materialovedenie2 (Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Колосанов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева, Н.В. Ульянова - Материаловедение), страница 16

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) изготовляют в основном по той же технологии, что н САП вЂ” из порошков, помученных распылением сплавов заданных составов. Практическое значение имеют сплавы с низким температурным коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту линейного расширения стали, и высоким модулем упругости Так, САС состава: 25 — 30",~; Я; 5-7% Ы; остальное А1 — имеет и = (14,5 — 15,5) х х 1О в 1/'С; Е = 100 ГПа Эти сплавы заменяют более тяжелые стали прн изготовлении отдельных деталей приборов. Механические свойства САС характеризуются достаточно высокой прочностью, твердостью (о, = 2б0 МПа; 1)В !200) н низкой пластичностью (Ь= =1,5 —: 1у,').

Преимущества спекаемых алюминиевых сплавов по сравнению с обычными аналогичного состава-отсутствие литейных дефектов (ликвацни, шлаковых включений н т. д.) и мелкозернистая структура с равномерным распределением фаз. Дисперсно-упрач пенные композиционные материалы на никелевой основе. В качестве матрицы используют никель и его сплавы с хромом ( 20%) со структурой твердых растворов. Сплавы с хромоникелевой матрицей обладают более высокой жаростойкостью.

Упрочнителями слуясат частицы оксидов торна, гафния и др. Временное сопротивление в зависимости от объемного содержания упрочняющей фазы изменяется по кривой с максимумом. Наибольшее упрочнение достигается при содержании 3,5-4% НГОз; о, = = 750 —: 850 МПа; о,/(рй) = 9 —: 10 км; 6 = в сс 12%. Легирование никелевой Материалы г высокой уг!елыгой врочяоояыо 253 матрицы )!(г, Т), А1, обладающими переменной растворимостью в никеле, дополнительно упрочняет материалы в результате дисперсионного твердения матрицы, происходящего в процессе охлаждения с температур спекания.

Методы получения этих материалов довольно сложны. Они сводятся к смешиванию порошков металлического хрома и легирующих элементов с заранее приготовленным (методом химического осаждения) порогпком никеля, содержащим лисперсный оксид гафния или другого элемента.

После холодного прессования смеси порошков проводят горячую экструзию брикетов. Волокнистые композиционные материалы. Структура н свойства. В волокнисзых композиционных маз ериалах упрочнитслями служат волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений (В, С, А1зОз, ЯС и др.), а также проволока из металлов и сплавов (Мо, %, Ве, высокопрочная сталь и др.). Для армирования композиционных материалов используют непрерывные и дискретные волокна диаметром от долей до сотен микрометров. При упрочнении волокнами конечной длины нагрузка на них передастся через матрицу с помощью касательных напряжений.

В условиях прочного (без проскальзывания) соединения волокна с матрицей нагрузка на волокна при растяжении равна г к лй, где г-касательное напряжение, возникающее в матрице в месте контакта с волокном; И-диаметр волокна; 1-длина волокна. С увеличением длины волокна повышается возникающее в нем напряжение. При определенной длине, названной критической, напряжение достигает максимального значения. Оно не меняется при дальнейшем увеличении длины волокна. Длина 1„р определяется из равенства усилий в матрице на границе с волокном и в волокне с учетом симметричного распределения напряжений в нем: тцк(1„ /2 = о,Ы'/4; Рггс.

13.21. Теоретическая зависимость зффек- гнвносгн уцрочнення композиционного мате- риала ог соог ношения !/4 упрочнигеля !, = ол//(2 г); !ч,/г! = о„/(2т). Теоретические расчеты, подтвержденные практикой, показывают, что чем тоньше и длиннее волокно, а точнее, чем больше отношение длины к диаметру, тем выше степень упрочнения (о.„" /о„') композиционного материала (рис.

!3.2!). В качестве матриц металлических композиционных материалов используют металлы: алюминий, магний и титан, жаропрочный никель и сплавы на их основе; для неметаллических — полимерные, углеродистые, керамические материалы. Свойства волокнистых композиционных материалов в большой степени зависят от схемы армирования (рис. 13.22). Ввиду значительного различия в свойствах волокон и матрицы при одноосном армировании физическим и механическим свойствам присуща анизотропия. При иагружеиии растяжением временное сопротивление и модуль упругости композиционных материалов достигают наибольших значений в направлении расположения волокон, наименьших — в поперечном направлении.

Например, композиционный материал с матрицей из технического алюминия АД1, упрочненный волокнами бора, в направлении волокон имеет о, = 1000 гв 1200 МПа, а в поперечном — всего 60-90 МПа. Анизотропия 2Я Мшнериилвл, нрименнемеле в машино- и нриоороешроеллии д да д,д еу. Рис. 13.22. Схемы ярмировяпия (1 — 5) композиционных материалов и их влияние пя напряжения при растяжении эпоксидпых углепяястияов свойств не наблюдается при двухосном армировании с взаимно перпендикулярным расположением упрочняющнх волокон (см.

