Тема 5. Композиционные материалы.

Современная техника предъявляет повышенные требования к материалам. В первую очередь это касается материалов, используе­мых в динамических конструкциях, где требуется не только высокая прочность, но и малая масса. Эффективность динамических конст­рукций (авиационные, энергетического и космического оборудова­ния) может быть увеличена благодаря повышению конструкционной эффективности материалов. Использование простых материалов не дает желаемого результата, для получения материалов с заданными свойствами требуется сочетание различных компонентов.

Композиционные материалы (композиты) представляют собой гетерофазные системы, полученные из двух или более компонентов с сохранением индивидуальности каждого из них. В строении ком­позита выделяют наполнитель (армирующий компонент) и свя­зующее (матрицу). Определяющее влияние на свойства композита оказывает наполнитель, распределенный в связующем. Матрица свя­зывает композицию (обеспечивает непрерывность), позволяет изго­товить необходимую инженерную конструкцию и передавать внеш­ние нагрузки к несущему упрочняющему компоненту. Наполнитель является разделенным компонентом и играет усиливающую или ар­мирующую роль.

Типичные примеры композиционных материалов: алюминиевые сплавы, упрочненные борными или углеродными волокнами; бетон, армированный стальной проволокой; пластмасса, упрочненная стек­ловолокном; упрочненные нейлоном смолы. Примером естественно­го композиционного материала является дерево, в котором лигнин упрочнен волокнами целлюлозы.

Для композиционных конструкционных материалов харак­терны следующие признаки:

• состав и форма компонентов материала определены заранее;

• компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих за­
данные свойства материала;

• материал является однородным в макромасштабе и неодно­
родным в микромасштабе (компоненты различаются по свойствам, и
между ними существует явная граница раздела);

• полученный композиционный материал обладает свойствами,
не присущими индивидуальным компонентам.

Композиционные материалы с металлической матрицей (металло-композиты) -- материалы, состоящие из металлической (чаще А1, Мg, Ni и их сплавы) матрицы, упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тугоплавкими тонкодисперспыми частицами, не растворяющимися и металле матрицы (дисперсионно-упрочненные материалы. Эти материалы отличаются от обычных сплавов большими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50 – 100%), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию и высокой жаропрочности.

Металлические матрицы обладают высокими реакционной способностью в жидкофазном состоянии и сопротивлением деформированию в твердофаз­ном, что создает проблемы химической и механической совместимости.

Применение композиционных материалов с металлической матри­цей повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости. Технология получения полуфабрикатов и изделий из таких материалов достаточно хорошо отработана.

Композиционные материалы с металлической матрицей как конст­рукционные материалы используются практически во всех отраслях на­родного хозяйства: в авиации — для изготовления высоконагруженных деталей (обшивки лонжеронов, панелей и др.) и двигателей (лопаток компрессоров и турбин и др.) самолетов; в автомобилестроении — для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т.д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и др.), в промышленном и гражданском строительстве (пролеты мос­тов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и др.) и т.д.

 Композиционные дисперсно-упрочненные материалы с металлической матрицей – в них последняя является основным элементом, несущим нагрузку, и эффект упрочнения достигается за счет торможения движе­ния дислокаций в ней дисперсными частицами упрочняющей фазы.

Высокая прочность достигается при размере частиц упрочняющей фазы 10...500 нм, среднем расстоянии между ними 100...500 нм и рав­номерном распределении их в матрице. Оптимальное содержание час­тиц для обеспечения прочности и жаропрочности в различных диспер­сно-упрочненных материалах неодинаково, но обычно не превышает 5...10об.%.

Дисперсно-упрочненные металлокомпозиты могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов. Наибо­лее широко используют сплавы на основе алюминия — САП (спечен­ный алюминиевый порошок). В спеченном сплаве алюминий является матрицей ячеистого строения, в которую в качестве фазы-упрочнителя включены дисперсные частицы А1₂О₃. Дисперсные частицы не взаимо­действуют с матрицей и не коагулируют при нагреве, вследствие чего прочностные свойства САП мало изменяются при нагреве (прочность при 20°С ниже, чем у дуралюминов, а при 200...300°С — выше).

Содержание А1₂О₃ в САП колеблется от 6...9 до 13...22%. С увеличе­нием содержания А1₂О₃ предел прочности повышается от 300 до 400 МПа, а относительное удлинение, соответственно, снижается от 8 до 3%. Опти­мальное количество А1₂О₃ составляет 20...22%.

Плотность САП равна плотности алюминия. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Так, длительная прочность для сплавов САП-1 и САП-2 при 500°С составляет 45...55 МПа. Пластичность этих сплавов удовлетворительная, что объясняется влиянием матрицы. САП не уступают алюминию по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при температурах эксп­луатации 250...500°С.

Сплавы САП после спекания прокатывают в листы, прутки разного профиля или подвергают штамповке. Они используются в качестве жаро­прочных для работы при температурах на 30...50°С выше, чем у деформируе­мых и литейных алюминиевых сплавов.

Большие перспективы имеют никелевые дисперсионно-упрочненные металлокомпозиты.

Наибольшей жаропрочностью обладают сплавы на основе никеля с 2...3 об.% диоксида тория (ВДУ-1) или диоксида гафния (ВДУ-2). Мат­рица этих сплавов - обычно -твердый раствор Ni + 20% Сг, Ni + 15% Мо, № + 20% Сг и Мо. Наибольшее применение получили сплавы ВДУ-1, ВДУ-2 и ВДУ-3 (матрица Ni + 20% Сг, упрочненная оксидом тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. Так, сплав ВДУ-1 при тем­пературе 1200°С имеет ₁₀₀= 75 МПа и ₁₀₀₀= 65 МПа.

Использование в качестве упрочняющих частиц стабильных туго­плавких соединений (оксидов тория, гафния, иттрия, сложные соеди­нения оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющихся,в мат­ричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9...0,95 Т_пл..

⇐ Предыдущая13141516171819202122Следующая ⇒

Поделиться: