Materiale compozite pe bază de metal. Compozite pulbere. Materiale compozite cu fibre
Materialele compozite constau dintr-o matrice metalică (de obicei Al, Mg, Ni și aliajele acestora), întărită cu fibre de înaltă rezistență (materiale fibroase) sau particule refractare fin dispersate care nu se dizolvă în metalul de bază (materiale întărite prin dispersie). Matricea metalică leagă fibrele (particulele dispersate) într-un singur întreg. Fibrele (particule dispersate) plus un liant (matrice) care alcătuiesc una sau alta compoziție se numesc materiale compozite.
Materiale compozite cu matrice nemetalica
Materialele compozite cu o matrice nemetalica au gasit o aplicatie larga. Materialele polimerice, carbon și ceramice sunt utilizate ca matrici nemetalice. Cele mai utilizate matrițe polimerice sunt epoxidice, fenol-formaldehidă și poliamidă.
Matricele de carbon cocsificat sau pirocarbon se obțin din polimeri sintetici supuși pirolizei. Matricea leagă compoziția, dându-i formă. Întăritorii sunt fibre: sticlă, carbon, bor, organice, pe bază de cristale de mustață (oxizi, carburi, boruri, nitruri și altele), precum și metale (sârme), care au rezistență și rigiditate ridicate.
Proprietățile materialelor compozite depind de compoziția componentelor, combinația lor, raportul cantitativ și rezistența legăturii dintre ele.
Materialele de armare pot fi sub formă de fibre, șuvițe, fire, benzi, țesături multistrat.
Conținutul de întăritor în materiale orientate este de 60-80 vol.%, în materiale neorientate (cu fibre și mustăți discrete) - 20-30 vol.%. Cu cât rezistența și modulul elastic al fibrelor sunt mai mari, cu atât rezistența și rigiditatea materialului compozit sunt mai mari. Proprietățile matricei determină rezistența la forfecare și compresiune a compoziției și rezistența la rupere prin oboseală.
În funcție de tipul de armătură, materialele compozite sunt clasificate în fibre de sticlă, fibre de carbon cu fibre de carbon, fibre de bor și fibre organo.
În materialele stratificate, fibrele, firele, benzile impregnate cu un liant sunt așezate paralel între ele în planul de așezare. Straturile plate sunt asamblate în plăci. Proprietățile sunt anizotrope. Pentru ca materialul să funcționeze într-un produs, este important să se țină cont de direcția sarcinilor care acționează. Este posibil să se creeze materiale cu proprietăți atât izotrope, cât și anizotrope. Fibrele pot fi așezate în unghiuri diferite, variind proprietățile materialelor compozite. Rigiditățile la încovoiere și la torsiune ale materialului depind de ordinea în care straturile sunt așezate pe grosimea pachetului.
Se folosesc întăritori cu trei, patru sau mai multe fire.
Cea mai utilizată structură este o structură de trei fire reciproc perpendiculare. Întăriturile pot fi amplasate în direcțiile axială, radială și circumferențială.
Materialele tridimensionale pot fi de orice grosime sub formă de blocuri sau cilindri. Țesăturile voluminoase măresc rezistența la exfoliere și rezistența la forfecare în comparație cu țesăturile laminate. Un sistem de patru fire este construit prin descompunerea armăturii de-a lungul diagonalelor cubului. Structura a patru fire este de echilibru și are o rigiditate crescută la forfecare în planurile principale.
Cu toate acestea, crearea a patru materiale direcționale este mai dificilă decât a crea trei materiale direcționale.
Acest tip de materiale compozite include materiale precum SAP (pulbere de aluminiu sinterizată), care sunt armate cu aluminiu cu particule dispersate de oxid de aluminiu. Pulberea de aluminiu se obține prin pulverizarea metalului topit, urmată de măcinarea în mori cu bile până la o dimensiune de aproximativ 1 micron în prezența oxigenului. Odată cu creșterea timpului de măcinare, pulberea devine mai fină, iar conținutul său de oxid de aluminiu crește. O altă tehnologie pentru producția de produse și semifabricate de la SAP include presarea la rece, presinterizarea, presarea la cald, laminarea sau extrudarea unei țagle de aluminiu sinterizat sub formă de produse finite care pot fi supuse unui tratament termic suplimentar.
Aliajele de tip SAP sunt utilizate în inginerie aeronautică pentru fabricarea pieselor cu rezistență specifică ridicată și rezistență la coroziune, funcționând la temperaturi de până la 300 - 500 °C. Ele sunt folosite pentru a face tije de piston, palete de compresor, carcase de elemente de combustibil și conducte pentru schimbătoare de căldură.
Armarea aluminiului și aliajelor sale cu sârmă de oțel mărește rezistența acestora, crește modulul de elasticitate, rezistența la oboseală și extinde intervalul de temperatură al duratei de viață a materialului.
Armarea cu fibre scurte se realizează prin metode de metalurgie a pulberilor, constând în presare urmată de hidroextrudarea sau laminarea semifabricatelor. La armarea compozițiilor de tip sandwich constând din straturi alternative de folie de aluminiu și fibre cu fibre continue, se utilizează laminarea, presarea la cald, sudarea prin explozie și sudarea prin difuzie.
Un material foarte promițător este compoziția sârmei de aluminiu-beriliu, care realizează proprietățile fizice și mecanice ridicate ale armăturii cu beriliu și, în primul rând, densitatea scăzută și rigiditatea specifică ridicată. Compozițiile cu sârmă de beriliu se obțin prin sudarea prin difuzie a pachetelor de straturi alternative de sârmă de beriliu și foi de matrice. Aliajele de aluminiu armate cu fire de oțel și beriliu sunt folosite pentru a face părți ale corpului rachetei și rezervoare de combustibil.
În compoziția „aluminiu - fibră de carbon”, combinația de armătură cu densitate scăzută și matrice face posibilă crearea de materiale compozite cu rezistență și rigiditate specifică ridicate. Dezavantajul fibrelor de carbon este fragilitatea lor și reactivitatea ridicată. Compozitia aluminiu-carbon se obtine prin impregnarea fibrelor de carbon cu metal lichid sau folosind metode de metalurgie a pulberilor. Din punct de vedere tehnologic, cel mai simplu mod de a face acest lucru este să trageți mănunchiuri de fibre de carbon prin aluminiu topit.
Compozitele aluminiu-carbon sunt utilizate în structurile rezervoarelor de combustibil ale avioanelor de luptă moderne. Datorită rezistenței specifice ridicate și rigidității materialului, greutatea rezervoarelor de combustibil este redusă cu 30%. Acest material este, de asemenea, utilizat pentru fabricarea palelor de turbine pentru motoarele cu turbine cu gaz de avioane.
Materiale compozite cu matrice nemetalica
Materialele compozite cu o matrice nemetalica au gasit o larga aplicatie in industrie. Materialele polimerice, carbon și ceramice sunt utilizate ca matrici nemetalice. Cele mai utilizate matrice polimerice sunt epoxidice, fenol-formaldehidă și poliamidă. Matricele de cărbune sunt cocsificate sau obținute din polimeri sintetici supuși pirolizei (descompunere, dezintegrare). Matricea leagă compoziția, dându-i formă. Întăritorii sunt fibre: sticlă, carbon, bor, organice, pe bază de cristale de mustață (oxizi, carburi, boruri, nitruri etc.), precum și metale (sârme), care au rezistență și rigiditate ridicate.
Proprietățile materialelor compozite depind de compoziția componentelor, combinația lor, raportul cantitativ și rezistența legăturii dintre ele.
Conținutul de întăritor în materialele orientate este de 60 - 80 vol. %, în neorientat (cu fibre și mustăți discrete) - 20 - 30 vol. %. Cu cât rezistența și modulul elastic al fibrelor sunt mai mari, cu atât rezistența și rigiditatea materialului compozit sunt mai mari. Proprietățile matricei determină rezistența la forfecare și compresiune a compoziției și rezistența la rupere prin oboseală.
În funcție de tipul de armătură, materialele compozite sunt clasificate în fibre de sticlă, fibre de carbon cu fibre de carbon, fibre de bor și fibre organo.
În materialele stratificate, fibrele, firele, benzile impregnate cu un liant sunt așezate paralel între ele în planul de așezare. Straturile plane sunt asamblate în plăci. Proprietățile sunt anizotrope. Pentru ca materialul să funcționeze într-un produs, este important să se țină cont de direcția sarcinilor care acționează. Puteți crea materiale atât cu proprietăți izotrope, cât și cu proprietăți anizotrope. Fibrele pot fi așezate în unghiuri diferite, variind proprietățile materialelor compozite. Rigiditățile la încovoiere și la torsiune ale materialului depind de ordinea în care straturile sunt așezate pe grosimea pachetului.
Se folosesc întăritori cu trei, patru sau mai multe fire (Fig. 7). Cea mai utilizată structură este o structură de trei fire reciproc perpendiculare. Întăriturile pot fi amplasate în direcțiile axială, radială și circumferențială.
Materialele tridimensionale pot fi de orice grosime sub formă de blocuri sau cilindri. Țesăturile voluminoase măresc rezistența la exfoliere și rezistența la forfecare în comparație cu țesăturile laminate. Un sistem de patru fire este construit prin plasarea armăturii de-a lungul diagonalelor cubului. Structura a patru fire este de echilibru și are o rigiditate crescută la forfecare în planurile principale. Cu toate acestea, crearea a patru materiale direcționale este mai dificilă decât a crea trei materiale direcționale.
Orez. 7. Schema de armare a materialelor compozite: 1- dreptunghiular, 2- hexagonal, 3- oblic, 4- cu fibre curbate, 5 – sistem de n fire
Cele mai eficiente din punct de vedere al utilizarii in cele mai severe conditii de frecare uscata sunt materialele antifrictiune pe baza de politetrafluoretilena (PTFE).
PTFE se caracterizează printr-un coeficient de frecare static destul de ridicat, cu toate acestea, în timpul frecării de alunecare, pe suprafața PTFE se formează un strat foarte subțire de polimer foarte orientat, care ajută la egalizarea coeficienților statici și dinamici de frecare și la mișcarea lină la alunecare. . Când direcția de alunecare se schimbă, prezența unei pelicule de suprafață orientată determină o creștere temporară a coeficientului de frecare, a cărui valoare scade din nou pe măsură ce stratul de suprafață este reorientat. Acest comportament de frecare a PTFE a condus la utilizarea sa pe scară largă în industrie, unde PTFE neumplut este utilizat în principal pentru producția de rulmenți. În multe cazuri, rulmenții nelubrifiați trebuie să funcționeze la rate de frecare mai mari. În același timp, PTFE neumplut se caracterizează prin valori ridicate ale coeficientului de frecare și ale ratei de uzură. Materialele compozite, cel mai adesea pe bază de PTFE, au găsit o utilizare pe scară largă ca materiale pentru rulmenți nelubrifiați care funcționează în astfel de condiții.
Cel mai simplu mod de a reduce rata de uzură relativ ridicată a PTFE în timpul frecării uscate este introducerea materialelor de umplutură sub formă de pulbere. În același timp, crește rezistența la fluaj în timpul compresiei și se observă o creștere semnificativă a rezistenței la uzură în timpul frecării uscate. Introducerea cantității optime de umplutură face posibilă creșterea rezistenței la uzură de până la 10 4 ori.
Polimerii și materialele compozite bazate pe acestea au un set unic de proprietăți fizice și mecanice, datorită cărora concurează cu succes cu oțelurile și aliajele structurale tradiționale și, în unele cazuri, fără utilizarea materialelor polimerice este imposibil să se asigure caracteristicile funcționale necesare. și performanța produselor și mașinilor speciale. Fabricabilitatea ridicată și intensitatea energetică scăzută a tehnologiilor de prelucrare a materialelor plastice în produse, combinate cu avantajele PCM menționate mai sus, le fac materiale foarte promițătoare pentru piesele de mașini în diverse scopuri.
38.1. Clasificare
Materialele compozite sunt materiale armate cu materiale de umplutură dispuse într-o anumită manieră într-o matrice.Umpluturile sunt cel mai adesea substanțe cu energie mare a legăturilor interatomice, rezistență ridicată și modul ridicat, cu toate acestea, materialele de umplutură foarte plastice pot fi utilizate și în combinație cu matrici fragile.
Componentele de legare sau matricele din materialele compozite pot fi diferite - polimer, ceramică, metal sau mixte. În acest din urmă caz, vorbim despre materiale compozite polymatrix.
În funcție de morfologia fazelor de armare, materialele compozite sunt împărțite în:
zero-dimensional (desemnare: 0,) sau întărit de particule de dispersie variabilă, distribuite aleator în matrice;
fibroase unidimensionale (simbol: 1), sau întărite cu fibre continue sau discrete unidirecționale;
bidimensionale stratificate (denumirea: 2), sau care conțin lamele sau straturi de armare orientate identic (Fig. 38.1).
Anizotropia materialelor compozite, „proiectată” în avans cu scopul de a o utiliza în structuri adecvate, se numește structurală.
Pe baza dimensiunii fazelor de armare sau a dimensiunii celulei de armare, materialele compozite sunt împărțite după cum urmează:
submicrocompozite (dimensiunea celulei de armare, diametrul fibrei sau particulelor<С 1 мкм), например, дисперсноупрочненные сплавы или волокнистые композиционные материалы с очень тонкими волокнами:
microcompozite (dimensiunea celulei de armare, diametrul fibrelor, particule sau grosimea stratului ^1 μm), de exemplu materiale armate cu particule, fibre de carbon, carbură de siliciu, bor etc., aliaje eutectice unidirecționale;
macrocompozite (diametrul sau grosimea componentelor de armare -100 microni), de exemplu piese din aliaje de cupru sau aluminiu armate cu sarma sau folie de tungsten sau otel. Macrocompozitele sunt cel mai adesea folosite pentru a crește rezistența la uzură a pieselor de frecare din echipamentele tehnologice.
38.2. Interacțiunea interfacială în materiale compozite
38.2.1. Compatibilitatea fizico-chimică și termomecanică a componentelor
Combinarea într-un singur material a unor substanțe care diferă semnificativ în compoziția chimică și proprietățile fizice aduce în prim-plan în dezvoltarea, fabricarea și conectarea materialelor compozite problema compatibilității termodinamice și cinetice a componentelor. Sub presiune
Compatibilitatea dinamică este înțeleasă ca fiind capacitatea matricei și a materialelor de umplutură de armare de a fi într-o stare de echilibru termodinamic pentru un timp nelimitat la temperaturi de producție și de funcționare. Aproape toate materialele compozite create artificial sunt incompatibile termodinamic. Singurele excepții sunt câteva sisteme metalice (Cu-W, Cu-Mo, Ag-W), unde nu există nicio interacțiune chimică și de difuzie între faze pentru un timp nelimitat al contactului lor.
