Kompozitinės medžiagos metalo pagrindu. Miltelių kompozitai. Pluoštinės kompozicinės medžiagos
Kompozitines medžiagas sudaro metalinė matrica (dažniausiai Al, Mg, Ni ir jų lydiniai), sutvirtinta didelio stiprumo pluoštais (pluoštinėmis medžiagomis) arba smulkiai išsklaidytų ugniai atsparių dalelių, kurios netirpsta pagrindiniame metale (dispersija sustiprintos medžiagos). Metalinė matrica sujungia pluoštus (dispersines daleles) į vieną visumą. Pluoštas (dispersinės dalelės) ir rišiklis (matrica), sudarantys vieną ar kitą kompoziciją, vadinami kompozicinėmis medžiagomis.
Kompozitinės medžiagos su nemetaline matrica
Kompozitinės medžiagos su nemetaline matrica buvo plačiai pritaikytos. Polimerai, anglis ir keraminės medžiagos naudojamos kaip nemetalinės matricos. Plačiausiai naudojamos polimerinės matricos yra epoksidinė, fenolio-formaldehido ir poliamido matrica.
Koksuotos arba pirokarboninės anglies matricos gaunamos iš sintetinių polimerų, kuriems taikoma pirolizė. Matrica suriša kompoziciją, suteikdama jai formą. Stiprintuvai yra pluoštai: stiklas, anglis, boras, organiniai, kurių pagrindą sudaro ūsų kristalai (oksidai, karbidai, boridai, nitridai ir kiti), taip pat metalas (vielos), pasižymintis dideliu stiprumu ir standumu.
Kompozitinių medžiagų savybės priklauso nuo komponentų sudėties, jų derinio, kiekybinio santykio ir jungties tarp jų stiprumo.
Sutvirtinančios medžiagos gali būti pluoštų, sruogų, siūlų, juostų, daugiasluoksnių audinių pavidalo.
Kietiklio kiekis orientuotose medžiagose yra 60-80 tūrio%, neorientuotose medžiagose (su atskiru pluoštu ir ūsais) - 20-30 tūrio%. Kuo didesnis pluoštų stiprumas ir tamprumo modulis, tuo didesnis kompozitinės medžiagos stiprumas ir standumas. Matricos savybės lemia kompozicijos šlyties ir gniuždymo stiprumą bei atsparumą nuovargio gedimui.
Pagal armatūros tipą kompozitinės medžiagos skirstomos į stiklo pluoštus, anglies pluoštus su anglies pluoštais, boro pluoštus ir organinius pluoštus.
Sluoksniuotose medžiagose pluoštai, siūlai, juostos, impregnuotos rišikliu, klojami lygiagrečiai vienas kitam klojimo plokštumoje. Plokšti sluoksniai surenkami į plokštes. Savybės yra anizotropinės. Kad medžiaga dirbtų gaminyje, svarbu atsižvelgti į veikiančių apkrovų kryptį. Galite sukurti medžiagas, turinčias tiek izotropinių, tiek anizotropinių savybių. Pluoštai gali būti klojami skirtingais kampais, kintant kompozitinių medžiagų savybėms. Medžiagos lenkimo ir sukimo standumas priklauso nuo sluoksnių klojimo per visą pakuotės storį eilės tvarka.
Naudojami trijų, keturių ar daugiau sriegių armatūros elementų klojimas.
Plačiausiai naudojama konstrukcija yra trijų viena kitai statmenų gijų struktūra. Sustiprintuvai gali būti išdėstyti ašine, radialine ir apskritimo kryptimis.
Trimatės medžiagos gali būti bet kokio storio blokų ar cilindrų pavidalu. Tūriniai audiniai, palyginti su laminuotais audiniais, padidina lupimo ir šlyties stiprumą. Išskaidant armatūrą išilgai kubo įstrižainių, sukonstruota keturių siūlų sistema. Keturių siūlų struktūra yra pusiausvyra ir padidino šlyties standumą pagrindinėse plokštumose.
Tačiau sukurti keturias kryptines medžiagas yra sunkiau nei sukurti tris kryptines medžiagas.
Šio tipo kompozitinėms medžiagoms priskiriamos tokios medžiagos kaip SAP (sukepinto aliuminio milteliai), kurios yra aliuminiu sustiprintos išsklaidytomis aliuminio oksido dalelėmis. Aliuminio milteliai gaunami purškiant išlydytą metalą, po to sumalant rutuliniuose malūnuose iki maždaug 1 mikrono dydžio, esant deguoniui. Ilgėjant malimo laikui, milteliai tampa smulkesni ir didėja aliuminio oksido kiekis. Tolesnė SAP produktų ir pusgaminių gamybos technologija apima šalto presavimo, išankstinio sukepinimo, karšto presavimo, sukepinto aliuminio ruošinio valcavimo arba ekstruzijos gatavų gaminių pavidalu, kurie gali būti papildomai termiškai apdorojami.
SAP tipo lydiniai naudojami orlaivių inžinerijoje gaminant didelio specifinio stiprumo ir atsparumo korozijai detales, veikiančias iki 300 - 500 °C temperatūroje. Iš jų gaminami stūmoklių strypai, kompresoriaus mentės, kuro elementų korpusai ir šilumokaičio vamzdžiai.
Aliuminio ir jo lydinių sutvirtinimas plienine viela padidina jų stiprumą, padidina tamprumo modulį, atsparumą nuovargiui ir praplečia medžiagos eksploatavimo trukmės temperatūrų diapazoną.
Armavimas trumpais pluoštais atliekamas miltelinės metalurgijos metodais, kuriuos sudaro presavimas, po kurio atliekama hidroekstruzija arba ruošinių valcavimas. Stiprinant ištisiniais sumuštinių tipo kompozicijų pluoštais, susidedančiais iš kintamų aliuminio folijos ir pluošto sluoksnių, naudojamas valcavimas, karštasis presavimas, sprogdinamasis suvirinimas ir difuzinis suvirinimas.
Labai perspektyvi medžiaga yra aliuminio-berilio vielos kompozicija, kuri realizuoja aukštas fizines ir mechanines berilio armatūros savybes ir, visų pirma, jo mažą tankį ir didelį specifinį standumą. Kompozicijos su berilio viela gaunamos difuziniu būdu suvirinant paketus iš kintamų berilio vielos ir matricinių lakštų sluoksnių. Aliuminio lydiniai, sutvirtinti plieninėmis ir berilio vielomis, naudojami raketų korpuso detalėms ir kuro bakams gaminti.
Kompozicijoje „aliuminis – anglies pluoštas“ mažo tankio armatūros ir matricos derinys leidžia sukurti kompozitines medžiagas, pasižyminčias dideliu specifiniu stiprumu ir standumu. Anglies pluošto trūkumas yra jų trapumas ir didelis reaktyvumas. Aliuminio-anglies kompozicija gaunama impregnuojant anglies pluoštus skystu metalu arba miltelinės metalurgijos metodais. Technologiškai paprasčiausia yra ištraukti anglies pluošto ryšulius per aliuminio lydalą.
Aliuminio-anglies kompozitas naudojamas projektuojant šiuolaikinių naikintuvų degalų bakus. Dėl didelio specifinio medžiagos stiprumo ir standumo degalų bakų masė sumažėja 30%. Ši medžiaga taip pat naudojama orlaivių dujų turbinų variklių turbinų mentėms gaminti.
Kompozitinės medžiagos su nemetaline matrica
Pramonėje plačiai naudojamos kompozicinės medžiagos su nemetaline matrica. Polimerai, anglis ir keraminės medžiagos naudojamos kaip nemetalinės matricos. Iš polimerinių matricų plačiausiai naudojamos epoksidas, fenolio formaldehidas ir poliamidas. Akmens anglių matricos yra koksuojamos arba gaunamos iš sintetinių polimerų, kuriems taikoma pirolizė (skilimas, dezintegracija). Matrica suriša kompoziciją, suteikdama jai formą. Stiprintuvai yra pluoštai: stiklas, anglis, boras, organiniai, kurių pagrindą sudaro ūsų kristalai (oksidai, karbidai, boridai, nitridai ir kt.), taip pat metalas (vielos), pasižymintis dideliu stiprumu ir standumu.
Kompozitinių medžiagų savybės priklauso nuo komponentų sudėties, jų derinio, kiekybinio santykio ir jungties tarp jų stiprumo.
Kietiklio kiekis orientuotose medžiagose yra 60 - 80 tūrio. %, neorientuotuose (su atskiromis skaidulomis ir ūsais) - 20 - 30 t. %. Kuo didesnis pluoštų stiprumas ir tamprumo modulis, tuo didesnis kompozitinės medžiagos stiprumas ir standumas. Matricos savybės lemia kompozicijos šlyties ir gniuždymo stiprumą bei atsparumą nuovargio gedimui.
Pagal armatūros tipą kompozitinės medžiagos skirstomos į stiklo pluoštus, anglies pluoštus su anglies pluoštais, boro pluoštus ir organinius pluoštus.
Sluoksniuotose medžiagose pluoštai, siūlai, juostos, impregnuotos rišikliu, klojami lygiagrečiai vienas kitam klojimo plokštumoje. Plokšti sluoksniai surenkami į plokštes. Savybės yra anizotropinės. Kad medžiaga dirbtų gaminyje, svarbu atsižvelgti į veikiančių apkrovų kryptį. Galite sukurti medžiagas, turinčias tiek izotropinių, tiek anizotropinių savybių. Pluoštai gali būti klojami skirtingais kampais, kintant kompozitinių medžiagų savybėms. Medžiagos lenkimo ir sukimo standumas priklauso nuo sluoksnių klojimo per visą pakuotės storį eilės tvarka.
Naudojami trijų, keturių ir daugiau sriegių sutvirtinimai (7 pav.). Plačiausiai naudojama konstrukcija yra trijų viena kitai statmenų gijų struktūra. Sustiprintuvai gali būti išdėstyti ašine, radialine ir apskritimo kryptimis.
Trimatės medžiagos gali būti bet kokio storio blokų ar cilindrų pavidalu. Tūriniai audiniai, palyginti su laminuotais audiniais, padidina lupimo ir šlyties stiprumą. Keturių siūlų sistema sukonstruota dedant armatūrą išilgai kubo įstrižainių. Keturių siūlų struktūra yra pusiausvyra ir padidino šlyties standumą pagrindinėse plokštumose. Tačiau sukurti keturias kryptines medžiagas yra sunkiau nei sukurti tris kryptines medžiagas.
Ryžiai. 7. Kompozitinių medžiagų armavimo schema: 1- stačiakampė, 2- šešiakampė, 3- įstrižinė, 4- lenktais pluoštais, 5 – n siūlų sistema
Veiksmingiausios naudojant sunkiausiomis sausos trinties sąlygomis yra antifrikcinės medžiagos politetrafluoretileno (PTFE) pagrindu.
PTFE pasižymi gana dideliu statiniu trinties koeficientu, tačiau slydimo trinties metu ant PTFE paviršiaus susidaro labai plonas labai orientuoto polimero sluoksnis, padedantis išlyginti statinius ir dinaminius trinties koeficientus bei sklandų judėjimą slystant. . Pasikeitus slydimo krypčiai, esant orientuotai paviršiaus plėvelei, laikinai padidėja trinties koeficientas, kurio reikšmė vėl mažėja perorientuojant paviršinį sluoksnį. Dėl šios trinties PTFE jis plačiai naudojamas pramonėje, kur neužpildytas PTFE daugiausia naudojamas guolių gamybai. Daugeliu atvejų netepti guoliai turi veikti esant didesniam trinties greičiui. Tuo pačiu metu neužpildytas PTFE pasižymi didelėmis trinties koeficiento ir nusidėvėjimo koeficiento vertėmis. Kompozitinės medžiagos, dažniausiai PTFE pagrindu, buvo plačiai naudojamos kaip medžiagos neteptiems guoliams, veikiantiems tokiomis sąlygomis.
Paprasčiausias būdas sumažinti santykinai didelį PTFE susidėvėjimą sausos trinties metu yra miltelinių užpildų įvedimas. Tuo pačiu metu padidėja atsparumas valkšnumui suspaudimo metu ir pastebimas didelis atsparumo dilimui padidėjimas esant sausai trinčiai. Optimalaus užpildo kiekio įvedimas leidžia padidinti atsparumą dilimui iki 10 4 kartų.
Polimerai ir jų pagrindu pagamintos kompozicinės medžiagos turi unikalų fizinių ir mechaninių savybių rinkinį, dėl kurio jie sėkmingai konkuruoja su tradiciniais konstrukciniais plienais ir lydiniais, o kai kuriais atvejais nenaudojant polimerinių medžiagų neįmanoma užtikrinti reikiamų funkcinių savybių. ir specialių gaminių bei mašinų veikimas. Didelis plastikų perdirbimo į gaminius technologijų gaminamumas ir mažas energijos intensyvumas kartu su minėtais PCM privalumais daro juos labai perspektyviomis medžiagomis įvairios paskirties mašinų dalims.
38.1. klasifikacija
Kompozicinės medžiagos – tai medžiagos, sutvirtintos tam tikru būdu matricoje išdėstytais užpildais.Užpildai dažniausiai yra medžiagos, turinčios didelę tarpatominių jungčių energiją, didelį stiprumą ir didelį modulį, tačiau kartu su trapiomis matricomis gali būti naudojami ir labai plastiški užpildai.
Rišamieji komponentai arba matricos kompozitinėse medžiagose gali būti įvairios – polimerinės, keramikos, metalinės arba mišrios. Pastaruoju atveju kalbame apie polimatricines kompozitines medžiagas.
Pagal armavimo fazių morfologiją kompozitinės medžiagos skirstomos į:
nulinės dimensijos (žymėjimas: 0,) arba sustiprintos įvairios dispersijos dalelėmis, atsitiktinai paskirstytomis matricoje;
vienmatis pluoštinis (simbolis: 1) arba sutvirtintas vienkrypčiais ištisiniais arba atskirais pluoštais;
dvimatis sluoksniuotas (žymėjimas: 2), arba turintis identiškai orientuotas armuojančias lameles ar sluoksnius (38.1 pav.).
Kompozitinių medžiagų anizotropija, „sukurta“ iš anksto, siekiant ją panaudoti tinkamose konstrukcijose, vadinama struktūrine.
Atsižvelgiant į armavimo fazių dydį arba sutvirtinimo elemento dydį, kompozicinės medžiagos skirstomos taip:
submikrokompozitai (tvirtinimo ląstelės dydis, pluošto ar dalelių skersmuo<С 1 мкм), например, дисперсноупрочненные сплавы или волокнистые композиционные материалы с очень тонкими волокнами:
mikrokompozitai (armatūros elementų dydis, pluoštų skersmuo, dalelės arba sluoksnio storis ^1 μm), pavyzdžiui, medžiagos, sutvirtintos dalelėmis, anglies pluoštu, silicio karbidu, boru ir kt., vienkrypčiai eutektiniai lydiniai;
makrokompozitai (armatūros komponentų skersmuo arba storis –100 mikronų), pavyzdžiui, detalės, pagamintos iš vario arba aliuminio lydinių, sutvirtintų volframo arba plienine viela arba folija. Makrokompozitai dažniausiai naudojami technologinės įrangos frikcinių dalių atsparumui dilimui padidinti.
38.2. Sąsajų sąveika kompozicinėse medžiagose
38.2.1. Fizikinis, cheminis ir termomechaninis komponentų suderinamumas
Sujungus vienoje medžiagoje medžiagas, kurios labai skiriasi chemine sudėtimi ir fizinėmis savybėmis, kuriant, gaminant ir jungiant kompozitines medžiagas išryškėja komponentų termodinaminio ir kinetinio suderinamumo problema. Esant spaudimui
Dinaminis suderinamumas suprantamas kaip matricos ir sutvirtinančių užpildų gebėjimas neribotą laiką būti termodinaminės pusiausvyros būsenoje gamybos ir darbo temperatūroje. Beveik visos dirbtinai sukurtos kompozitinės medžiagos yra termodinamiškai nesuderinamos. Vienintelės išimtys yra kelios metalinės sistemos (Cu-W, Cu-Mo, Ag-W), kuriose nėra cheminės ir difuzinės sąveikos tarp fazių neribotą jų sąlyčio laiką.
Kinetinis suderinamumas – kompozitinių medžiagų komponentų gebėjimas išlaikyti metastabilią pusiausvyrą tam tikrais temperatūros ir laiko intervalais. Kinetinio suderinamumo problema turi du aspektus: 1) fizinį ir cheminį – užtikrina stiprų ryšį tarp komponentų ir riboja tirpimo, hetero- ir reakcijos difuzijos procesus sąsajose, dėl kurių susidaro trapūs sąveikos produktai ir degraduoja armavimo fazių ir visos kompozicinės medžiagos stiprumas; 2) termomechaninis - pasiekiant palankų terminės ir mechaninės kilmės vidinių įtempių pasiskirstymą ir sumažinant jų lygį; užtikrinti racionalų ryšį tarp matricos įtempimo sukietėjimo ir jos gebėjimo atpalaiduoti stresą, užkertant kelią perkrovai ir priešlaikiniam stiprėjimo fazių sunaikinimui.
Yra šios galimybės pagerinti metalo matricų fizinį ir cheminį suderinamumą su armuojančiais užpildais:
I. Naujų tipų armuojančių užpildų, atsparių sąlyčiui su metalinėmis matricomis aukštoje temperatūroje, kūrimas, pavyzdžiui, keraminiai pluoštai, ūsai ir dispersinės silicio karbidų, titano, cirkonio, boro, aliuminio oksidų, cirkonio, silicio nitridų, boro dalelės. ir kt.
II Armuojančių užpildų, pvz., ugniai atsparių metalų, titano karbidų, hafnio, boro, titano nitridų, boro, itrio oksidų dangų, padengimas ant anglies pluošto, boro, silicio karbido. Kai kurios pluoštų barjerinės dangos, daugiausia metalinės, yra priemonė, skirta pagerinti pluoštų drėkinimą matricos lydalais, o tai ypač svarbu gaminant kompozicines medžiagas skystosios fazės metodais. Tokios dangos dažnai vadinamos technologinėmis
Ne mažiau svarbus ir technologinių dangų dengimo metu aptiktas plastifikacijos efektas, pasireiškiantis pluoštų stabilizavimu ir netgi stiprumo padidėjimu (pavyzdžiui, aliuminuojant boro pluoštus tempiant juos per lydalo vonią arba nikeliuojant anglies pluoštus). su vėlesniu terminiu apdorojimu).
III. Kompozitinėse medžiagose naudojamos metalinės matricos, legiruotos su elementais, turinčiais didesnį afinitetą armuojančiam užpildui nei matricos metalui, arba su paviršinio aktyvumo priedais. Atsiradęs sąsajų cheminės sudėties pokytis turėtų užkirsti kelią sąsajų sąveikai.Matricinių lydinių legiravimas su paviršinio aktyvumo ar karbidą formuojančiais priedais, taip pat pluoštų padengimas technologinėmis dangomis gali padėti pagerinti armuojančio užpildo drėkinamumą su metalas tirpsta.
IV. Matricos legiravimas su elementais, padidinančiais armuojančio užpildo cheminį potencialą matricos lydinyje, arba su sutvirtinančios užpildo medžiagos priedais iki soties koncentracijos kompozicinės medžiagos gamybos ir eksploatavimo temperatūroje. Toks legiravimas neleidžia ištirpti armavimo fazei, t.y. padidina kompozicijos terminį stabilumą.
V. „Dirbtinių“ kompozitinių medžiagų, panašių į „natūralias“ eutektines kompozicijas, kūrimas parenkant tinkamą komponentų sudėtį.
VI. Optimalios komponentų sąlyčio trukmės parinkimas konkrečiame kompozitinių medžiagų gamybos procese arba jų eksploatavimo sąlygomis, t.y. atsižvelgiant į temperatūros ir jėgos veiksnius. Viena vertus, sąlyčio trukmė turi būti pakankama, kad tarp komponentų susidarytų tvirti lipni ryšiai; kita vertus, nesukelia intensyvios cheminės sąveikos, nesusidaro trapios tarpinės fazės ir nesumažėja kompozitinės medžiagos stiprumas.
Kompozitinių medžiagų komponentų termomechaninis suderinamumas užtikrinamas:
matricinių lydinių ir užpildų parinkimas su minimaliais tamprumo modulių, Puasono koeficientų ir šiluminio plėtimosi koeficientų skirtumais;
tarpinių sluoksnių ir dangų naudojimas armavimo fazėse, sumažinant matricos ir fazių fizikinių savybių skirtumus;
perėjimas nuo sutvirtinimo vieno tipo komponentu prie poliarmatūrinio, t.y. vienoje kompozicinėje medžiagoje armuojančių pluoštų, dalelių ar sluoksnių, kurie skiriasi sudėtimi ir fizinėmis savybėmis;
keičiant detalių geometriją, armatūros modelį ir mastelį; armavimo fazių morfologija, dydis ir tūrinė dalis; nuolatinio užpildo pakeitimas atskiru;
Kompozitinės medžiagos gamybos būdų ir režimų pasirinkimas, užtikrinantis tam tikrą jos komponentų sukibimo stiprumo lygį.
38.2.2. Sustiprinantys užpildai
Metalo matricoms sutvirtinti naudojami didelio stiprumo, didelio modulio užpildai - ištisiniai ir diskretiniai metaliniai, nemetaliniai ir keraminiai pluoštai, trumpi pluoštai ir dalelės, ūsai (38.1 lentelė).
Anglies pluoštai yra viena iš pažangiausių ir pažangiausių gamyboje sutvirtinančių medžiagų. Svarbus anglies pluošto privalumas – mažas savitasis tankis, metalams artimas šilumos laidumas (R = 83,7 W/(m-K)) ir santykinai maža kaina.
Pluoštai tiekiami tiesių arba susuktų miogofilamentinių sruogų, audinių arba iš jų pagamintų juostelių pavidalu. Priklausomai nuo žaliavos rūšies, gijų skersmuo svyruoja nuo 2 iki 10 mikronų, filameitų skaičius ryšulyje – nuo šimtų iki dešimčių tūkstančių vienetų.
Anglies pluoštai pasižymi dideliu cheminiu atsparumu atmosferos sąlygoms ir mineralinėms rūgštims. Pluoštų atsparumas karščiui mažas: ilgalaikio veikimo ore temperatūra neviršija 300-400 °C. Siekiant padidinti cheminį atsparumą sąlyčiui su metalais, pluoštų paviršius padengiamas barjerinėmis dangomis iš titano ir cirkonio boridų, titano karbidų, cirkonio, silicio ir ugniai atsparių metalų.
Boro pluoštai gaminami borą nusodinant iš vandenilio ir boro trichlorido dujų mišinio ant volframo vielos arba anglies monofilamentų, įkaitintų iki 1100–1200 °C temperatūros. Kaitinant ore, boro pluoštai 300-350 °C temperatūroje pradeda oksiduotis, o 600-800 °C temperatūroje visiškai praranda savo stiprumą. Aktyvi sąveika su dauguma metalų (Al, Mg, Ti, Fe, Ni) prasideda 400-600 °C temperatūroje. Siekiant padidinti boro pluošto atsparumą karščiui, ploni (2-6 µm) sluoksniai (SiC/B/W), boro karbidas (B4C/B/W), boro nitridas (BN/B/W) yra naudojami. dujų fazė.
100-200 mikronų skersmens silicio karbido pluoštai gaminami nusodinant 1300 °C temperatūroje iš silicio tetrachlorido ir metano garų-dujų mišinio, praskiesto vandeniliu santykiu 1:2:10, ant volframo vielos.
|
Anglies pluoštai
|
|
38.2 LENTELĖ LYDINIAI, NAUDOJAMI KAIP MATRIKSOS KOMPOZITINĖSE MEDŽIAGOSE
|
arba pikio anglies pluoštai. Geriausi pluošto pavyzdžiai turi 3000–4000 MPa stiprumą esant 1100 °C
Daugiafilamentinių pluoštų pavidalo silicio karbido pluoštai be šerdies, gaunami iš skystų organinių silanų tempimo ir pirolizės būdu, susideda iš itin smulkių f)-SiC kristalų.
Metalo pluoštai gaminami 0,13 skersmens vielos pavidalu; 0,25 ir 0,5 mm. Pluoštas, pagamintas iš didelio stiprio plieno ir berilio lydinių, daugiausia skirtas lengvųjų lydinių ir titano matricoms sutvirtinti. Pluoštai iš ugniai atsparių metalų, legiruotų renio, titano, oksido ir karbido fazėmis, naudojami karščiui atspariems nikelio-chromo, titano ir kitiems lydiniams sustiprinti.
Sutvirtinimui naudojami ūsai gali būti metaliniai arba keraminiai. Tokių kristalų struktūra yra monokristalinė, skersmuo dažniausiai iki 10 mikronų, ilgio ir skersmens santykis 20-100. Ūsai gaunami įvairiais būdais: auginimu iš dangų, elektrolitiniu nusodinimu, nusodinimu iš garų-dujų aplinkos, kristalizacija. nuo dujinės fazės per skystąją fazę. garų-skysčių kristalų mechanizmu, pirolizė, kristalizacija iš sočiųjų tirpalų, visceracija
38.2.3. Matriciniai lydiniai
Metalo kompozitinėse medžiagose daugiausia naudojamos matricos iš lengvai kaltų ir lietų aliuminio ir magnio lydinių, taip pat vario, nikelio, kobalto, cinko, alavo, švino ir sidabro lydinių; karščiui atsparūs nikelio-chromo, titano, cirkonio, vanadžio lydiniai; ugniai atsparių metalų chromo ir niobio lydiniai (38 2 lentelė).
38.2.4. Kompozitinių medžiagų jungčių tipai ir sąsajos struktūros
Priklausomai nuo užpildo medžiagos ir matricų, kompozitinių medžiagų gavimo per sąsajas metodus ir būdus, įgyvendinami šeši jungčių tipai (38.3 lentelė). Stipriausią ryšį tarp komponentų kompozicijose su metalinėmis matricomis užtikrina cheminė sąveika. Įprastas jungčių tipas yra mišrus, atstovaujamas kietų tirpalų ir tarpmetalinių fazių (pavyzdžiui, kompozicija „aliuminio-boro pluoštai“, gaunami nepertraukiamo liejimo būdu) arba kietieji tirpalai, intermetalinės ir oksidinės fazės (ta pati kompozicija gaunama presuojant plazmos pusiau gatavi produktai) ir kt.
38.3. Kompozitinių medžiagų gamybos metodai
Metalo kompozitinių medžiagų gamybos technologiją lemia gaminių konstrukcija, ypač jei jie yra sudėtingos formos ir reikalauja paruošti jungtis suvirinant, lituojant, klijuojant ar kniedijant, ir, kaip taisyklė, yra daugialypės.
Detalių ar pusgaminių (lakštų, vamzdžių, profilių) gamybos iš kompozitinių medžiagų pagrindinis pagrindas dažniausiai yra vadinamieji prepregai, arba juostos su vienu armuojančio užpildo sluoksniu, impregnuotos arba padengtos matriciniais lydiniais; metalu impregnuotos pluošto kuodelės arba atskiri pluoštai, padengti matricos lydiniais.
|
KOMPOZITINIŲ MEDŽIAGŲ KLIJAVIMO PAGAL SĄJOS PAVIRŠIAUS TIPAI
|
Dalys ir pusgaminiai gaunami sujungiant (sutankinant) originalius prepregus, naudojant impregnavimo, karšto presavimo, valcavimo ar tempimo prepreg pakuotes būdus. Kartais ir prepregai, ir gaminiai iš kompozicinių medžiagų gaminami tais pačiais metodais, pavyzdžiui, miltelių ar liejimo technologija, tačiau skirtingais režimais ir skirtingais technologiniais etapais.
Prepregų, pusgaminių ir gaminių iš kompozicinių medžiagų su metalinėmis matricomis gamybos būdus galima suskirstyti į penkias pagrindines grupes: 1) garų-dujų fazė; 2) cheminis ir elektrocheminis; 3) skystoji fazė; 4) kietoji fazė; 5) kietoji-skystoji fazė.
38.4. Metalo matricos kompozitinių medžiagų savybės
Kompozitinės medžiagos su metalinėmis matricomis turi daug neabejotinų pranašumų prieš kitas konstrukcines medžiagas, skirtas naudoti ekstremaliomis sąlygomis. Šie privalumai: didelis stiprumas ir... standumas kartu su dideliu atsparumu lūžiams; didelis savitasis stipris ir standumas (tempimo stiprio ir tamprumo modulio santykis su a/y ir E/y savituoju sunkiu); aukšta nuovargio riba; didelis atsparumas karščiui; mažas jautrumas šiluminiam smūgiui, paviršiaus defektams, didelės slopinimo savybės, elektrinis ir šilumos laidumas, gaminamumas projektuojant, apdorojant ir sujungiant (38 4 lentelė).
|
KOMPOZICINĖS MEDŽIAGOS SU METALŲ MATRIKS PALYGINANT SU GERIAUSIA METALO KONSTRUKCINĖMIS MEDŽIAGOMIS |
|
385 LENTELĖ |
|
MECHANINĖS KOMPOZITINIŲ MEDŽIAGŲ SU METALŲ MATRIKSŲ SAVYBĖS
|
Nesant specialių reikalavimų medžiagoms dėl šilumos laidumo, elektros laidumo, atsparumo šalčiui ir kitų savybių, kompozitinių medžiagų veikimo temperatūrų diapazonai nustatomi taip:<250 °С - для материалов с полимерными матрицами; >1000 °C - medžiagoms su keraminėmis matricomis; Kompozicinės medžiagos su metalinėmis matricomis apima šias ribas
Kai kurių kompozitinių medžiagų stiprumo charakteristikos pateiktos 38 5 lentelėje.
Pagrindiniai kompozitinių medžiagų jungčių tipai šiandien yra varžtiniai, kniediniai, klijuojami, jungtys litavimo ir suvirinimo būdu bei kombinuotos. Ypatingai perspektyvios yra jungtys litavimo ir suvirinimo būdu, nes atveria galimybę maksimaliai išnaudoti unikalias kompozito savybes. medžiaga struktūroje, tačiau jų įgyvendinimas yra sudėtinga mokslinė ir techninė užduotis ir daugeliu atvejų dar nepasiekė eksperimentinės stadijos
38.5. Kompozitinių medžiagų suvirinamumo problemos
Jeigu suvirinamumu turime omenyje medžiagos gebėjimą suformuoti savo savybėmis jai neprastesnes suvirintas jungtis, tai kompozitines medžiagas su metalinėmis matricomis, ypač pluoštinėmis, reikėtų priskirti prie sunkiai suvirinamų medžiagų. Tam yra keletas priežasčių.
I. Suvirinimo ir litavimo metodai apima kompozicinių medžiagų sujungimą per metalinę matricą. Suvirintoje ar lituotoje siūlėje armuojančio užpildo arba visiškai nėra (pavyzdžiui, sandūrinėse siūlėse, esančiose skersai armatūros krypčiai pluoštinėse arba sluoksniuotose kompozicinėse medžiagose), arba yra sumažintos tūrio dalies (suvirinant dispersiškai sustiprintas medžiagas laidai, kuriuose yra atskira armavimo fazė), arba yra armatūros tęstinumo ir krypties pažeidimas (pavyzdžiui, difuzinio pluošto suvirinimo metu skersai armatūros krypties). Vadinasi, suvirinta ar lituota siūlė yra susilpnėjusi kompozitinės medžiagos struktūros sritis, į kurią reikia atsižvelgti projektuojant ir ruošiant jungtį suvirinimui. Literatūroje yra pasiūlymų dėl savarankiško kompozicinių komponentų suvirinimo, kad būtų išlaikytas armatūros tęstinumas (pavyzdžiui, volframo pluoštų slėginis suvirinimas volframo-vario kompozicijoje), tačiau autonominiam pluoštinių kompozitinių medžiagų sandūriniam suvirinimui reikalingas specialus briaunų paruošimas. , griežtai laikomasi armatūros žingsnio ir tinka tik medžiagoms sutvirtinti metalo pluoštai. Kitas pasiūlymas yra paruošti sandūrines jungtis, kurių pluoštai persidengia už kritinio ilgio, tačiau tai sukelia sunkumų užpildant jungtį matricine medžiaga ir užtikrinant tvirtą ryšį pluošto ir matricos sąsajoje.
II. Suvirinimo įkaitimo įtaką fizikinės ir cheminės sąveikos raidai kompozitinėje medžiagoje patogu nagrinėti naudojant jungties, susidariusios lanku lydant pluoštinę medžiagą skersai armatūros krypties, pavyzdį (38.2 pav.). Jei matricos metalas neturi polimorfizmo (pavyzdžiui, Al, Mg, Cu, Ni ir kt.), tada jungtyje galima išskirti 4 pagrindines zonas: 1 - zona, kaitinama iki matricos grįžtamosios temperatūros (pagal analogiją su suvirinimui). vienalytės medžiagos, šią zoną vadinsime pagrindine medžiaga); 2 - zona, apribota matricinio metalo grąžinimo ir perkristalizavimo temperatūrų (grįžimo zona); 3 zonų,
ribojama matricos rekristalizacijos ir lydymosi temperatūrų (rekristalizacijos zona); 4 - šildymo zona virš matricos lydymosi temperatūros (vadinkime šią zoną suvirinimo siūle). Jei kompozitinėje medžiagoje matrica yra Ti, Zr, Fe ir kitų metalų, turinčių polimorfines transformacijas, lydiniai, tada 3 zonoje atsiras subzonos su visišku arba daliniu matricos fazės perkristalizavimu, tačiau šiuo požiūriu šis taškas nėra reikšmingas.
Kompozitinės medžiagos savybių pokyčiai prasideda 2 zonoje. Čia regeneravimo procesai pašalina matricos įtempimą, susidariusį sutankinant kompozitinę medžiagą kietosios fazės būdu (skystosios fazės metodais gautose kompozicijose minkštėjimo nepastebima zona).
3 zonoje vyksta matricos metalo grūdelių perkristalizacija ir augimas. Dėl matricos atomų difuzinio judrumo tampa įmanoma tolesnė tarpfazių sąveikos plėtra, prasidėjusi kompozitinės medžiagos gamybos procesuose, didėja trapių sluoksnių storis, prastėja visos kompozicinės medžiagos savybės. Kai lydoma suvirinimo medžiaga
Kai gaunami miltelių arba prepregų kietosios fazės sutankinimo milteliais arba purškiama matrica metodais, galimas poringumas palei lydymosi ribą ir gretimas tarpfazių ribas, pablogindamas ne tik stiprumo savybes, bet ir suvirintos jungties sandarumą.
4 zonoje (suvirinimo siūlė) galima išskirti 3 sekcijas:
4 sekcija“, greta suvirinimo ašies, kur dėl stipraus perkaitimo po metalo matricos lydalo lanku ir ilgiausią metalo buvimo išlydytą būseną, visiškai ištirpsta armavimo fazė;
4 sekcija", pasižyminti žemesne lydalo kaitinimo temperatūra ir trumpesniu armavimo fazės kontakto su lydalu trukme. Čia ši fazė tik iš dalies ištirpsta lydaloje (pvz., sumažėja pluoštų skersmuo, atsiranda ertmių ant jų paviršiaus; sutrinka armatūros vienakryptis);
4" sekcija", kur nėra pastebimo armavimo fazės matmenų pasikeitimo, tačiau vystosi intensyvi sąveika su lydalu, susidaro trapių sąveikos produktų sluoksniai arba salelės, mažėja armavimo fazės stiprumas. Dėl to 4 zona tampa didžiausio kompozitinės medžiagos pažeidimo suvirinimo metu zona.
III. Dėl matricos medžiagos šiluminio plėtimosi ir armavimo fazės skirtumų suvirintose kompozitinių medžiagų jungtyse atsiranda papildomų termoelastinių įtempių, dėl kurių susidaro įvairūs defektai: įtrūkimai, trapių armavimo fazių sunaikinimas labiausiai šildomoje 4 jungties zonoje. , delaminacija išilgai tarpfazių ribų 3 zonoje.
Norint užtikrinti aukštas kompozitinių medžiagų suvirintų jungčių savybes, rekomenduojama atlikti šiuos veiksmus.
Pirma, tarp žinomų sujungimo būdų pirmenybė turėtų būti teikiama kietosios fazės suvirinimo būdams, kuriuose dėl mažesnio energijos sąnaudų galima pasiekti minimalų jungties zonos komponentų savybių pablogėjimą.
Antra, slėginio suvirinimo režimai turi būti parinkti taip, kad būtų išvengta armatūros komponento pasislinkimo ar suspaudimo.
Trečia, lydant kompozicines medžiagas, reikia pasirinkti tokius metodus ir režimus, kurie užtikrintų minimalų šilumos patekimą į jungties zoną.
Ketvirta, lydomasis suvirinimas turėtų būti rekomenduojamas jungiant kompozitines medžiagas su termodinamiškai suderinamomis sudedamosiomis dalimis, tokiais kaip varis-volframas, varis-molibdenas, sidabras-volframas, arba sutvirtintas karščiui atspariais užpildais, tokiais kaip silicio karbido pluoštai arba užpildai su barjerinėmis dangomis, pvz., boro pluoštai su boro karbido arba silicio karbido dangomis.
Penkta, elektrodo ar užpildo medžiagoje arba tarpinių tarpiklių medžiagoje lydomajam suvirinimui ar litavimui turi būti legiruojančių priedų, kurie riboja armuojančio komponento tirpimą ir trapių paviršinės sąveikos produktų susidarymą suvirinimo proceso metu ir vėlesnio suvirinimo veikimo metu. vienetų.
38.5.1. Kompozitinių medžiagų suvirinimas
Pluoštinės ir laminuotos kompozitinės medžiagos dažniausiai sujungiamos plokštuminiu būdu. Grindų ilgio ir medžiagos storio santykis dažniausiai viršija 20. Tokias jungtis dar galima sustiprinti kniedytomis arba varžtinėmis jungtimis. Kartu su juosmeninėmis jungtimis galima daryti sandūrines ir kampines suvirintas jungtis armatūros kryptimi, o rečiau - skersai armatūros. Pirmuoju atveju, teisingai pasirinkus suvirinimo ar litavimo būdus ir būdus, galima pasiekti vienodą jungties stiprumą; antruoju atveju jungties stiprumas dažniausiai neviršija matricinės medžiagos stiprumo.
Kompozitinės medžiagos, sutvirtintos dalelėmis, trumpais pluoštais ir ūsais, suvirinamos tais pačiais metodais, kaip ir nuo kritulių kietėjantys lydiniai ar miltelinės medžiagos. Tokiu atveju galima pasiekti vienodą suvirintų jungčių stiprumą su pagrindine medžiaga, jei kompozicinė medžiaga pagaminta naudojant skystosios fazės technologiją, sutvirtinta karščiui atspariais užpildais ir parenkant tinkamus suvirinimo būdus bei suvirinimo medžiagas. Kai kuriais atvejais elektrodo arba užpildo medžiaga gali būti panaši arba panaši į pagrindinę medžiagą.
38.5.2. Dujomis ekranuotas lankinis suvirinimas
Metodas naudojamas lydant kompozicines medžiagas su chemiškai aktyvių metalų ir lydinių (aliuminio, magnio, titano, nikelio, chromo) matrica. Suvirinimas atliekamas nenaudojamu elektrodu argono atmosferoje arba mišinyje su heliu. Norint reguliuoti suvirinimo šiluminį poveikį medžiagoms, patartina naudoti impulsinį lanką, suspaustą lanką arba trifazį lanką.
Siekiant padidinti jungčių stiprumą, siūles rekomenduojama daryti naudojant kompozitinius elektrodus arba užpildo laidus, kurių armavimo fazės tūrinis kiekis yra 15-20%. Trumpi boro, safyro, nitrido arba silicio karbido pluoštai naudojami kaip armavimo fazės.
38.5.3. Suvirinimas elektronų pluoštu
Metodo pranašumai yra tai, kad nėra išlydyto metalo ir armuojančio užpildo oksidacijos, vakuuminis metalo degazavimas suvirinimo zonoje, didelė energijos koncentracija sijoje, leidžianti gauti sujungimus, kurių lydymosi plotis yra minimalus. zona ir šilumos veikiama zona. Pastarasis privalumas ypač svarbus darant pluoštinių kompozitinių medžiagų jungtis armavimo kryptimi. Specialiai paruošus jungtis, galima suvirinti naudojant užpildo tarpiklius.
38.5.4. Atsparumo taškinis suvirinimas
Armatūros fazės buvimas kompozitinėje medžiagoje sumažina jos šilumos ir elektros laidumą, palyginti su matricine medžiaga, ir neleidžia susidaryti liejamai šerdies. Patenkinami rezultatai gauti taškiniu suvirinimu plonasluoksnes kompozitines medžiagas su dengimo sluoksniais. Suvirinant įvairaus storio lakštus arba kompozicinius lakštus su vienalyčiais metalo lakštais, siekiant suvirinimo taško šerdį atvesti į lakštų sąlyčio plokštumą ir subalansuoti medžiagos elektrinio laidumo skirtumą, parinkti skirtingo laidumo elektrodus, suspaudžiant periferinę zoną, keisti elektrodų skersmenį ir kreivumo spindulį bei storio dengiamąjį sluoksnį, naudoti papildomas tarpines.
Vidutinis suvirinimo taško stiprumas suvirinant vienaašius boru armuotas aliuminio plokštes, kurių storis 0,5 mm (kai pluošto tūrinė dalis yra 50%), yra 90% lygiaverčio profilio boro aliuminio stiprumo. Bora-aliuminio lakštų su kryžminiu armavimu sujungimo stipris yra didesnis nei lakštų su vienaašiu armatūra.
38.5.5. Difuzinis suvirinimas
Procesas atliekamas aukštu slėgiu, nenaudojant litavimo. Taigi, jungiamos boro aliuminio detalės sandarioje retortoje kaitinamos iki 480 °C temperatūros iki 20 MPa slėgyje ir tokiomis sąlygomis palaikomos 30-90 min. Bora-aliuminio taškinio suvirinimo difuzija su titanu technologinis procesas beveik nesiskiria nuo lydymosi taškinio suvirinimo. Skirtumas tas, kad suvirinimo režimas ir elektrodų forma parenkami taip, kad aliuminio matricos kaitinimo temperatūra būtų artima lydymosi temperatūrai, bet žemiau jos. Dėl to sąlyčio taške susidaro difuzinė zona, kurios storis nuo 0,13 iki 0,25 mikrono.
Mėginiai, suvirinti difuziniu taškiniu suvirinimu, bandant įtempimą 20–120 °C temperatūros intervale, sunaikinami išilgai pagrindinės medžiagos, išplyšdami išilgai pluoštų. Esant 315 °C temperatūrai, mėginiai sunaikinami šlyties jungties vietoje.
38.5.6. Suvirinimas pleištu presu
Norint sujungti galus iš įprastų konstrukcinių lydinių su vamzdžiais ar korpusais iš kompozitinių medžiagų, sukurtas skirtingų kietumo metalų suvirinimo būdas, kurį galima pavadinti mikropleištiniu presu. Presavimo slėgis gaunamas dėl šiluminių įtempių, atsirandančių kaitinant termokompresinio suvirinimo įrenginio, pagaminto iš skirtingų šiluminio plėtimosi koeficientų (TE) medžiagų, šerdį ir laikiklį. Galiniai elementai, ant kurių kontaktinio paviršiaus uždedamas pleištinis sriegis, surenkami su vamzdžiu, pagamintu iš kompozicinės medžiagos, taip pat su įtvaru ir laikikliu. Surinktas prietaisas kaitinamas apsauginėje aplinkoje iki 0,7-0,9 temperatūros nuo labiausiai lydančio metalo lydymosi temperatūros. Tvirtinimo įtvaras turi didesnį CTE nei laikiklis. Kaitinimo metu atstumas tarp įtvaro ir laikiklio darbinių paviršių sumažėja, o antgalio sriegio išsikišimai („pleištai“) įspaudžiami į vamzdžio apvalkalų sluoksnius. Kietosios fazės jungties stiprumas yra ne mažesnis už matricos ar apvalkalo metalo stiprumą.
38.5.7. Suvirinimas sprogimu
Sprogstinis suvirinimas naudojamas lakštams, profiliams ir vamzdžiams, pagamintiems iš metalinių kompozitinių medžiagų, sutvirtintų metalo pluoštais arba pakankamai aukštų plastinių savybių turinčių sluoksnių, kad būtų išvengta armavimo fazės gniuždymo, taip pat kompozitinėms medžiagoms sujungti su įvairių metalų ir lydinių tvirtinimo elementais. . Jungčių stiprumas dažniausiai yra lygus arba net didesnis (dėl įtempimo sukietėjimo) už mažiausiai tvirtos matricinės medžiagos, naudojamos jungiamose dalyse, stiprumą. Siekiant padidinti jungčių stiprumą, naudojamos tarpinės tarpinės iš kitų medžiagų.
Paprastai sąnariuose nėra porų ar įtrūkimų. Išlydytos zonos pereinamojoje zonoje, ypač sprogstant skirtingiems metalams, yra eutektinio tipo fazių mišiniai.
38.6. Kompozitinių medžiagų litavimas
Litavimo procesai yra labai perspektyvūs jungiant kompozicines medžiagas, nes jie gali būti atliekami tokioje temperatūroje, kuri neturi įtakos armuojančiam užpildui ir nesukelia sąsajos sąveikos.
Litavimas atliekamas naudojant įprastus metodus, ty panardinant į litavimą arba į orkaitę. Labai svarbus yra paviršiaus paruošimo litavimui kokybės klausimas. Jungtys, pagamintos iš lituotų lydmetalių naudojant srautą, yra jautrios korozijai, todėl srautas turi būti visiškai pašalintas iš jungties srities.
Litavimas kietaisiais ir minkštaisiais lydmetaliais
Buvo sukurti keli boro aliuminio litavimo variantai. Lydmetaliai, skirti lituoti žemoje temperatūroje, buvo išbandyti. Dalims, veikiančioms ne aukštesnėje kaip 90 °C temperatūroje, rekomenduojami lydmetaliai, kurių sudėtis 55% Cd -45% Ag, 95% Cd -5% Ag, 82,5% Cd-17,5% Zn; lydmetalio sudėtis 95% Zn - 5% Al - darbinei temperatūrai iki 315 °C. Siekiant pagerinti lydmetalio drėkinimą ir sklaidą, ant jungiamų paviršių užtepamas 50 mikronų storio nikelio sluoksnis. Aukštos temperatūros litavimas atliekamas naudojant eutektinius aliuminio ir silicio sistemos lydmetalius, kurių temperatūra yra 575–615 ° C. Litavimo laikas turėtų būti kuo trumpesnis, nes gali sumažėti boro pluoštų stiprumas.
Pagrindiniai sunkumai lituojant anglies-aliuminio kompozicijas tiek tarpusavyje, tiek su aliuminio lydiniais yra susiję su prastu anglies-aliuminio kompozicijų su lydmetaliais drėkinamumu. Geriausias lydmetalis yra lydinys 718 (A1-12% Si) arba kintamieji folijos sluoksniai iš lydinio 6061. Litavimas atliekamas orkaitėje argono atmosferoje 590 ° C temperatūroje 5-10 minučių. Bora-aliuminio ir anglies-aliuminio sujungimui su titanu gali būti naudojami aliuminio-silicio-magnio sistemos lydmetalai. Norint padidinti jungties stiprumą, titano paviršių rekomenduojama padengti nikelio sluoksniu.
Eutektinis difuzinis litavimas. Metodas susideda iš plono antrojo metalo sluoksnio uždėjimo ant suvirinamų dalių paviršiaus, suformuojant eutektiką su matriciniu metalu. Matricoms iš aliuminio lydinių naudojami Ag, Cu, Mg, Ge, Zn sluoksniai, kurių eutektinė temperatūra su aliuminiu yra atitinkamai 566, 547, 438, 424 ir 382 °C. Dėl difuzijos proceso antrojo elemento koncentracija kontaktinėje zonoje palaipsniui mažėja, o junginio lydymosi temperatūra didėja, artėjant prie matricos lydymosi temperatūros. Taigi, litavimo jungtys gali veikti aukštesnėje nei punkkos temperatūroje.
Difuziniu būdu lituojant boro aliuminį, jungiamų detalių paviršiai padengiami sidabru ir variu, po to suspaudžiami ir palaikomi iki 7 MPa slėgyje 510-565 °C temperatūroje plieninėje retortoje vakuume arba inertiška atmosfera.
BENDROSIOS CHARAKTERISTIKOS IR KLASIFIKACIJA
Tradiciškai naudojamos metalinės ir nemetalinės medžiagos iš esmės pasiekė savo konstrukcijos stiprumo ribas. Tuo pačiu metu šiuolaikinių technologijų plėtra reikalauja sukurti medžiagas, kurios patikimai veiktų sudėtingame jėgos ir temperatūros laukų derinyje, kai yra veikiamos agresyvios aplinkos, radiacijos, didelio vakuumo ir aukšto slėgio. Dažnai reikalavimai medžiagoms gali būti prieštaringi. Šią problemą galima išspręsti naudojant kompozicines medžiagas.
Sudėtinė medžiaga(CM) arba kompozitas – tai trimatė nevienalytė sistema, susidedanti iš tarpusavyje netirpių, savybėmis labai skirtingų komponentų, kurių struktūra leidžia pasinaudoti kiekvieno iš jų privalumais.
CM konstravimo principą žmogus pasiskolino iš gamtos. Tipiškos kompozicinės medžiagos yra medžių kamienai, augalų stiebai, žmonių ir gyvūnų kaulai.
CM leidžia turėti tam tikrą nevienalyčių savybių derinį: didelį specifinį stiprumą ir standumą, atsparumą karščiui, atsparumą dilimui, karščio ekranavimo savybes ir tt CM savybių diapazonas negali būti pasiektas naudojant įprastas medžiagas. Jų naudojimas leidžia sukurti anksčiau neprieinamus, iš esmės naujus dizainus.
CM dėka tapo įmanomas naujas kokybinis šuolis didinant variklio galią, mažinant mašinų ir konstrukcijų svorį, didinant transporto priemonių ir kosminių transporto priemonių svorio efektyvumą.
Svarbios šiomis sąlygomis veikiančių medžiagų charakteristikos yra savitasis stipris σ in /ρ ir specifinis standumas E/ρ, kur σ in yra laikinas pasipriešinimas, E- normalaus tamprumo modulis, ρ – medžiagos tankis.
Didelio stiprumo lydiniai, kaip taisyklė, turi mažą lankstumą, didelį jautrumą įtempių koncentratoriams ir santykinai mažą atsparumą nuovargio įtrūkimams. Nors kompozitinės medžiagos taip pat gali turėti mažą lankstumą, jos yra daug mažiau jautrios įtempiams ir yra geriau atsparios nuovargiui. Tai paaiškinama skirtingais didelio stiprio plieno ir lydinių plyšių susidarymo mechanizmais. Didelio stiprumo plienuose plyšys, pasiekęs kritinį dydį, vėliau vystosi palaipsniui.
Kompozitinėse medžiagose veikia kitoks mechanizmas. Įtrūkimas, judantis matricoje, susiduria su kliūtimi matricos ir pluošto sąsajoje. Pluoštai slopina įtrūkimų susidarymą, o jų buvimas plastikinėje matricoje padidina atsparumą lūžiams.
Taigi, kompozitinė sistema sujungia dvi priešingas savybes, būtinas konstrukcinėms medžiagoms – didelį stiprumą dėl didelio stiprumo pluoštų ir pakankamą atsparumą lūžiams dėl plastikinės matricos ir lūžių energijos išsklaidymo mechanizmo.
CM susideda iš santykinai plastikinės matricos pagrindo medžiagos ir kietesnių bei patvaresnių komponentų, kurie yra užpildai. CM savybės priklauso nuo pagrindo, užpildų savybių ir jungties tarp jų stiprumo.
Matrica suriša kompoziciją į monolitą, suteikia jai formą ir tarnauja išorinėms apkrovoms perduoti užpildo armatūrai. Priklausomai nuo pagrindinės medžiagos, CM skiriami su metalo matrica arba metalo kompozitinėmis medžiagomis (MCM), su polimero-polimero kompozitinėmis medžiagomis (PCM) ir su keraminėmis-keraminėmis kompozitinėmis medžiagomis (CCM).
Pagrindinį vaidmenį stiprinant CM atlieka užpildai, dažnai vadinami stiprintuvai. Jie turi didelį stiprumą, kietumą ir elastingumo modulį. Pagal stiprinamųjų užpildų tipą CM skirstomi į dispersija sustiprinta,pluoštinis Ir sluoksniuotas(28.2 pav.).
Ryžiai. 28.2. Kompozitinių medžiagų struktūros schemos: A) sustiprinta sklaida; b) pluoštinis; V) sluoksniuotas
Į dispersiškai sustiprintus CM dirbtinai įterpiamos smulkios, tolygiai pasiskirsčiusios ugniai atsparios karbidų, oksidų, nitridų ir kt. dalelės, kurios nesąveikauja su matrica ir netirpsta joje iki fazių lydymosi temperatūros. Kuo mažesnės užpildo dalelės ir kuo mažesnis atstumas tarp jų, tuo CM stipresnis. Skirtingai nuo pluoštinių, dispersijos sustiprintuose CM pagrindinis laikantis elementas yra matrica. Disperguotų užpildo dalelių ansamblis stiprina medžiagą, priešindamasis išnirimų judėjimui apkrovos metu, o tai apsunkina plastinę deformaciją. Efektyvus atsparumas dislokacijų judėjimui sukuriamas iki matricos lydymosi temperatūros, dėl ko dispersija sustiprinti CM išsiskiria dideliu atsparumu karščiui ir atsparumu valkšnumui.
Armatūra pluoštinėse kompozicinėse medžiagose gali būti įvairių formų pluoštai: siūlai, juostos, įvairaus pynimo tinkleliai. Pluoštinių CM sutvirtinimas gali būti atliekamas pagal vienaašę, dviašę ir triašę schemą (28.3 pav., A).
Tokių medžiagų stiprumą ir standumą lemia pagrindinę apkrovą patiriančių armuojančių pluoštų savybės. Armatūra suteikia didesnį stiprumo padidėjimą, tačiau dispersinis stiprinimas yra technologiškai lengviau įgyvendinamas.
Sluoksniuotos kompozicinės medžiagos (28.3 pav., b) yra sudaryti iš kintamų užpildo ir matricinės medžiagos sluoksnių ("sumuštinio" tipo). Tokių CM užpildų sluoksniai gali būti skirtingos orientacijos. Galima pakaitomis naudoti užpildo sluoksnius iš skirtingų medžiagų, turinčių skirtingas mechanines savybes. Sluoksniuotosioms kompozicijoms dažniausiai naudojamos nemetalinės medžiagos.
Ryžiai. 28.3. Pluošto sutvirtinimo schemos ( A) ir sluoksniuotas ( b) kompozicinės medžiagos
DISPERSE RESTROENUOTOS KOMPOZICINĖS MEDŽIAGOS
Dispersijos stiprinimo metu dalelės blokuoja slydimo procesus matricoje. Kietėjimo efektyvumas, esant minimaliai sąveikai su matrica, priklauso nuo dalelių tipo, jų tūrinės koncentracijos, taip pat nuo pasiskirstymo matricoje vienodumo. Naudojamos disperguotos ugniai atsparių fazių dalelės, tokios kaip Al 2 O 3, SiO 2, BN, SiC, kurios turi mažą tankį ir didelį tamprumo modulį. CM dažniausiai gaminami miltelinės metalurgijos būdu, kurios svarbus privalumas – savybių izotropija skirtingomis kryptimis.
Pramonėje dispersija sustiprinti CM dažniausiai naudojami aliuminio ir rečiau nikelio pagrindu. Tipiški šio tipo kompozitinių medžiagų atstovai yra tokios medžiagos kaip SAP (sukepinti aliuminio milteliai), sudaryti iš aliuminio matricos, sustiprintos išsklaidytomis aliuminio oksido dalelėmis. Aliuminio milteliai gaunami purškiant išlydytą metalą, po to sumalant rutuliniuose malūnuose iki maždaug 1 mikrono dydžio, esant deguoniui. Ilgėjant malimo laikui, milteliai tampa smulkesni ir didėja aliuminio oksido kiekis. Tolesnė SAP produktų ir pusgaminių gamybos technologija apima šalto presavimo, išankstinio sukepinimo, karšto presavimo, sukepinto aliuminio ruošinio valcavimo arba ekstruzijos gatavų gaminių pavidalu, kurie gali būti papildomai termiškai apdorojami.
SAP tipo lydiniai yra patenkinamai deformuojami karštoje būsenoje, o lydiniai su 6–9% Al 2 O 3 - net kambario temperatūroje. Iš jų šaltuoju tempimu galima pagaminti iki 0,03 mm storio foliją. Šios medžiagos yra lengvai pjaustomos ir pasižymi dideliu atsparumu korozijai.
Rusijoje naudojamose SAP klasėse Al 2 O 3 yra 6–23 %. Yra SAP-1, kurio kiekis yra 6–9, SAP-2 su 9–13, SAP-3 su 13–18% Al 2 O 3. Didėjant aliuminio oksido tūrinei koncentracijai, didėja kompozitinių medžiagų stiprumas. Kambario temperatūroje SAP-1 stiprumo charakteristikos yra tokios: σ in = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 yra tokie: σ in = 420 MPa, σ 0,2 = 340 MPa.
Tokios medžiagos kaip SAP pasižymi dideliu atsparumu karščiui ir yra pranašesnės už visus kaltinius aliuminio lydinius. Net 500 °C temperatūroje jų σ yra ne mažesnis kaip 60–110 MPa. Atsparumas karščiui paaiškinamas dispersinių dalelių slopinamu poveikiu rekristalizacijos procesui. SAP tipo lydinių stiprumo charakteristikos yra labai stabilios. Ilgalaikiai SAP-3 tipo lydinių stiprumo bandymai 2 metus praktiškai neturėjo įtakos savybių lygiui tiek kambario temperatūroje, tiek kaitinant iki 500 °C. 400 °C temperatūroje SAP stiprumas yra 5 kartus didesnis nei senstančių aliuminio lydinių stiprumas.
SAP tipo lydiniai aviacijos technologijoje naudojami gaminant didelio savitojo stiprumo ir atsparumo korozijai detales, veikiančias iki 300–500 °C temperatūroje. Iš jų gaminami stūmoklių strypai, kompresoriaus mentės, kuro elementų korpusai ir šilumokaičio vamzdžiai.
CM gaminamas naudojant miltelinę metalurgiją, naudojant dispersines silicio karbido SiC daleles. Cheminis junginys SiC pasižymi daugybe teigiamų savybių: aukšta lydymosi temperatūra (daugiau nei 2650 °C), didelis stiprumas (apie 2000 MPa) ir tamprumo modulis (> 450 GPa), mažas tankis (3200 kg/m3) ir geras atsparumas korozijai. . Abrazyvinių silicio miltelių gamybą įvaldė pramonė.
Aliuminio lydinio ir SiC milteliai sumaišomi, iš anksto sutankinami žemu slėgiu, po to karštai presuojami plieniniuose induose vakuume, esant matricinio lydinio lydymosi temperatūrai, t.y. kietoje-skystoje būsenoje. Gautas ruošinys yra antriškai deformuojamas, kad būtų gauti reikiamos formos ir dydžio pusgaminiai: lakštai, strypai, profiliai ir kt.
Kompozitines medžiagas sudaro metalinė matrica(paprastai A1, Mg, Ni ir jų lydiniai), sustiprintas didelio stiprumo pluoštais (pluoštinėmis medžiagomis) arba smulkiai išsklaidytomis ugniai atspariomis dalelėmis, netirpus netauriajame metale (dispersija sustiprintos medžiagos). Metalinė matrica sujungia pluoštus (dispersines daleles) į vieną visumą. Pluoštas (dispersinės dalelės) ir rišiklis (matrica), kuris sudaro
Ryžiai. 1
1 - granuliuota (sustiprinta dispersija) medžiaga (l/d- aš): 2 - atskira pluoštinė kompozicinė medžiaga; 3 - ištisinio pluošto kompozitinė medžiaga; 4 - nuolatinis pluoštų klojimas; 5 - dvimatis pluošto išdėstymas; 6,7 - tūrinio pluošto klojimas
ar kita kompozicija, gavo pavadinimą kompozicinės medžiagos(196 pav.).
Pluoštinės kompozicinės medžiagos.
Fig. 196 parodytos pluoštinių kompozitinių medžiagų armatūros schemos. Kompozitinės medžiagos su pluoštiniu užpildu (stiprintuvu) pagal armavimo veikimo mechanizmą skirstomos į atskiras, kuriose pluošto ilgio ir skersmens santykis l/d « 10-tL03, ir su ištisiniu pluoštu, kuriame l/d = co. Atskiros skaidulos matricoje išsidėsčiusios atsitiktinai. Pluošto skersmuo svyruoja nuo frakcijų iki šimtų mikrometrų. Kuo didesnis pluošto ilgio ir skersmens santykis, tuo didesnis sutvirtinimo laipsnis.
Dažnai kompozitinė medžiaga yra sluoksniuota struktūra, kurioje kiekvienas sluoksnis yra sutvirtintas daugybe lygiagrečių ištisinių pluoštų. Kiekvienas sluoksnis taip pat gali būti sutvirtintas ištisiniais pluoštais, įaustais į originalią formą atitinkantį audinį, atitinkantį galutinės medžiagos plotį ir ilgį. Dažnai pluoštai įpinami į erdvines struktūras.
Kompozitinės medžiagos skiriasi nuo įprastų lydinių didesnėmis tempimo stiprio ir patvarumo ribos vertėmis (50-100%), tamprumo moduliu ir standumo koeficientu. (Ely) ir sumažėjęs jautrumas įtrūkimams. Kompozitinių medžiagų naudojimas padidina konstrukcijos tvirtumą ir tuo pačiu sumažina metalo sąnaudas.
44 lentelė
Metalo pagrindo kompozitinių medžiagų mechaninės savybės
Kompozitinių (pluoštinių) medžiagų stiprumą lemia pluoštų savybės; matrica daugiausia turėtų perskirstyti įtempius tarp armuojančių elementų. Todėl pluoštų stiprumas ir tamprumo modulis turi būti žymiai didesnis už matricos stiprumą ir tamprumo modulį. Standūs armuojantys pluoštai apkrovos metu suvokia kompozicijoje atsirandančius įtempius, suteikdami jai tvirtumo ir standumo pluošto orientacijos kryptimi.
Aliuminiui, magniui ir jų lydiniams sustiprinti naudojami boro junginiai (o = 2500-*-3500 MPa, E = 38h-420 GPa) ir anglis (st v = 1400-g-3500 MPa, E 160-450 GPa) pluoštai, taip pat pluoštai iš ugniai atsparių junginių (karbidų, nitridų, boridų ir oksidų), turinčių didelį stiprumą ir tamprumo modulį. Taigi, silicio karbido pluoštų, kurių skersmuo 100 μm, temperatūra yra = 2500-*t3500 MPa, E= 450 GPa. Viela, pagaminta iš didelio stiprio plieno, dažnai naudojama kaip pluoštas.
Titano ir jo lydinių sutvirtinimui naudojama molibdeno viela, safyro pluoštai, silicio karbidas ir titano boridas.
Nikelio lydinių atsparumas karščiui padidinamas juos sutvirtinus volframo arba molibdeno viela. Metalo pluoštai taip pat naudojami tais atvejais, kai reikalingas didelis šilumos ir elektros laidumas. Perspektyvūs didelio stiprumo ir didelio modulio pluoštinių kompozitinių medžiagų stiprintuvai yra ūsai, pagaminti iš aliuminio oksido ir nitrido, silicio karbido ir nitrido, boro karbido ir kt., kurių b = 15 000-28 000 MPa ir E= 400-*-600 GPa.
Lentelėje 44 parodytos kai kurių pluoštinių kompozicinių medžiagų savybės.
Metalo pagrindo kompozitinės medžiagos pasižymi dideliu stiprumu (st, a_ x) ir atsparumu karščiui, tuo pat metu yra mažo plastiškumo. Tačiau pluoštai kompozicinėse medžiagose sumažina matricoje susidarančių plyšių plitimo greitį ir beveik visiškai pašalina staigius
Ryžiai. 197. Tamprumo modulio priklausomybė E(a) ir tempiamasis stipris o b) boro-aliuminio kompozitinėje medžiagoje išilgai (/) ir skersai (2) armatūros ašis, priklausomai nuo boro pluošto tūrinio kiekio
trapus lūžis. Išskirtinis vienaašių pluoštinių kompozitinių medžiagų bruožas yra mechaninių savybių anizotropija išilgai ir skersai pluoštų bei mažas jautrumas įtempių koncentratoriams.
Fig. 197 rodo priklausomybę a in ir E boro ir aliuminio kompozicinė medžiaga iš boro pluošto išilgai (/) ir skersai ( 2 ) sutvirtinimo ašis. Kuo didesnis skaidulų tūris, tuo didesnis a b, a_ t ir E išilgai armatūros ašies. Tačiau reikia atsižvelgti į tai, kad matrica gali perduoti įtempį pluoštams tik tada, kai yra stiprus sutvirtinimo pluošto ir matricos sąsaja. Kad nebūtų kontakto tarp pluoštų, matrica turi visiškai apsupti visus pluoštus, o tai pasiekiama, kai jos kiekis yra ne mažesnis kaip 15-20%.
Matrica ir pluoštas neturėtų sąveikauti vienas su kitu (neturėtų būti abipusės difuzijos) gamybos ar eksploatacijos metu, nes dėl to gali sumažėti kompozitinės medžiagos stiprumas.
Į pluoštinių kompozitinių medžiagų savybių anizotropiją atsižvelgiama projektuojant dalis, siekiant optimizuoti savybes, suderinant atsparumo lauką su įtempių laukais.
Aliuminio, magnio ir titano lydinių sutvirtinimas ištisiniais ugniai atspariais boro, silicio karbido, titano diborido ir aliuminio oksido pluoštais žymiai padidina atsparumą karščiui. Kompozitinių medžiagų ypatybė – mažas minkštėjimo greitis laikui bėgant (198 pav., A) kylant temperatūrai.
Ryžiai. 198. Ilgalaikis boro ir aliuminio kompozicinės medžiagos, turinčios 50 % boro pluošto, stiprumas, palyginti su titano lydinių stiprumu (a), ir ilgalaikis nikelio kompozicinės medžiagos stiprumas, palyginti su dispersiniu kietėjimo lydinių stiprumu (b) :
/ - boro-aliuminio kompozitas; 2 - titano lydinys; 3 - dispersija sustiprinta kompozitinė medžiaga; 4 - dispersiniai kietėjantys lydiniai
Pagrindinis kompozitinių medžiagų su vienmačiu ir dvimačiu armatūra trūkumas yra mažas atsparumas tarpsluoksnių šlyčiai ir skersiniam lūžimui. Medžiagos su tūrine armatūra šio trūkumo neturi.
- Plačiai naudojamos polimerinės, keramikos ir kitos matricos.
