разупрочняющими волокно процессами, протекающими при пропитке арматуры в контакте с жидкой медью.

Однонаправленный КМ Cu - W обладает более высокой тепло- и электропроводностью, чем одноименная композиция, спеченная из порошков. Этому способствует наличие сквозных каналов, заполненных медью. При этом макроструктура такого материала способствует повышенному теплоотводу в направлении волокон, что обеспечивает более высокую электроэрозионную стойкость материала по сравнению с порошковой композицией. В сочетании с высокой прочностью отмеченные электротехнические характеристики позволяют использовать армированную композицию Cu - W в качестве электрических контактов для сверхмощной высоковольтной аппаратуры.

МКМ на основе жаропрочных сплавов. Существующие виды упрочнения промышленных никелевых сплавов дисперсным твердением, карбидным упрочнением либо сложным легированием и термомеханической обработкой позволяют сохранить их работоспособность только до 950-1050 °С. Поэтому очень важно создать армированные волокнами никелевые композиции, способные работать длительное время при более высоких температурах.

Для армирования никеля и его сплавов применяют следующие упрочнители: нитевидные кристаллы А12О3, проволоки тугоплавких металлов и сплавов на основе W и Мо, волокна углерода и карбида кремния. Технология получения композиций зависит от того, взаимодействуют ли волокна с матрицей.

Армируя никель и нихром усами А12О3, используют методы порошковой металлургии. Так, один из способов заключается в экструдировании пластифицированных смесей матричных порошков и нитевидных кристаллов и последующем спекании заготовок. Чтобы улучшить прочность связи волокно - матрица, в шихту при этом вводят добавки некоторых металлов (титан, хром), а также растворов солей щелочноземельных металлов. Прочность композиций при введении 9 об % «усов» А12О3 может достичь 1800-2100 МПа, а удельная прочность – 22 - 25 км.

Жаропрочные композиции на основе деформируемых никелевых сплавов, армированные тугоплавкими металлическими проволоками, изготовляют способами пластической деформации: прокаткой, ДГП, сваркой взрывом. Из этой группы материалов типична композиция на основе жаростойкого никельхромвольфрамового сплава ХН60В, армированного однонаправленными вольфрамовыми проволоками диаметром 0,15-0,18 мм. Этот МКМ получают методом ДГП в вакууме пакетов, состоящих из чередующихся листов матричного металла и слоев проволоки марок ВА и ВТ15 (рис. 41).

Рисунок 41 - Микроструктура КМ ХН60В - вольфрамовая проволока ВТ15 (Vf  = 34 об %) [12]

Введение вольфрамовых проволок в сплав ХН60В значительно повышает кратковременную прочность по сравнению с неармированной матрицей (рис. 42), особенно при 1100-1200 °С, когда прочность композиций существенно выше прочности современных жаропрочных сплавов. Исходная прочность вольфрамовой арматуры не используется в композиции на 10-15 %, что связывают с появлением дефектов в некоторых волокнах при ударном уплотнении.

Рисунок 42 - Температурные зависимости пределов прочности сплава ХН60В, армированного вольфрамовыми проволоками, и некоторых жаропрочных сплавов:1, 2, 3, 4, - КМ с 34, 28, 22 и 15 об % проволоки ВТ15; 5 - композиции с 33 об % проволоки ВА; 6 - сплав ЖС6К; 7 - сплав ВЖ98; 8 - ТД-никель; 9 - Ni

Модуль упругости композиции увеличивается с ростом содержания арматуры соответственно закону аддитивности. При 34 об % проволоки ВТ15 он составляет 265 ГПа. Несмотря на то что пластичность материала при увеличении концентрации армирующих проволок снижается, композиции имеют довольно высокую ударную вязкость (40-80 мДж/м2) в интервале 34-15 об % волокон. Длительная прочность композиции ХН60В – 34 об % ВТ15 на базе 100 ч при температуре 1100 и 1200 °С составляет соответственно 104 и 55 МПа. Установлено, что при 1100 °С реализуется 68-70 % прочности арматуры, а при 1200 °С - всего 35-40 %. Разупрочнение проволок в процессе длительных испытаний можно объяснить тем, что приложенные нагрузки интенсифицируют рекристаллизацию вольфрамовой арматуры, чему способствует проникновение Ni и Cr из матрицы в волокна.