Compatibilitate cinetică - capacitatea componentelor materialelor compozite de a menține un echilibru metastabil în anumite intervale de temperatură-timp. Problema compatibilității cinetice are două aspecte: 1) fizică și chimică - asigurarea unei legături puternice între componente și limitarea proceselor de dizolvare, hetero- și difuzie de reacție la interfețe, care duc la formarea produselor de interacțiune fragile și degradarea rezistența fazelor de armare și a materialului compozit în ansamblu; 2) termomecanice - realizarea unei distribuții favorabile a tensiunilor interne de origine termică și mecanică și reducerea nivelului acestora; asigurarea unei relații raționale între întărirea prin deformare a matricei și capacitatea acesteia de a relaxa stresul, prevenind supraîncărcarea și distrugerea prematură a fazelor de întărire.
Există următoarele posibilități de îmbunătățire a compatibilității fizice și chimice a matrițelor metalice cu umpluturi de armare:
I. Dezvoltarea de noi tipuri de umpluturi de armare care sunt rezistente la contactul cu matricele metalice la temperaturi ridicate, de exemplu, fibre ceramice, mustati si particule dispersate de carburi de siliciu, titan, zirconiu, bor, oxizi de aluminiu, zirconiu, nitruri de siliciu, bor , etc.
II Aplicarea acoperirilor de barieră pe materiale de umplutură de armare, de exemplu acoperiri de metale refractare, carburi de titan, hafniu, bor, nitruri de titan, bor, oxizi de ytriu pe fibre de carbon, bor, carbură de siliciu. Unele acoperiri de barieră pe fibre, în principal cele metalice, servesc ca mijloc de îmbunătățire a umectării fibrelor prin topituri de matrice, ceea ce este deosebit de important atunci când se produc materiale compozite prin metode în fază lichidă. Astfel de acoperiri sunt adesea numite tehnologice
Nu mai puțin important este efectul de plastificare descoperit în timpul aplicării acoperirilor tehnologice, care se manifestă prin stabilizarea și chiar creșterea rezistenței fibrelor (de exemplu, la aluminizarea fibrelor de bor prin tragere printr-o baie de topire sau la nichelarea fibrelor de carbon. cu tratament termic ulterior).
III. Utilizarea în materiale compozite a matricilor metalice dopate cu elemente cu o afinitate mai mare pentru umplutura de armare decât metalul matricei, sau cu aditivi tensioactivi. Modificarea rezultată a compoziției chimice a interfețelor ar trebui să împiedice dezvoltarea interacțiunii interfaciale.Alierea aliajelor matrice cu aditivi tensioactivi sau care formează carburi, precum și aplicarea de acoperiri tehnologice pe fibre, pot ajuta la îmbunătățirea umectabilității umpluturii de armare cu metalul se topește.
IV. Aliarea matricei cu elemente care măresc potențialul chimic al umpluturii de armare din aliajul matricei, sau cu aditivi ai materialului de umplutură de armare la concentrații de saturație la temperaturile de producție și funcționare a materialului compozit. O astfel de aliere previne dizolvarea fazei de armare, adică crește stabilitatea termică a compoziției.
V. Crearea de materiale compozite „artificiale” asemănătoare compozițiilor eutectice „naturale” prin alegerea compoziției adecvate a componentelor.
VI. Selectarea duratelor optime de contact a componentelor în timpul unui anumit proces de producere a materialelor compozite sau în condițiile de funcționare a acestora, adică luând în considerare factorii de temperatură și forță. Durata contactului, pe de o parte, trebuie să fie suficientă pentru formarea unor legături adezive puternice între componente; pe de altă parte, nu conduc la interacțiuni chimice intense, formarea de faze intermediare fragile și scăderea rezistenței materialului compozit.
Compatibilitatea termo-mecanica a componentelor din materiale compozite este asigurata de:
selectarea aliajelor de matrice și a materialelor de umplutură cu diferențe minime de module elastice, rapoarte Poisson și coeficienți de dilatare termică;
utilizarea straturilor intermediare și a acoperirilor în fazele de armare, reducând diferențele de proprietăți fizice ale matricei și fazelor;
trecerea de la armătură cu o componentă de un tip la poli-armare, adică o combinație într-un material compozit de fibre, particule sau straturi de armare care diferă în compoziție și proprietăți fizice;
modificarea geometriei pieselor, modelul și scara armăturii; morfologia, dimensiunea și fracția volumică a fazelor de armare; înlocuirea unei umpluturi continue cu una discretă;
alegerea metodelor și modurilor de producere a unui material compozit care asigură un anumit nivel de rezistență a lipirii componentelor sale.
38.2.2. Umpluturi de armare
Pentru a întări matricele metalice, se folosesc materiale de umplutură de înaltă rezistență, cu modul înalt - metale continue și discrete, fibre nemetalice și ceramice, fibre și particule scurte, mustăți (Tabelul 38.1).
Fibrele de carbon sunt unul dintre cele mai avansate și mai avansate materiale de armare din producție. Un avantaj important al fibrelor de carbon este greutatea lor specifică scăzută, conductivitatea termică aproape de metale (R = 83,7 W/(m-K)) și costul relativ scăzut.
Fibrele sunt furnizate sub formă de fire de miogofilament drepte sau răsucite, țesături sau panglici realizate din acestea. În funcție de tipul de materie primă, diametrul filamentelor variază de la 2 la 10 microni, numărul de filameite din pachet - de la sute la zeci de mii de bucăți.
Fibrele de carbon au rezistență chimică ridicată la condițiile atmosferice și la acizi minerali. Rezistența la căldură a fibrelor este scăzută: temperatura de funcționare pe termen lung în aer nu depășește 300-400 °C. Pentru a crește rezistența chimică în contact cu metalele, pe suprafața fibrelor sunt aplicate acoperiri de barieră din boruri de titan și zirconiu, carburi de titan, zirconiu, siliciu și metale refractare.
Fibrele de bor sunt produse prin depunerea de bor dintr-un amestec gazos de hidrogen și triclorura de bor pe sârmă de tungsten sau monofilamente de carbon încălzite la o temperatură de 1100-1200 °C. Când sunt încălzite în aer, fibrele de bor încep să se oxideze la temperaturi de 300-350 °C, iar la 600-800 °C își pierd complet rezistența. Interacțiunea activă cu majoritatea metalelor (Al, Mg, Ti, Fe, Ni) începe la temperaturi de 400-600 °C. Pentru a crește rezistența la căldură a fibrelor de bor, se aplică straturi subțiri (2-6 µm) de carbură de siliciu (SiC/B/W), carbură de bor (B4C/B/W), nitrură de bor (BN/B/W). faza gazoasa.
Fibrele de carbură de siliciu cu diametrul de 100-200 microni sunt produse prin depunere la 1300 °C dintr-un amestec vapori-gaz de tetraclorură de siliciu și metan, diluat cu hidrogen în raport de 1: 2: 10, pe sârmă de wolfram.
|
Fibre de carbon
|
|
TABELUL 38.2 ALIAJE UTILIZATE CA MATRICE ÎN MATERIALE COMPOZITE
|
sau fibre de carbon cu smoală. Cele mai bune mostre de fibre au o rezistență de 3000-4000 MPa la 1100 °C
Fibrele de carbură de siliciu fără miez sub formă de mănunchiuri multifilamentite, obținute din organosilani lichizi prin trefilare și piroliză, constau din cristale f)-SiC ultrafine.
Fibrele metalice sunt produse sub formă de sârmă cu diametrul de 0,13; 0,25 și 0,5 mm. Fibrele realizate din oțeluri de înaltă rezistență și aliaje de beriliu sunt destinate în principal pentru armarea matrițelor din aliaje ușoare și titan. Fibrele din metale refractare aliate cu faze de reniu, titan, oxid și carbură sunt folosite pentru a întări aliajele de nichel-crom, titan și alte rezistente la căldură.
