Третьяков_Курс лекций по дисциплине Технология конструкционных материалов (Третьяков Курс лекций по дисциплине Технология конструкционных материалов), страница 5

Дефекты внутреннего строения подразделяют на точечные (вакансии), линейные (дислокации) и плоскостные (скопление дислокаций). Двухмерные дефекты характерны для поликристаллических материалов, т. е. для материалов, состоящих избольшого количества кристаллитов, различно ориентированных впространстве.Влияние дефектов строения на прочностные характеристикиметаллов неоднозначно. Если прочностные характеристики бездефектных кристаллов очень высоки, то увеличение дефектовдо определенного количества приводит к резкому снижениюмеханических свойств.

Дальнейшее увеличение дефектов, например, при введении в расплав компонентов или примененииспециальных методов искажения кристаллической решетки, повышает реальную прочность металлов.20Кристаллическое строение сплавов сложнее, чем чистых металлов, и зависит от взаимодействия его компонентов, которыепри кристаллизации образуют фазы (однородные объемы, разграниченные поверхностями раздела, при переходе через которуюсвойства меняются скачкообразно). Компоненты в твердом сплавемогут образовывать следующие структуры: твердые растворы, химические соединения и механические смеси.На свойства сплавов наряду со строением атомов основногокомпонента, атомно-кристаллического строения и химическогосостава существенное влияние оказывает микроструктура. Этотфактор показывает влияние размера, формы кристаллитов (зерен), взаимного расположения фаз, их формы и размеров насвойства материалов.

Для определения микроструктуры из исследуемого изделия изготавливают микрошлиф, структуру которого наблюдают с помощью оптического или электронного микроскопов (рис. 2.2).Рис. 2.2. Микроструктура сплава:1 – химическое соединение (АmBm);2 – элемент (компонент) в свободном виде;3 – механическая смесь [А(В)+АmBn];4 – твердый раствор [А(В)].Макроструктура заготовки является еще одним фактором, активно влияющим на свойства получаемых изделий, которая исследуется на шлифах при увеличении не более чем в 30–40 раз. Приисследовании макрошлифа можно обнаружить форму и расположение зерен в литом металле; деформированные кристаллиты в поковках; дефекты, нарушающие сплошность изделий; химическую неоднородность, вызванную процессом кристаллизации, и т.

д.Вид макроструктуры зависит от условий изготовления заготовок и деталей машин. Например, для строения слитков и отливокхарактерно наличие кристаллитов различных размеров и форм,пористости, раковин и т. п. Такую макроструктуру принято называть литой. Обработка давлением слитков при нагреве до высокихтемператур вызывает деформацию кристаллитов и частичную заварку пор и раковин, а последующая рекристаллизация формирует21мелкозернистое строение металла.

Таким образом формируетсядеформированная макроструктура. Заготовки с этим видом макроструктуры, как правило, обладают более высокими механическимисвойствами по сравнению с отливками.Материалы с аморфной структурой не имеют упорядоченногостроения и, в отличие от кристаллических тел, являются изотропными. Аморфная структура, так же, как и структура жидкости, характеризуется ближним порядком.

Переход аморфного веществаиз твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Аморфное тело можно представить какжидкость с очень большой вязкостью. Однако в отличие от жидкости в аморфном веществе частицы практически не обмениваютсяместами. Типичными аморфными веществами являются силикатные стекла, поэтому часто аморфное состояние называют стеклообразным. Аморфную структуру могут образовывать металлы приочень высоких скоростях охлаждения (примерно 106 °С/с).2.3.

Классификация композиционных материалови технологические процессы их полученияВ различных отраслях техники находят применение композиционные материалы (КМ), которые по сравнению с традиционными сплавами имеют ряд преимуществ, позволяющих значительноснизить массу, повысить прочность, жесткость и теплостойкостьконструкций. КМ могут состоять как из металлической, так и изнеметаллической матриц, упрочненных высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы).КМ представляет собой сварную конструкцию, свойства которой определяются геометрическими размерами, количеством,характером распределения, физико-механическими свойствамикомпонентов и прочностью связей между ними.