Композиционный материал ВКН-1 (матрица - литейный жаропрочный сплав ЖС6К, арматура - вольфрамовая проволока диаметром 0,5 мм марки ВА) получают вакуумным всасыванием. Предел прочности у материала ВКН-1 (табл. 13) в 1,5 раза выше, чем у сплава ЖС6К, при 1100 °С и в 4 раза - при 1200 °С. Длительная прочность ВКН-1 значительно выше такой прочности серийного высокожаропрочного сплава ЖС6К. При одинаковых значениях нагрузки и долговечности ВКН-1 по сравнению с неармированной матрицей имеет резерв по температуре в 100 °С.

Таблица 13 - Механические свойства ВКН-1 [12]

Т, °C

σв, МПа

σв,/γ, км

σ0,2,

σпц

δ

ψ

МПа

%

20

580

4,6

-

-

0,8

1,5

1100

538

4,3

500

416

3,4

11,5

1200

385

3,1

365

294

7,4

26,0

1300

290

2,3

-

-

3,2

4,5

Увеличить жаропрочность армированных материалов на никелевой основе можно за счет использования в качестве упрочнителей более прочных тугоплавких волокон. Из условий совместимости с вольфрамовыми волокнами экспериментально был подобран сплав такого состава: 56 % Ni, 25 % W, 15 % Cr, 2 % Al, 2 % Ti. Высокопрочные вольфрамовые волокна (70 об %) ввели в сплав пропиткой каркаса шликером из смеси тонкого порошка матрицы с последующим изостатическим прессованием. Длительная прочность этого сплава при 1100 °С составляет 245 МПа, а при 1200 °С - 98 МПа. Несмотря на то что при 70 об % арматуры удельный вес композиции выше, чем матрицы, почти в 2 раза, удельная прочность этого МКМ при температуре 1100 °С превышает удельную прочность матрицы в 6 раз, а при 1200 °С - в 8 раз.

Очень перспективными упрочнителями для жаропрочных матриц могут стать высокопрочные волокна карбида кремния, так как этот вид арматуры вплоть до температур 1300-1400 °С разупрочняется незначительно. Однако для карбидокремниевых волокон, как и для высокомодульной углеродной арматуры, еще не решена проблема совместимости с жаропрочными металлическими матрицами. Поэтому необходимо разрабатывать барьерные покрытия для этих видов арматуры.

Кроме армированных волокнами композиций, на никелевой основе разработаны МКМ на основе Со и Fe. Примером жаропрочного материала с кобальтовой матрицей служит горячепрессованная композиция из кобальта или кобальтового сплава L-605 (20 % Cr; 15 % W; 10 % Ni; 0,1 % С, остальное - Со), армированная вольфрамовыми волокнами диаметром 0,25 мм. Предел прочности материала Со – 18 об % W при 1100 °С составляет 40 МПа по сравнению с 19 МПа у кобальта, а при введении такого же количества однонаправленных волокон прочность повышается до 170 МПа. Кобальтовый сплав L-605, армированный 23 об % вольфрамовой однонаправленной арматуры, имеет при 1100 °С предел прочности 330 МПа, что превышает прочность матрицы в 2,6 раза. Создавая армированные КМ на основе железа, как правило, не преследуют цель получить высокую жаропрочность. Такие композиции могут иметь комплекс уникальных специальных физических свойств. Так, сплав железа с 1,35 % Si и 50 %Ni, армированный 8-15 об % вольфрамовой проволоки диаметром 30-250 мкм, кроме высокой прочности, обладает определенной анизотропией магнитных свойств (коэрцитивной силы). Это позволяет применять его для изготовления роторов специальных электрических машин. Введение 10-15 об. % армирующих волокон вольфрама в магнитотвердые сплавы типа ЮНДК24 значительно улучшает их механические характеристики. Так, ударная вязкость таких композиций возрастает в 5-10 раз. Увеличивается также сопротивление динамическим нагрузкам и вибрациям. Сочетание магнитных и высоких прочностных характеристик расширяет области использования магнитотвердых КМ.



    1. ^ Области применения МКМ


Материалы конструкционного назначения. МКМ все чаще применяют в таких областях современной техники, где они должны работать при низких, высоких и сверхвысоких температурах, в агрессивных средах, при статических, циклических, ударных, вибрационных и других нагрузках. Наиболее эффективно используются МКМ в таких конструкциях, особые условия работы которых не допускают применения традиционных металлических материалов. Однако чаще всего в настоящее время армированием металлов волокнами стремятся улучшить свойства матричного металла, чтобы повысить рабочие параметры тех конструкций, в которых до этого использовались неармированные материалы.

МКМ на основе легких сплавов применяют в авиационной, ракетной и космической технике. Из алюминиевых сплавов, армированных стальной и бериллиевой проволоками, изготовляют корпусные детали ракет и топливные баки. Для некоторых деталей фюзеляжа самолета F-111 (рам, лонжеронов, фитингов, стрингеров, переборок, панелей) применяют композиции на основе алюминиевых сплавов, упрочненных волокнами бора. Это позволяет снизить массу указанных деталей на 18-60 %. Для выравнивания анизотропии свойств таких композиций в материал наряду с продольными волокнами бора, воспринимающими основную нагрузку, вводят проволоки из высокопрочных нержавеющих сталей, увеличивающие поперечную прочность. В самолете F-106A композиция А1 - В использована для изготовления деталей обшивки фюзеляжа, крыла, элеронов, перегородок, шпангоутов и некоторых других. При этом также получена значительная экономия в массе. Уменьшение толщины обшивки крыла снизило его массу на 13%, а общую массу конструкции - на 23 % (880 кг). Снижение массы самолета значительно улучшает его летно-технические характеристики. За счет экономии в массе можно увеличить емкость баков (на 20-25 %), повысить массу полезной нагрузки без снижения скорости и дальности полета, увеличить время пребывания самолета в воздухе.

КМ системы Al - Be, A1 - В можно применять в качестве авиационной брони. Важное значение в авиакосмической технике имеют материалы с повышенным сопротивлением знакопеременным и циклическим нагрузкам. Из МКМ такими свойствами обладают композиции А1 - стальная проволока, А1 - Be, Al - В.

МКМ на основе легких сплавов начинают применять и в авиационном двигателестроении. Алюминиевый сплав, армированный 50 об % волокон борсика, использован в качестве материала вентиляторных лопастей газотурбинного двигателя. При этом повышается жесткость лопастей, уменьшаются колебания конструкции, что снижает аэродинамическое сопротивление и повышает к.п.д. двигателя. Композиции на основе алюминия и титана применяют для компрессорных лопаток в газотурбинном двигателе. Замена титановых лопаток алюминиевыми МКМ, а стальных лопаток горячей части компрессора материалами на основе Ti, например композицией Ti - SiC, существенно снижает массу двигателя. Наиболее актуальна в газотурбостроении задача повышения температуры термодинамического цикла энергетических установок. Даже малое повышение температуры газа перед турбиной значительно увеличивает к.п.д. газотурбинного двигателя (ГТД). Однако отсутствие высокожаропрочных материалов, способных длительное время выдерживать 1200-1300 °С, заставляет применять в ГТД различные способы охлаждения конструкций из используемых в настоящее время никелевых и кобальтовых сплавов. При этом усложняется геометрия рабочих и сопловых лопаток турбины, увеличиваются размеры и мощность компрессора двигателя. Обеспечить работу газовой турбины без охлаждения или, по крайней мере, с охлаждением, не требующим больших конструктивных усложнений ГТД, можно, создав специальные высокожаропрочные КМ. В качестве таких материалов испытывают МКМ на основе никеля и хрома, армированных нитевидными кристаллами А12О3. Для этого же создают композиции, в которых матрица изготовляется из жаропрочных сплавов, а арматура - из высокопрочных тугоплавких волокон.

В космической технике известно применение МКМ как конструкционного материала для панелей одного из рабочих модулей корабля «Аполлон» (композиция алюминиевый сплав – 40-50 об % волокон бора). Сталеалюминиевые армированные композиции использовались также в системах хранения жидкого кислорода.

Применяют МКМ и в ядерной технике. Так, алюминиевый сплав, армированный стекловолокном, содержащим окись урана, обладает повышенной прочностью при температурах 550 °С и может быть использован в качестве топливных пластин реакторов.

МКМ находят применение и как уплотнительные материалы. Например, каркас из волокон молибдена или стали, пропитанный матрицей из меди или серебра, позволяет изготовлять статические уплотнения, выдерживающие при температуре 650 °С давление 3200 МПа.

Для изготовления подшипников, работающих без смазки, успешно опробовали антифрикционный КМ на основе свинца, армированного 20 об % проволок из нержавеющей стали или оловянной бронзы. В космических условиях, где применение обычной смазки в узлах трения невозможно, можно также применять МКМ с нитевидными кристаллами А12О3.

Как износостойкий материал в коробках передач, дисковых муфтах, направляющих пусковых устройствах и других тяжелонагруженных механизмах можно использовать МКМ, армированные «усами» и волокнами SiC. В сварочной технике смогут применяться армированные присадочные материалы. Например, алюминий или его сплав с 4 % Cu, армированный небольшими долями волокон А12О3 или SiC, успешно использовали для сварки плавлением алюминия и его сплавов. Армирующая фаза при сварке переходит в сварочный шов, способствуя его упрочнению.

Материалы с особыми физическими свойствами. Области применения КМ определяются не только механиче­скими, но и физическими их свойствами - электрическими, магнитными, ядерными, акустическими и др. Армирование волокнами материалов неконструкционного назначения проводят как для улучшения их механических свойств, так и для создания комплекса физических свойств, обусловленных разной физической природой компонентов и анизотропностью структуры КМ.

Уже упоминалось об армированных вольфрамовой проволокой магнитотвердых материалах, сочетающих магнитные свойства с высоким сопротивлением ударным нагрузкам и вибрациям. Введение такой же арматуры в медную и серебряную матрицу позволяет получить износостойкие электрические контакты, предназначенные для сверхмощных высоковольтных выключателей. Для проводов высоковольтных линий применяют медную проволоку, армированную волокнами Nb. Такая проволока, обладая высоким сопротивлением ползучести, позволяет увеличить расстояние между опорами в 2-3 раза. Принцип армирования можно положить и в основу создания сверхпроводников, когда в матрицах из А1, Cu, Ti и Ni создают каркас из волокон сплавов, обладающих сверхпроводимостью, например Nb - Sn и Nb - Zr.

Направленно - закристаллизованные эвтектические сплавы имеют анизотропные электронные, магнитные, термоэлектрические и другие свойства. Так, эвтектиче­скую композицию Al - Al3Ni можно использовать как материал для прочных проводников.

Широкие потенциальные возможности открывают КМ в электронике. Антикатоды, контактные модуляторы, термические проводники, ферромагнитные системы, бесщеточные двигатели постоянного тока - далеко не полный перечень устройств электронной техники, где армированные композиции смогут найти применение.



  1. ^ ЭВТЕКТИЧЕСКИЕ КМ


Способы направленной кристаллизации применимы для получения МКМ на основе Ni, Al, Mg, Co, Nb, Ti, Ta и обеспечивают широкий диапазон рабочих температур, получаемых эвтектических МКМ.

На рисунке 43 приведена микроструктура эвтектического сплава системы TaC - (Co + Ni-Cr) протравленного после кристаллизации. На фотографии видны монокристаллические нитевидные кристаллы TaC.

Рисунок 43 – Микроструктура направленно-кристаллизованного эвтектического сплава TaC - (Co + Ni-Cr) [6]



    1. ^ Эвтектические материалы

на основе алюминия


Одной из наиболее изученных эвтектических систем на основе алюминия является МКМ Al – Al3Ni, содержащий 11 об % Al3Ni. При получении сплава этой системы по традиционной технологии монокристаллы Al3Ni располагаются произвольно, обеспечивая предел прочности ~ 90 МПа. При получении сплава методом направленной кристаллизации со скоростью 0,02-0,10 м/ч армирующая фаза ориентируется в одном направлении. Предел прочности композиции при этом возрастает до 330 МПа, а отдельных нитевидных монокристаллов - до 2800 МПа. Процесс разрушения при растяжении МКМ этой системы начинается с армирующей фазы, а не на поверхностях раздела, что характеризует высокую прочность связи между армирующим компонентом и матрицей.

С повышением температуры прочность сплава Al – Al3Ni понижается (рис. 44, кривая 1) и при температуре 500 ºС составляет 75 МПа. Композиция отличается высокой стабильностью структуры вплоть до температур плавления. Частицы Al3Ni при таких условиях сохраняют прочную связь с матрицей, не укорачиваются и не подвергаются сфероидизации до температуры 611 ºС. Композиция Al – Al3Ni имеет высокий предел усталости. Например,

Рисунок 44 – Зависимость прочности композиции Al – Al3Ni (1) и Al – CuAl2 (2) и относительного удлинения композиции Al – CuAl2 (3) от температуры

на базе 108 циклов он в 4-5 раз выше предела усталости алюминия. Усталостные трещины в композиции Al – Al3Ni, зарождаясь в матрице, огибают волокно Al3Ni и не разрушают его.

В композиции Al – CuAl2 при направленной кристаллизации эвтектика имеет пластинчатое строение. Объемная доля концентрации пластин CuAl2 среди пластин твердого раствора меди в алюминии составляет ~50 %. Пластины CuAl2, концентрация которых в композиции весьма высокая, имея меньшую прочность, чем Al3Ni, упрочняют матрицу меньше, чем Al3Ni. Сплав Al – CuAl2 из-за пластинчатого строения эвтектики отличается высокой хрупкостью. Разрушение материала начинается с разрушения пластин, за которым следует разрушение матрицы.

С повышением температуры у композиции Al – CuAl2 отмечается существенное возрастание относительного удлинения и падение предела прочности до 30 МПа (рис. 44, кривая 2).

Эвтектические КМ Al – CuAl2, Al – Al3Ni хорошо свариваются методом диффузионной сварки и обрабатываются холодной пластической деформацией. Диффузионную сварку можно вести при температурах 525 ºС и получать листы с перекрестным армированием.

Степень обжатия листов при холодной прокатке поперек волокон не более 70-80 %, так как при больших степенях обжатия волокна разрушаются. В результате прочность композиции Al – Al3Ni вдоль волокон становится меньше исходной.

КМ Al – CuAl2 и Al – Al3Ni применяют как конструкционный материал, а также для изготовления высокопрочных электрических проводов и контактов выключателей.



    1. ^ Эвтектические материалы на основе никеля


КМ на основе никеля являются жаропрочными. Физико-механические свойства некоторых УМ на основе никеля приведены в таблице 14.

Таблица 14 – Физико-механические свойства КМ на основе никеля

Материал

Упроч-нитель

Объемная доля

упрочнителя, %

Тпл, ºС

ρ, т/м3

σв, МПа

Е·10-2, МПа

δ, %

Волокнистые КМ

Ni

W

6

1500

-

830

-

45

Ni

NbC

11

1328

8,8

890

-

9,5

Ni-Co-Cu-Al

TaC

9

-

8,8

1650

-

5

Пластинчатые КМ

Ni

NiBe

38-40

1157

-

918

215

9

Ni

Ni3Nb

26

1270

8,8

745

-

12,4

Ni-Ni3Al

Ni3Nb

-

1270

-

1140

-

2,3

Ni3Al

Ni3Nb

44

1280

8,44

1240

24,2

8

Пластинчатые композиции, содержащие объемную долю упрочняющей фазы более 33-35 %, относятся к хрупким. К пластинчатым относятся композиции на основе никеля с содержанием объемной доли волокон 3-15 % из карбидов тантала, ниобия, гафния. Прочность карбидов близка к прочности «усов», полученных из газовой фазы, и колеблется в пределах 600-1200 МПа.

Процесс деформирования эвтектических композиций никель-карбид (Ta, Nb, Hf) сопровождается интенсивным дроблением (фрагментацией) армирующих волокон. Фрагментация охватывает всю рабочую зону и происходит в произвольном сечении. Разрушение волокон не приводит к разрушению всей композиции, поскольку деформирующаяся и вследствие этого упрочняющаяся матрица воспринимает нагрузку, которую несли разрушающиеся волокна. Разрушение композиции происходит по достижении волокнами (в результате фрагментации) критической длины. Легирование никелевой матрицы (например, Cu, Al и другими элементами) повышает ее прочность вследствие образования твердого раствора и выделения из него при охлаждении дисперсных частиц. Повышение прочности матрицы в результате ее легирования приводит к повышению прочности всей композиции.

Прочность пластинчатых эвтектик возрастает с уменьшением межпластинчатого расстояния, которое, в свою очередь, зависит от скорости охлаждения всей композиции (рис. 45).

Рисунок 45 – Зависимость σв пластинчатой эвтектики Ni3Al – Ni3Nb от температуры и скорости кристаллизации

При повышенных температурах пластичность пластинчатых эвтектик понижается. С ростом температуры деформационное упрочнение матрицы не происходит и она не способна воспринимать напряжения, появляющиеся в результате фрагментации волокон. Дробление волокон при высоких температурах происходит в узкой области, прилегающей непосредственно к зоне разрушения.

Пределы длительной прочности эвтектических КМ превосходят пределы прочности современных высокопрочных сплавов при рабочих температурах выше 900 ºС (рис. 46)

Рисунок 46 – Влияние температуры на 100-часовую длительную прочность жаропрочных никелевых сплавов (1 – ЭИ741, 2 – ЭИ437Б, 3 – ЖС6, 4 – ЖС6Ф) и эвтектических КМ (5 – (Ni-Ni3Al) - Ni3Nb, 6 - Ni3Al – Ni3Nb)

Эвтектические КМ на основе никеля применяют в основном в космической и ракетной технике для изготовления сопловых лопаток и крепежных деталей газотурбинных двигателей.

  1. ^ КЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ

МАТЕРАЛЫ


Керамические композиционные материалы (ККМ) представляют собой материалы, в которых матрица со­стоит из керамики, а арматура - из металлических или неметаллических волокнистых наполнителей. Армированные волокнами материалы на основе порошковых комбинированных матриц, в которые входят тугоплавкие неметаллические частицы и металл-связка, условно относят также к ККМ.

Керамические материалы характеризуются высокими точками плавления, высокой прочностью на сжатие, сохраняющейся при достаточно высоких температурах, и высокой стойкостью к окислению. Эти свойства керамики в течение многих веков использовались при изготовлении футеровки печей, огнеупорных изделий и т. п. В настоящее время требования к керамике как конструкционному материалу значительно возросли. Наряду с перечисленными свойствами от нее требуются высокие прочность на растяжение и ударная вязкость, стойкость к вибрациям и термоудару. Такими свойствами обладают, например, некоторые металлы. Сопоставление свойств керамики и металлов привело к попыткам создать КМ, в которых керамическая матрица сочетается с металлическими включениями в виде порошка. Таким образом получены керметы.

Дальнейшими исследованиями было установлено, что еще больший эффект дает введение в керамическую матрицу волокон металла. Так, чтобы достичь одинаковой с керметом термостойкости, в керамику нужно ввести примерно в 3 раза меньше металла в форме волокон, чем в виде порошка. Аналогичные исследования были затем проведены при введении в керамическую матрицу керамических волокон.

В ККМ нагрузка переносится с малопрочной матрицы на более прочную арматуру. Однако эффект увеличения предела прочности при растяжении наблюдается у ККМ не всегда. В некоторых случаях композиция получается менее прочной, чем неармированная матрица. Объяснить это можно сочетанием в ККМ малой пластичности с высоким модулем упругости при растяжении. Из-за этого удлинение матрицы при напряжении разрушения оказывается недостаточным для того, чтобы передать значительную часть нагрузки армирующим элементам. Преодолеть это можно либо подбором материала арматуры с более высоким, чем у матрицы, модулем упругости, либо за счет предварительного напряжения арматуры при условии достаточно прочной связи ее с матрицей. Предварительное напряжение арматуры создают механически или термически. Термическое напряжение осуществляют при условии, что коэффициент термического расширения армирующего материала больше, чем коэффициент термического расширения матрицы. В этом случае при охлаждении системы после нагрева в матрице возникают напряжения сжатия. При коэффициенте термического расширения арматуры меньшем, чем коэффициент термического расширения матрицы, в ней возникают растягивающие усилия, которые приводят к растрескиванию матрицы. Микротрещины, идущие от волокна к волокну, могут, не приводя к разрушению композиции, уменьшить предел прочности ее на растяжение.

Увеличение ударной вязкости армированной керамики объясняется лучшим распределением механических усилий, а также ограничением распространения трещин в матрице за счет армирующих волокон. Аналогично объясняется и повышение стойкости армированной керамики к термоудару.

Для изготовления ККМ применяют три основных метода: горячее прессование, прессование с последующим спеканием и шликерное литье (табл. 15). В каждом конкретном случае оценивают пригодность того или иного метода. Так, композиции, армированные металлическим волокном, изготовлять способом прессования с последующим спеканием нельзя, так как волокна препятствуют уплотнению порошка керамики, а после снятия давления прессования имеют тенденцию к восстановлению прежней формы. В результате появляются дефекты. Это особенно сказывается при больших диаметрах металлических волокон и их большом объемном содержании.

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