Mustatile folosite pentru intarire pot fi metalice sau ceramice. Structura unor astfel de cristale este monocristalină, diametrul este de obicei de până la 10 microni cu un raport lungime-diametru de 20-100. Mustații sunt obținute prin diferite metode: creșterea din acoperiri, depunerea electrolitică, depunerea dintr-un mediu de vapori-gaz, cristalizare. din faza gazoasa prin faza lichida. prin mecanismul vapor-lichid-cristal, piroliză, cristalizare din soluții saturate, viscerare
38.2.3. Aliaje de matrice
În materialele metalice compozite, se folosesc în principal matrice din aliaje ușoare forjate și turnate de aluminiu și magneziu, precum și din aliaje de cupru, nichel, cobalt, zinc, staniu, plumb și argint; aliaje rezistente la căldură nichel-crom, titan, zirconiu, vanadiu; aliaje de metale refractare crom și niobiu (Tabelul 38 2).
38.2.4. Tipuri de legături și structuri de interfață în materiale compozite
În funcție de materialul de umplutură și matrice, metodele și modurile de obținere a materialelor compozite prin interfețe, sunt implementate șase tipuri de legături (Tabelul 38.3). Cea mai puternică legătură între componente în compozițiile cu matrice metalice este asigurată de interacțiunea chimică. Un tip obișnuit de legături este amestecat, reprezentat de soluții solide și faze intermetalice (de exemplu, compoziția „fibre de aluminiu-bor” obținute prin turnare continuă) sau soluții solide, faze intermetalice și oxidice (aceeași compoziție obținută prin presarea semi-de plasmă). produse finite), etc.
38.3. Metode de producere a materialelor compozite
Tehnologia de producere a materialelor metalice compozite este determinată de proiectarea produselor, mai ales dacă acestea au o formă complexă și necesită pregătirea îmbinărilor prin sudare, lipire, lipire sau nituire și, de regulă, este multi-tranziție.
Baza elementară pentru producția de piese sau semifabricate (foli, țevi, profile) din materiale compozite sunt cel mai adesea așa-numitele preimpregnate, sau benzi cu un strat de umplutură de armare, impregnate sau acoperite cu aliaje matrice; câlți de fibre impregnate cu metal sau fibre individuale acoperite cu aliaje matrice.
|
TIPURI DE LIERE DE-A lungul suprafețelor de interfață DIN MATERIALE COMPOZATE
|
Piesele și semifabricatele se obțin prin combinarea (compactarea) preimpregnatelor originale folosind metodele de impregnare, presare la cald, laminare sau tragere ambalaje preimpregnate. Uneori, atât preimpregnatele, cât și produsele fabricate din materiale compozite sunt fabricate folosind aceleași metode, de exemplu, folosind tehnologia de pulbere sau turnare, dar în moduri diferite și în etape tehnologice diferite.
Metodele de producere a preimpregnatelor, semifabricatelor și produselor din materiale compozite cu matrice metalice pot fi împărțite în cinci grupe principale: 1) fază vapori-gaz; 2) chimică și electrochimică; 3) fază lichidă; 4) fază solidă; 5) fază solid-lichid.
38.4. Proprietățile materialelor compozite cu matrice metalică
Materialele compozite cu matrice metalice au o serie de avantaje incontestabile față de alte materiale structurale destinate utilizării în condiții extreme. Aceste avantaje includ: rezistență ridicată și... rigiditate combinată cu rezistență ridicată la rupere; rezistență și rigiditate specifică ridicate (raportul dintre rezistența la rupere și modulul de elasticitate la greutatea specifică a/y și E/y); limită mare de oboseală; rezistență ridicată la căldură; sensibilitate scăzută la șoc termic, la defecte de suprafață, proprietăți mari de amortizare, conductivitate electrică și termică, fabricabilitate în proiectare, prelucrare și conectare (Tabelul 38 4).
|
MATERIALE COMPOZITE CU MATRICE METALICA COMPARAT CU CELE MAI BUNE MATERIALE STRUCTURALE METALICE |
|
TABELUL 385 |
|
PROPRIETĂȚI MECANICE ALE MATERIALELOR COMPOZATE CU MATRICE METALICE
|
În absența unor cerințe speciale pentru materiale privind conductivitatea termică, conductibilitatea electrică, rezistența la frig și alte proprietăți, intervalele de temperatură de funcționare ale materialelor compozite sunt determinate după cum urmează:<250 °С - для материалов с полимерными матрицами; >1000 °C - pentru materiale cu matrici ceramice; Materialele compozite cu matrice metalice acoperă aceste limite
Caracteristicile de rezistență ale unor materiale compozite sunt prezentate în Tabelul 38 5.
Principalele tipuri de conexiuni ale materialelor compozite de astăzi sunt șuruburi, nituite, adezive, conexiuni prin lipire și sudură și combinate.Conexiunile prin lipire și sudare sunt deosebit de promițătoare, deoarece deschid oportunitatea de a realiza pe deplin proprietățile unice ale unui compozit. material într-o structură, dar implementarea lor reprezintă o sarcină științifică și tehnică complexă și în multe cazuri nu a părăsit încă stadiul experimental.
38,5. Probleme de sudabilitate a materialelor compozite
Dacă prin sudabilitate înțelegem capacitatea unui material de a forma îmbinări sudate care nu sunt inferioare acestuia în proprietățile lor, atunci materialele compozite cu matrice metalice, în special cele fibroase, ar trebui clasificate drept materiale greu de sudat. Există mai multe motive pentru aceasta.
I. Metodele de sudare și lipire presupun îmbinarea materialelor compozite peste o matrice metalică. Umplutura de armare dintr-o cusătură sudată sau brazată fie este complet absentă (de exemplu, în sudurile cap la cap situate transversal pe direcția armăturii în materiale compozite fibroase sau stratificate), fie este prezentă într-o fracțiune de volum redusă (la sudarea materialelor întărite cu dispersie cu fire care conțin o fază discretă de armare) sau există o încălcare a continuității și direcției armăturii (de exemplu, în timpul sudării prin difuzie a compozițiilor fibroase pe direcția armăturii). În consecință, o cusătură sudată sau lipită este o zonă slăbită a unei structuri de material compozit, care necesită luare în considerare la proiectarea și pregătirea îmbinării pentru sudare. În literatură, există propuneri pentru sudarea autonomă a componentelor compoziției pentru a menține continuitatea armăturii (de exemplu, sudarea sub presiune a fibrelor de wolfram într-o compoziție de tungsten-cupru), cu toate acestea, sudarea cap la cap autonomă a materialelor compozite fibroase necesită o pregătire specială a marginilor. , aderenta stricta la pasul de armare si este potrivita numai pentru materiale cu fibre metalice armate. O altă propunere este pregătirea îmbinărilor cap la cap cu fibre suprapuse dincolo de lungimea critică, dar acest lucru pune dificultăți în umplerea îmbinării cu material matrice și asigurarea unei legături puternice la interfața fibră-matrice.
II. Este convenabil să se ia în considerare influența încălzirii prin sudare asupra dezvoltării interacțiunii fizico-chimice într-un material compozit folosind exemplul unei conexiuni formate atunci când un arc topește un material fibros pe direcția armăturii (Fig. 38.2). Dacă metalul matricei nu are polimorfism (de exemplu, Al, Mg, Cu, Ni etc.), atunci în îmbinare pot fi distinse 4 zone principale: 1 - zonă încălzită la temperatura de retur a matricei (prin analogie cu sudarea de materiale omogene, vom numi această zonă materialul principal); 2 - zona limitata de temperaturile de retur si recristalizare a matricei de metal (zona de retur); 3 zone,
limitat de temperaturile de recristalizare si topire ale matricei (zona de recristalizare); 4 - zonă de încălzire peste temperatura de topire a matricei (să numim această zonă sudură). Dacă matricea din materialul compozit este aliaje de Ti, Zr, Fe și alte metale care au transformări polimorfe, atunci în zona 3 vor apărea subzone cu recristalizare în fază completă sau parțială a matricei, dar pentru această considerație acest punct nu este semnificativ.
Modificările în proprietățile materialului compozit încep în zona 2. Aici, procesele de recuperare îndepărtează întărirea prin deformare a matricei realizată în timpul compactării în fază solidă a materialului compozit (în compozițiile obținute prin metode în fază lichidă, înmuierea nu se observă în acest caz. zona).
În zona 3, are loc recristalizarea și creșterea granulelor de metal ale matricei. Datorită mobilității de difuzie a atomilor matricei, dezvoltarea ulterioară a interacțiunii interfazelor, care a început în procesele de producție a materialului compozit, devine posibilă; grosimea straturilor fragile crește și proprietățile materialului compozit în ansamblu se deteriorează. Când materialul de sudare prin fuziune
Atunci când este obținută prin metode de compactare în fază solidă a pulberilor sau a materialelor preimpregnate cu o pulbere sau o matrice pulverizată, porozitatea este posibilă de-a lungul limitei de fuziune și a limitelor interfazelor adiacente, deteriorând nu numai proprietățile de rezistență, ci și etanșeitatea îmbinării sudate.
În zona 4 (cusătură de sudură), se pot distinge 3 secțiuni:
Secțiunea 4”, adiacentă axei sudurii, unde din cauza supraîncălzirii puternice sub arcul topiturii matricei metalice și a celei mai lungi durate a metalului în starea topit, are loc dizolvarea completă a fazei de armare;
Secțiunea 4", caracterizată printr-o temperatură de încălzire mai scăzută a topiturii și o durată mai scurtă de contact a fazei de armare cu topitura. Aici această fază este doar parțial dizolvată în topitură (de exemplu, diametrul fibrelor scade, apar cavități. pe suprafața lor; unidirecționalitatea armăturii este perturbată);
Secțiunea 4"", unde nu există o schimbare vizibilă a dimensiunilor fazei de armare, dar se dezvoltă o interacțiune intensă cu topitura, se formează straturi sau insule de produse de interacțiune fragile, iar rezistența fazei de armare scade. Ca urmare, zona 4 devine zona de deteriorare maximă a materialului compozit în timpul sudării.
III. Datorită diferențelor de dilatare termică a materialului matricei și fazei de armare în îmbinările sudate din materiale compozite, apar tensiuni termoelastice suplimentare, care determină formarea diferitelor defecte: fisurare, distrugerea fazelor de armare fragile în zona cea mai încălzită 4 a îmbinării. , delaminare de-a lungul limitelor interfazei în zona 3.
Pentru a asigura proprietăți ridicate ale îmbinărilor sudate din materiale compozite, se recomandă următoarele.
În primul rând, dintre metodele de îmbinare cunoscute, ar trebui să se acorde preferință metodelor de sudare în fază solidă, în care, datorită consumului de energie mai scăzut, se poate obține o degradare minimă a proprietăților componentelor din zona de îmbinare.
În al doilea rând, modurile de sudare sub presiune trebuie selectate astfel încât să se prevină deplasarea sau strivirea componentei de armare.
În al treilea rând, atunci când materialele compozite de sudare prin fuziune trebuie selectate metode și moduri care să asigure un aport minim de căldură în zona de îmbinare.
În al patrulea rând, sudarea prin fuziune ar trebui recomandată pentru îmbinarea materialelor compozite cu componente compatibile termodinamic, cum ar fi cupru-tungsten, cupru-molibden, argint-tungsten sau armate cu materiale de umplutură rezistente la căldură, cum ar fi fibre de carbură de siliciu sau materiale de umplutură cu acoperiri de barieră; precum fibrele bor cu carbură de bor sau acoperiri cu carbură de siliciu.
În al cincilea rând, electrodul sau materialul de umplutură sau materialul garniturilor intermediare pentru sudarea prin topire sau lipire trebuie să conțină aditivi de aliere care să limiteze dizolvarea componentei de armare și formarea de produse casante de interacțiune interfacială în timpul procesului de sudare și în timpul funcționării ulterioare a sudurului. unitati.
38.5.1. Sudarea materialelor compozite
Materialele compozite fibroase și laminate sunt cel mai adesea îmbinate într-o manieră lepată. Raportul dintre lungimea podelei și grosimea materialului depășește de obicei 20. Astfel de conexiuni pot fi întărite în continuare cu nituri sau conexiuni cu șuruburi. Împreună cu îmbinările suprapuse, este posibil să se realizeze îmbinări sudate cap la cap și colțuri în direcția armăturii și, mai rar, pe direcția armăturii. În primul caz, cu alegerea corectă a metodelor și modurilor de sudare sau lipire, este posibil să se obțină o rezistență egală a conexiunii; în al doilea caz, rezistența conexiunii nu depășește de obicei rezistența materialului matricei.
Materialele compozite întărite cu particule, fibre scurte și mustăți sunt sudate folosind aceleași tehnici ca aliajele de întărire prin precipitare sau materialele pulbere. În acest caz, se poate obține o rezistență egală a îmbinărilor sudate cu materialul de bază, cu condiția ca materialul compozit să fie fabricat folosind tehnologia în fază lichidă, armat cu materiale de umplutură rezistente la căldură și atunci când se selectează moduri de sudare și materiale de sudare adecvate. În unele cazuri, electrodul sau materialul de umplutură poate fi similar sau similar ca compoziție cu materialul de bază.
38.5.2. Sudare cu arc protejat cu gaz
Metoda este utilizată pentru sudarea prin fuziune a materialelor compozite cu o matrice de metale și aliaje active chimic (aluminiu, magneziu, titan, nichel, crom). Sudarea se realizează cu un electrod neconsumabil într-o atmosferă de argon sau un amestec cu heliu. Pentru a regla efectul termic al sudării asupra materialelor, se recomandă utilizarea unui arc pulsat, arc comprimat sau arc trifazat.
Pentru a crește rezistența îmbinărilor, se recomandă realizarea cusăturilor folosind electrozi compoziți sau fire de umplutură cu un conținut volumetric al fazei de armare de 15-20%. Fibrele scurte de bor, safir, nitrură sau carbură de siliciu sunt folosite ca faze de armare.
38.5.3. Sudarea cu fascicul de electroni
Avantajele metodei sunt absența oxidării metalului topit și a umpluturii de armare, degazarea în vid a metalului în zona de sudare, concentrația mare de energie în fascicul, ceea ce face posibilă obținerea îmbinărilor cu o lățime minimă a topirii. zona si zona afectata de caldura. Ultimul avantaj este deosebit de important atunci când se realizează conexiuni ale materialelor compozite din fibre în direcția armăturii. Cu pregătirea specială a îmbinărilor, este posibilă sudarea folosind distanțiere de umplutură.
38.5.4. Sudarea prin puncte cu rezistență
Prezența unei faze de armare într-un material compozit reduce conductivitatea termică și electrică a acestuia în comparație cu materialul matricei și previne formarea unui miez turnat. S-au obținut rezultate satisfăcătoare la sudarea în puncte a materialelor compozite subțiri cu straturi de placare. Când sudați foi de diferite grosimi sau foile compozite cu foi metalice omogene, pentru a aduce miezul punctului de sudură în planul de contact al foilor și a echilibra diferența de conductivitate electrică a materialului, selectați electrozi cu conductivitate diferită, comprimarea zonei periferice, modificați diametrul și raza de curbură a electrozilor, iar stratul de placare cu grosimea, utilizați garnituri suplimentare.
Rezistența medie a punctului de sudare la sudarea plăcilor monoaxiale de aluminiu armat cu bor cu o grosime de 0,5 mm (cu o fracțiune de volum a fibrelor de 50%) este de 90% din rezistența bor-aluminiu a unei secțiuni echivalente. Rezistența îmbinării tablelor de bora-aluminiu cu armătură în cruce este mai mare decât cea a tablelor cu armătură uniaxială.
38.5.5. Sudarea prin difuzie
Procesul se desfășoară la presiune înaltă fără utilizarea lipiturii. Astfel, piesele din aluminiu bor care urmează a fi îmbinate sunt încălzite într-o retortă etanșată la o temperatură de 480 °C la o presiune de până la 20 MPa și menținute în aceste condiții timp de 30-90 de minute. Procesul tehnologic de sudare în puncte cu rezistență la difuzie a bora-aluminiului cu titan nu este aproape deloc diferit de sudarea în puncte prin fuziune. Diferența este că modul de sudare și forma electrozilor sunt selectate astfel încât temperatura de încălzire a matricei de aluminiu să fie apropiată de temperatura de topire, dar sub aceasta. Ca rezultat, în punctul de contact se formează o zonă de difuzie cu o grosime de 0,13 până la 0,25 microni.
Specimenele sudate prin suprapunere prin sudare în puncte prin difuzie, atunci când sunt testate la tensiune în intervalul de temperatură 20-120 °C, sunt distruse de-a lungul materialului de bază cu ruptură de-a lungul fibrelor. La o temperatură de 315 °C, probele sunt distruse prin forfecare la îmbinare.
38.5.6. Sudarea pene-presă
Pentru a conecta capetele din aliaje structurale convenționale cu țevi sau corpuri din materiale compozite, a fost dezvoltată o metodă de sudare a metalelor diferite care diferă puternic în duritate, care poate fi numită presă cu micropane. Presiunea de presare se obtine datorita solicitarilor termice care apar la incalzirea dornului si suportului dispozitivului de sudura prin termocompresie, realizate din materiale cu coeficienti de dilatare termica (TE) diferiti. Elementele de capăt, pe suprafața de contact a cărora se aplică un fir de pană, sunt asamblate cu o țeavă din material compozit, precum și cu un dorn și un suport. Dispozitivul asamblat este încălzit într-un mediu protector la o temperatură de 0,7-0,9 de la punctul de topire al celui mai fuzibil metal. Mandrinul de fixare are un CTE mai mare decât suportul. În timpul procesului de încălzire, distanța dintre suprafețele de lucru ale dornului și suport este redusă, iar proeminențele („pene”) filetului de pe vârf sunt presate în straturile de placare ale țevii. Rezistența conexiunii în fază solidă nu este mai mică decât rezistența matricei sau a metalului de placare.
38.5.7. Sudarea prin explozie
Sudarea prin explozie este utilizată pentru îmbinarea tablelor, profilelor și țevilor din materiale metalice compozite armate cu fibre metalice sau straturi cu proprietăți plastice suficient de mari pentru a evita strivirea fazei de armare, precum și pentru îmbinarea materialelor compozite cu contravântuiri din diferite metale și aliaje. . Rezistența îmbinărilor este de obicei egală sau chiar mai mare (datorită întăririi la deformare) decât rezistența materialului matricei cel mai puțin rezistent utilizat în piesele care sunt îmbinate. Pentru a crește rezistența îmbinărilor, se folosesc garnituri intermediare din alte materiale.
De obicei, nu există pori sau crăpături în articulații. Zonele topite din zona de tranziție, în special în timpul exploziei de metale diferite, sunt amestecuri de faze de tip eutectic.
38.6. Lipirea materialelor compozite
Procesele de lipire sunt foarte promițătoare pentru îmbinarea materialelor compozite, deoarece pot fi efectuate la temperaturi care nu afectează umplutura de armare și nu provoacă dezvoltarea interacțiunii interfațale.
Lipirea se realizează folosind tehnici convenționale, adică imersarea în lipire sau în cuptor. Problema calității pregătirii suprafeței pentru lipire este foarte importantă. Îmbinările realizate cu lipituri lipite folosind fluxuri sunt susceptibile la coroziune, astfel încât fluxul trebuie îndepărtat complet din zona îmbinării.
Lipirea cu lipituri dure și moi
Au fost dezvoltate mai multe opțiuni pentru lipirea aluminiului cu bor. Au fost testate lipituri pentru lipirea la temperaturi joase. Lipiturile din compoziția 55% Cd -45% Ag, 95% Cd -5% Ag, 82,5% Cd-17,5% Zn sunt recomandate pentru piesele care funcționează la temperaturi care nu depășesc 90 °C; compoziție de lipire 95% Zn - 5% Al - pentru temperaturi de funcționare de până la 315 °C. Pentru a îmbunătăți umezirea și împrăștierea lipiturii, se aplică un strat de nichel de 50 microni grosime pe suprafețele de îmbinat. Lipirea la temperatură înaltă se realizează folosind lipituri eutectice ale sistemului aluminiu - siliciu la temperaturi de ordinul 575-615 ° C. Timpul de lipire trebuie menținut la minimum din cauza riscului de degradare a rezistenței fibrelor de bor.
Principalele dificultăți în lipirea compozițiilor carbon-aluminiu atât între ele, cât și cu aliajele de aluminiu sunt asociate cu umecbilitatea slabă a compozițiilor carbon-aluminiu cu lipituri. Cele mai bune lipituri sunt aliajul 718 (A1-12% Si) sau straturile alternative de folie din aliajul 6061. Lipirea se realizează într-un cuptor în atmosferă de argon la o temperatură de 590 ° C timp de 5-10 minute. Pentru a conecta bora-aluminiu și carbon-aluminiu cu titan, pot fi utilizate lipituri ale sistemului aluminiu-siliciu-magneziu. Pentru a crește rezistența conexiunii, se recomandă aplicarea unui strat de nichel pe suprafața de titan.
Lipirea prin difuzie eutectică. Metoda constă în aplicarea unui strat subțire dintr-un al doilea metal pe suprafața pieselor sudate, formând un eutectic cu metalul matricei. Pentru matricele din aliaje de aluminiu se folosesc straturi de Ag, Cu, Mg, Ge, Zn, a căror temperatură eutectică cu aluminiu este de 566, 547, 438, 424, respectiv 382 °C. Ca urmare a procesului de difuzie, concentrația celui de-al doilea element în zona de contact scade treptat, iar temperatura de topire a compusului crește, apropiindu-se de temperatura de topire a matricei. Astfel, îmbinările de lipit pot funcționa la temperaturi mai mari decât temperatura punkka.
La lipirea prin difuzie a aluminiului cu bor, suprafețele pieselor care trebuie îmbinate sunt acoperite cu argint și cupru, apoi comprimate și menținute sub presiune de până la 7 MPa la o temperatură de 510-565 ° C într-o retortă de oțel în vid sau atmosferă inertă.
CARACTERISTICI GENERALE ŞI CLASIFICARE
Materialele metalice și nemetalice utilizate în mod tradițional și-au atins în mare măsură limitele de rezistență structurală. În același timp, dezvoltarea tehnologiei moderne necesită crearea de materiale care să funcționeze fiabil într-o combinație complexă de câmpuri de forță și temperatură, atunci când sunt expuse la medii agresive, radiații, vid ridicat și presiuni mari. Adesea, cerințele pentru materiale pot fi contradictorii. Această problemă poate fi rezolvată prin utilizarea materialelor compozite.
Material compozit(CM) sau compozitul este un sistem eterogen tridimensional format din componente insolubile reciproc, care diferă foarte mult în proprietăți, a căror structură permite să profităm de avantajele fiecăreia dintre ele.
Omul a împrumutat principiul construirii CM din natură. Materialele compozite tipice sunt trunchiurile copacilor, tulpinile de plante, oasele umane și animale.
CM vă permit să aveți o combinație dată de proprietăți eterogene: rezistență și rigiditate specifică ridicate, rezistență la căldură, rezistență la uzură, proprietăți de protecție termică etc. Gama de proprietăți ale CM nu poate fi obținută folosind materiale convenționale. Utilizarea lor face posibilă crearea de modele inaccesibile anterior, fundamental noi.
Datorită CM, a devenit posibil un nou salt calitativ în creșterea puterii motorului, reducerea greutății mașinilor și structurilor și creșterea eficienței în greutate a vehiculelor și vehiculelor aerospațiale.
Caracteristicile importante ale materialelor care funcționează în aceste condiții sunt rezistența specifică σ în /ρ și rigiditatea specifică E/ρ, unde σ in este rezistența temporară, E- modulul de elasticitate normală, ρ – densitatea materialului.
Aliajele de înaltă rezistență, de regulă, au ductilitate scăzută, sensibilitate ridicată la concentratoarele de tensiuni și rezistență relativ scăzută la dezvoltarea fisurilor de oboseală. Deși materialele compozite pot avea, de asemenea, o ductilitate scăzută, ele sunt mult mai puțin sensibile la factorii de creștere a tensiunii și sunt mai rezistente la cedarea prin oboseală. Acest lucru se explică prin diferite mecanisme de formare a fisurilor în oțelurile și aliajele de înaltă rezistență. În oțelurile de înaltă rezistență, o fisură, care a atins o dimensiune critică, se dezvoltă ulterior într-un ritm progresiv.
Un mecanism diferit funcționează în materialele compozite. O fisură, care se deplasează în matrice, întâlnește un obstacol la interfața matrice-fibră. Fibrele inhibă dezvoltarea fisurilor, iar prezența lor în matricea plastică duce la o creștere a tenacității la rupere.
Astfel, sistemul compozit combină două proprietăți opuse necesare materialelor structurale - rezistență ridicată datorită fibrelor de înaltă rezistență și tenacitate la rupere suficientă datorită matricei plastice și mecanismului de disipare a energiei de rupere.
CM-urile constau dintr-un material de bază de matrice relativ plastic și componente mai dure și mai durabile, care sunt materiale de umplutură. Proprietățile CM depind de proprietățile bazei, materiale de umplutură și rezistența legăturii dintre ele.
Matricea leagă compoziția într-un monolit, îi dă formă și servește la transferul sarcinilor externe la armătura de umplutură. În funcție de materialul de bază, CM se disting cu o matrice metalică, sau materiale compozite metalice (MCM), cu materiale compozite polimer - polimer (PCM) și cu materiale compozite ceramică - ceramică (CCM).
Rolul principal în consolidarea CM-urilor este jucat de umpluturi, adesea numite întăritori. Au rezistență mare, duritate și modul elastic. Pe baza tipului de umpluturi de întărire, CM-urile sunt împărțite în dispersia întărită,fibrosȘi stratificat(Fig. 28.2).
Orez. 28.2. Scheme ale structurii materialelor compozite: A) dispersia întărită; b) fibros; V) stratificat
Particulele refractare mici, distribuite uniform, de carburi, oxizi, nitruri etc. sunt introduse artificial în CM-uri întărite prin dispersie, care nu interacționează cu matricea și nu se dizolvă în ea până la temperatura de topire a fazelor. Cu cât particulele de umplutură sunt mai mici și distanța dintre ele este mai mică, cu atât CM este mai puternică. Spre deosebire de cele fibroase, în CM-urile întărite cu dispersie principalul element portant este matricea. Un ansamblu de particule de umplutură dispersate întărește materialul prin rezistența la mișcarea dislocațiilor sub încărcare, ceea ce face deformarea plastică mai dificilă. Rezistența eficientă la mișcarea dislocațiilor este creată până la temperatura de topire a matricei, datorită căreia CM-urile întărite prin dispersie se disting prin rezistență ridicată la căldură și rezistență la fluaj.
Armătura din materialele compozite fibroase poate fi fibre de diferite forme: fire, benzi, ochiuri de diferite țesături. Armarea CM fibroasă poate fi realizată conform unei scheme uniaxiale, biaxiale și triaxiale (Fig. 28.3, A).
Rezistența și rigiditatea unor astfel de materiale este determinată de proprietățile fibrelor de armare care suportă sarcina principală. Întărirea oferă o creștere mai mare a rezistenței, dar consolidarea dispersiei este mai ușor de implementat din punct de vedere tehnologic.
Materiale compozite stratificate (Fig. 28.3, b) sunt compuse din straturi alternative de material de umplutură și matrice (tip „sandwich”). Straturile de umplutură din astfel de CM pot avea orientări diferite. Este posibil să se utilizeze alternativ straturi de umplutură din diferite materiale cu proprietăți mecanice diferite. Pentru compozițiile stratificate, se folosesc de obicei materiale nemetalice.
Orez. 28.3. Scheme de armare cu fibre ( A) și stratificat ( b) materiale compozite
MATERIALE COMPOZITE DISPERSE-RESTRUSTE
În timpul întăririi dispersiei, particulele blochează procesele de alunecare în matrice. Eficacitatea întăririi, supusă unei interacțiuni minime cu matricea, depinde de tipul particulelor, de concentrația lor în volum, precum și de uniformitatea distribuției în matrice. Sunt utilizate particule dispersate din faze refractare precum Al2O3, SiO2, BN, SiC, care au o densitate scăzută și un modul elastic ridicat. CM sunt de obicei produse prin metalurgia pulberilor, un avantaj important al căruia este izotropia proprietăților în direcții diferite.
În industrie, CM-urile întărite cu dispersie sunt de obicei utilizate pe baze de aluminiu și, mai rar, de nichel. Reprezentanții tipici ai acestui tip de materiale compozite sunt materiale precum SAP (pulbere de aluminiu sinterizată), care constă dintr-o matrice de aluminiu întărită de particule dispersate de oxid de aluminiu. Pulberea de aluminiu se obține prin pulverizarea metalului topit, urmată de măcinarea în mori cu bile până la o dimensiune de aproximativ 1 micron în prezența oxigenului. Odată cu creșterea timpului de măcinare, pulberea devine mai fină, iar conținutul său de oxid de aluminiu crește. O altă tehnologie pentru producția de produse și semifabricate de la SAP include presarea la rece, presinterizarea, presarea la cald, laminarea sau extrudarea unei țagle de aluminiu sinterizat sub formă de produse finite care pot fi supuse unui tratament termic suplimentar.
Aliajele de tip SAP sunt deformate satisfăcător în stare fierbinte, iar aliajele cu 6–9% Al 2 O 3 - chiar și la temperatura camerei. Din ele, trefilarea la rece poate fi folosită pentru a produce folii de până la 0,03 mm grosime. Aceste materiale sunt ușor de tăiat și au rezistență ridicată la coroziune.