Отличительнойособенностью КМ является то, что в них проявляются достоинствакомпонентов, а не их недостатки. Для оптимизации свойств композиций выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами.Матрицей КМ служат металлы или сплавы (КМ на металлической основе), а также полимеры, углеродистые и керамическиематериалы (КМ на неметаллической основе).

Матрица связываеткомпозицию и придает ей форму. Главную роль в упрочнении КМ22играют армирующие наполнители. С увеличением модуля упругости и временного сопротивления наполнителя повышаются соответствующие свойства КМ. Кроме того, характеристики композитов зависят также от формы, размера, количества и характера распределения наполнителя (схемы армирования).По геометрическим параметрам армирующие элементы могутбыть разделены на три группы (табл. 2.1):– ноль-мерные компоненты, имеющие все три размера одногопорядка (например, частицы дисперсно-упрочненных КМ);– одномерные компоненты, один из размеров которых значительно превышает два других (например, волокнистые КМ);– двухмерные компоненты (например, биметаллы, триметаллыи др.).Таблица 2.1Классификация композиционных материаловпо расположению компонентов (схеме армирования)ГеометриякомпонентаНаиме- Обознанование чениеРасположение компонентовОдноосное(линейное)СхемаОбозначениеДвухосное(плоскостное)СхемаОбозначениеТрехосное(объемное)СхемаОбозначениеНульмерный0*0* : 0 : 00* : 0* : 00* : 0* : 0*Одномерный11:0:01:1:01:1:1Двухмерный2–2:2:0–––Варианты схем армирования комбинированных КМ компонентами различной геометрии приведены в табл.

2.2. По форме наполнителя композиты разделяют на дисперсно-упрочненные и волокнистые материалы.23Таблица 2.2Классификация комбинированных композиционных материаловпо видам сочетаний и расположению компонентовРасположениекомпонентовОдноосноеКомбинация компонентов0* + 10* + 21+20* + 1 + 2–––ДвухосноеТрехосное–В дисперсно-упрочненных КМ основную нагрузку воспринимает матрица, а дисперсные частицы оказывают сопротивлениедвижению дислокаций при нагружении материала.

Чем больше этосопротивление, тем выше прочность. Механические свойствазависят от характеристик матрицы, объемного содержания упрочняющей фазы, равномерности ее распределения, степени дисперсности и расстояния между частицами. Дисперсно-упрочненныеКМ изготавливают на основе алюминия с включениями оксидаалюминия и никеля, содержащего мелкодисперсные частицысплава никеля с хромом.В волокнистых КМ армирующими элементами служат волокна или нитевидные кристаллы чистых материалов и тугоплавкихсоединений (В, С, А12О3, SiС и др.), а также проволока из металлов и сплавов (Мо, W, Ве, высокопрочная сталь и др.). Для армирования КМ используют непрерывные и дискретные волокнадиаметром от долей до сотен микрометров. В качестве матрициспользуют металлы (Al, Mg, Ta, Ni и сплавы на их основе); длянеметаллических КМ – полимерные, углеродистые, и керамические материалы.Композиты на металлической основе обладают наиболее высокими механическими свойствами как при комнатной, так и привысокой температурах.

Кроме того, они влагостойки, негорючи,обладают электрической проводимостью и низким коэффициентом термического расширения (В-А1). Материалы с алюминиевойматрицей, нашедшие промышленное применение, армируют порошком оксида алюминия (САП), стальной проволокой (КАС),24борными волокнами (ВКА) и углеродным волокном (ВКУ). В качестве матрицы используют как чистый алюминий (АД1), так исплавы (Амг6, ВД5 и др.).Дисперсно-упрочненные КМ получают методами порошковойметаллургии и непосредственным введением наполнителя в жидкий металл или сплав перед разливкой.