рис. 13.22). Олнако по сравнению с одноосным армнрованием прочность вдоль оси волокон уменьшается почти в 3 раза с 1000 до 350 МПа (рис. 13.23). Остаются низкими характеристики при сжатии и сдвиге. При нагружении материала вдоль волокон растяжением нагрузку в основном воспринимают высокопрочные волокна, а матрица слухшт средой для передачи усилий. Соотношение нагрузки, воспринимаемой волокнами (Р") н мазрицей (Р"), выражают через возникающие в них напряжения, соответственно, ов и о: )э /Рм ов)лв/ [ом (1 )/в)3 где 1"-объем волокон. Согласно закону Гука, напряжения можно выразить через модули упругости.

Тогда Рв )Рм — Явев$lв/ (Елям (1 )/в)1 При условии прочного (без проскальзьпзания) соединении волокон с матрицей в момент приложения нагрузки в них возникает одинаковая деформация, т. е. яя = гм. Следовательно, Рв(рм яв)лв/("ям(1 )лв)1 т. е. чем выше модуль упругости волокон Е' и больше их объем, тем в большей степени они воспринимают приложенную нагрузку. Объемная доля упрочнителя колеблется в широких пределах — от нескольких единиц до 80-90%. При этом композиционньзе материалы с ориентированными непрерывными волокнами содержат их, как правило, в количестве 60 — 80%.

Содержание хаотически расположенных дискретных волокон и нитевидных кристаллов ограничивается 20-30%, поскольку различие в их длине и диаметре создает технологические трудности в получении плотноупакованных материалов. Модуль упругости композиционного материала сравнительно достоверно д дд . га РУ дд 33 Вд Лооерен 1О Гд Гд 7 Л Одммное лодео нонне дононно, В Рис. 13.23. Зависимость временного сопротивления композиционных материалов ВКлз-! от содержания и ориентации волокон Материалы с высокой удельной прочностью 255 ТАБЛИ11А 13.4. Механические свойства одяоосяо-ярмярояяяяых коыяозняяоняых материалов с металлической матрняей подсчитывают, исходя из свойств и объемного содержания волокон и матрицы: Е" = Е'У» + Е (1 — Ув), Рнс. 13.24.

Схема изменения прочности всяокннстос о материала в зависимости от содержания упрсчпнтеля Например, модуль упругости композиционного материала с алюминиевой матрицей (Е = 70 ГПа), упрочненного 50 об.3', волокон бора (Е = 420 ГПа), равен 70.05 — 420.05=245 ГПа, что хорошо согласуется с модулем упругости реального композиционного материала ВКА-1 (Е = 240 ГПа, табл.

13.4). Временное сопротивление композиционных материалов изменяется в зависимости ог объемного содержания наполнителя также по закону аддитивности (рис. 13.24). Исключение составляют материалы с очень малым ( < 5 с) нлн очень большим ()80%) содержанием волокна Временное сопротивление композиционного материала подсчитывают по формуле: оя = о~~У~+ оы(1 — УЯ), где в и оя и сся — соответственно временное сопротивление волокна н матрицы. Малые значения прочности и жесткости композиционных материалов в направлении, перпендикулярном расположению волокон, при расгяжении объясняются тем, что в этом случае, также как при сжатии и сдвиге, они опрелеляются свойствами матрицы.

Большую роль играет матрица в сопротивлении композиционных материалов усталост- ному разрушению, которое начинается с матрицы. Гетерогенная структура, поверхности раздела между волокном и матрицей затрудняют процесс распространения трещины в направлении, перпендикуляриоь1 оси волокон. В связи с этим композгшионные материалы характеризуются высокими значениями предела выносливости.

Так, по пределу выносливости композиционные материалы на алюминиевой основе превосходят лучшие алюминиевые сплавы в 3 — 4 раза. При изготовлении деталей нз композиционных материалов волокна ориентируют так, чтобы с максимальной выгодой испольэовать их свойства с учетом действующих в конструкции нагрузок. Прочность композиционных материалов в большой степени зависит от проч- 256 Мошериолы, применнеиме в мишино- и приборостроении Рие.

13.25. Сзрувтурв излома композиционного материала ВКА-! ности сцепления волокон с матрицей. Для их качественного соединения необходимо прежде всего обеспечивать хороший контакт (без заг рязнений, газовых и других включений) по всей поверхности соединений. Композиционные материалы относятся в основном к термодинамически неравновесным системам, что является главной причююй диффузионных процессов п химических реакций, происходящих на вранице раздела между волокном и матрицей. Эти процессы протекают при изготовлении композиционных материалов и при их использовании. Некоторое взаимодействие межлу компонентами необходимо для обеспечения прочной связи между ними, перепачи напряжений.