Общая характеристика хрупкой составляющей

композитного полуфабриката (компонента)

Типичным представителем промышленных высокомодульных наполнителей композитов являются борные нити с номинальным диаметром 100 мкм ( r = 2560 кг/м³) и 140 мкм (r = 2480 кг/м³), используемые с тонким слоем защитного (барьерного) покрытия SiC, B₄C, BN или без него.

Для переработки в изделие могут быть использованы борная нить III, II, I сорта и улучшенная борная нить (УБН), различающиеся значением  (25). Прочность волокон колеблется в широких пределах, а коэффициент вариации прочности обычно составляет 24-35%. Подобное рассеяние результатов обусловлено наличием структурных дефектов. Концентраторами напряжений являются различные дефекты волокна – микротрещины, включения примесей, раковины, границы зерен, трещины и т.п. Понижение средней прочности борной нити при растяжении более длинных образцов в основном связано с выявлением наиболее крупных локальных дефектов структуры.

На напряженное состояние нити и ее прочность могут оказывать существенное влияние процессы стравливания поверхностного слоя, нагрев волокна и нанесение металлического покрытия. При растворении поверхностного слоя бора толщиной в несколько микрометров наблюдается сжатие нити; дальнейшее стравливание может изменить знак деформаций на обратный. При снятии слоя толщиной около 3 мкм на поверхности нити исчезает характерная структура «кукурузного початка», поверхность становится гладкой, а средняя прочность нити заметно увеличивается (рис. 10).. Существует четкая корреляция между типами и размерами дефектов и распределением прочности борных нитей.

Рис. 10. Общие характеристики хрупкой борной нити

 

Совершенствование технологии производства борных нитей, заключающееся в электрохимическом травлении поверхности, позволяет изменять размер поверхностных дефектов. За счет удаления тонкого поверхностного слоя их размеры можно сделать меньшими, чем размеры внутренних дефектов, т.е. перевести в разряд докритических. При средней прочности 2700 МПа (с разбросом 1000-4000 МПа) доля внутренних дефектов в общей совокупности трещин, вызывающих разрушение, по данным ГНИИТХЭОС составляет около 75%; при средней прочности 4000 МПа (с разбросом 2500-5000 МПа) до 100% разрушений приходится на внутренние дефекты. Установлена зависимость, связывающая прочность исходных и обработанных волокон. По данным разработчиков волокон прочность борной нити таким образом может быть повышена до 6000 МПа.

Сплошное алюминиевое покрытие, нанесенное на поверхность борной нити, показано на рис. 11. Бывшее одной из задач проведенного исследования изучение влияния тонкого алюминиевого покрытия на статистические характеристики прочности борной нити, при изучении основ физикохимии и технологии композитов становится основной частью домашнего задания. В зависимости от режимов алитирования изменение  и β носит сложный характер. На рис. 11 мы видим одновременный рост средней прочности и параметра β . Наблюдаемый положительный эффект может быть вызван тем, что в жидком сплаве происходит растворение бора в канавках, образованных стыками границ соприкасающихся зерен. Этот процесс может приводить к изменению геометрии канавки, в первую очередь ее остроты, что сопровождается уменьшением роли канавок как концентраторов напряжений при растяжении волокон. При переходе от процесса растворения бора в жидком алюминии к реакции образования боридов растущие по канавкам хрупкие фазы сами становятся дополнительными концентраторами напряжений, приводящими к снижению прочности (рис. 12). Таким образом, изменение средней прочности борной нити качественно связывают с изменением состояния популяции поверхностных дефектов.

Рис. 11. Сплошное алюминиевое покрытие на поверхности борной нити

а) до воздействия расплава

б) после воздействия расплава

Рис. 12. Гистограммы значений прочности одной и той же борной нити до (а) и после (б) кратковременного воздействия жидкого алюминия

 

Какова роль концентрации, размера и дисперсии размера поверхностных дефектов в процессе разрушения борной нити, если первоначально они переведены в разряд докритических? Эксперимент показывает, что если такую нить, в которой все сохранившиеся поверхностные дефекты имеют докритический размер (т.е. не вызывают разрушения нити), подвергнуть быстрому протягиванию через расплав алюминия АД-1, средняя прочность нити резко снизится (рис. 13), и это происходит за счет подрастания поверхностных дефектов (табл. 5). Чрезвычайно интересно и также важно для практических целей найти ответ на вопрос: «Это же самая популяция поверхностных дефектов или иная? » Ответ можно дать, лишь получив описание эволюции вероятности разрушения одной борной нити, находящейся в различных состояниях.

Рис. 13. Изменение гистограммы прочности высокопрочной борной нити в результате нанесения тонкого алюминиевого покрытия

 

Таблица 5

Изменение характеристик прочности борной нити и статистики дефектов, вызвавших разрушение отрезков равной длины в результате нанесения тонкого алюминиевого покрытия

Характеристики борной нити							Характеристика дефектов
							доля, (%)/ прочность (МПа)
							внутренние ⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒ Поделиться:

Последнее изменение этой страницы: 2019-10-04; Просмотров: 195; Нарушение авторского права страницы