Calitățile SAP utilizate în Rusia conțin 6–23% Al 2 O 3 . Există SAP-1 cu un conținut de 6–9, SAP-2 cu 9–13, SAP-3 cu 13–18% Al 2 O 3. Odată cu creșterea concentrației în volum a oxidului de aluminiu, rezistența materialelor compozite crește. La temperatura camerei, caracteristicile de rezistență ale SAP-1 sunt următoarele: σ in = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 sunt după cum urmează: σ in = 420 MPa, σ 0,2 = 340 MPa.
Materiale precum SAP au o rezistență ridicată la căldură și sunt superioare tuturor aliajelor de aluminiu forjat. Chiar și la o temperatură de 500 °C σ lor este de cel puțin 60–110 MPa. Rezistența la căldură se explică prin efectul inhibitor al particulelor dispersate asupra procesului de recristalizare. Caracteristicile de rezistență ale aliajelor de tip SAP sunt foarte stabile. Testele de rezistență pe termen lung ale aliajelor de tip SAP-3 timp de 2 ani nu au avut practic niciun efect asupra nivelului de proprietăți atât la temperatura camerei, cât și atunci când sunt încălzite la 500 °C. La 400 °C, rezistența SAP este de 5 ori mai mare decât rezistența aliajelor de aluminiu îmbătrânite.
Aliajele de tip SAP sunt utilizate în tehnologia aviației pentru fabricarea pieselor cu rezistență specifică ridicată și rezistență la coroziune, funcționând la temperaturi de până la 300–500 °C. Din ele sunt fabricate tijele pistonului, paletele compresorului, carcasele elementelor de combustibil și țevile schimbătoarelor de căldură.
CM este produs folosind metalurgia pulberilor folosind particule dispersate de carbură de siliciu SiC. Compusul chimic SiC are o serie de proprietăți pozitive: punct de topire ridicat (mai mult de 2650 °C), rezistență ridicată (aproximativ 2000 MPa) și modul elastic (> 450 GPa), densitate scăzută (3200 kg/m3) și rezistență bună la coroziune. . Producția de pulberi abrazive de siliciu a fost stăpânită de industrie.
Pulberile de aliaj de aluminiu și SiC sunt amestecate, pre-compactate la presiune joasă, apoi presate la cald în recipiente de oțel în vid la temperatura de topire a aliajului de matrice, adică în stare solid-lichid. Piesa de prelucrat rezultată este supusă unei deformări secundare pentru a obține semifabricate de forma și dimensiunea cerute: table, tije, profile etc.
Materialele compozite constau dintr-o matrice metalică(de obicei A1, Mg, Ni și aliajele acestora), armat cu fibre de înaltă rezistență (materiale fibroase) sau particule refractare fin dispersate, insolubil în metalul de bază (materiale întărite prin dispersie). Matricea metalică leagă fibrele (particulele dispersate) într-un singur întreg. Fibre (particule dispersate) plus un liant (matrice) care alcătuiește
Orez. 1
1 - material granular (consolidat prin dispersie). (l/d- eu): 2 - material compozit fibros discret; 3 - material compozit cu fibre continue; 4 - așezarea continuă a fibrelor; 5 - plasarea fibrelor bidimensionale; 6,7 - pozarea fibrelor volumetrice
sau altă compoziție, a primit numele materiale compozite(Fig. 196).
Materiale compozite cu fibre.
Pe fig. 196 prezintă diagrame de armătură pentru materiale compozite fibroase. Materialele compozite cu umplutură fibroasă (întărire) conform mecanismului de acțiune de armare se împart în unele discrete, în care raportul dintre lungimea fibrei și diametrul l/d « 10-tL03, și cu fibră continuă, în care l/d = co. Fibrele discrete sunt dispuse aleator în matrice. Diametrul fibrei variază de la fracțiuni la sute de micrometri. Cu cât raportul dintre lungime și diametrul fibrei este mai mare, cu atât este mai mare gradul de întărire.
Adesea, materialul compozit este o structură stratificată în care fiecare strat este întărit cu un număr mare de fibre continue paralele. Fiecare strat poate fi, de asemenea, întărit cu fibre continue țesute într-o țesătură care reprezintă forma originală, potrivindu-se cu lățimea și lungimea materialului final. Adesea fibrele sunt țesute în structuri tridimensionale.
Materialele compozite diferă de aliajele convenționale prin valori mai mari ale rezistenței la tracțiune și ale limitei de anduranță (cu 50-100%), modulul elastic și coeficientul de rigiditate (Ely)și sensibilitate redusă la fisurare. Utilizarea materialelor compozite crește rigiditatea structurii, reducând în același timp consumul de metal.
Tabelul 44
Proprietățile mecanice ale materialelor compozite pe bază de metal
Rezistența materialelor compozite (fibroase) este determinată de proprietățile fibrelor; matricea ar trebui să redistribuie în principal tensiunile între elementele de armătură. Prin urmare, rezistența și modulul elastic al fibrelor trebuie să fie semnificativ mai mari decât rezistența și modulul elastic al matricei. Fibrele rigide de armare percep tensiunile care apar în compoziție în timpul încărcării, dându-i rezistență și rigiditate în direcția de orientare a fibrei.
Pentru a întări aluminiul, magneziul și aliajele acestora, se folosesc compuși de bor (o = 2500-*-3500 MPa, E = 38h-420 GPa) și carbon (st v = 1400-g-3500 MPa, E 160-450 GPa), fibre, precum și fibre din compuși refractari (carburi, nitruri, boruri și oxizi) având rezistență și modul elastic ridicat. Astfel, fibrele de carbură de siliciu cu diametrul de 100 μm au o temperatură de = 2500-*t3500 MPa, E= 450 GPa. Sârma din oțeluri de înaltă rezistență este adesea folosită ca fibre.
Pentru armarea titanului și aliajelor sale, se utilizează sârmă de molibden, fibre de safir, carbură de siliciu și borură de titan.
Creșterea rezistenței la căldură a aliajelor de nichel se realizează prin întărirea acestora cu sârmă de wolfram sau molibden. Fibrele metalice sunt folosite și în cazurile în care este necesară o conductivitate termică și electrică ridicată. Întăritorii promițători pentru materialele compozite fibroase de înaltă rezistență și modul înalt sunt mustații din oxid și nitrură de aluminiu, carbură și nitrură de siliciu, carbură de bor etc., având un b = 15.000-g-28.000 MPa și E= 400-*-600 GPa.
În tabel 44 prezintă proprietățile unor materiale compozite fibroase.
Materialele compozite pe bază de metal au rezistență ridicată (st, a_ x) și rezistență la căldură, în timp ce, în același timp, au o plasticitate scăzută. Cu toate acestea, fibrele din materialele compozite reduc rata de propagare a fisurilor care se nucleează în matrice și elimină aproape complet
Orez. 197. Dependenţa modulului de elasticitate E(a)și rezistența la tracțiune o în (b) materialul compozit bor-aluminiu de-a lungul (/) și transversal (2) axa de armare in functie de continutul volumetric al fibrei de bor
fractură fragilă. O trăsătură distinctivă a materialelor compozite fibroase uniaxiale este anizotropia proprietăților mecanice de-a lungul și peste fibre și sensibilitatea scăzută la concentratorii de tensiuni.
Pe fig. 197 arată dependenţa a în şi E material compozit bor-aluminiu din conținutul de fibre de bor de-a lungul (/) și de-a lungul ( 2 ) axa de armare. Cu cât este mai mare conținutul de volum al fibrelor, cu atât mai mare a b, a_ t și E de-a lungul axei armăturii. Cu toate acestea, trebuie luat în considerare faptul că matricea poate transmite stres fibrelor numai atunci când există o legătură puternică la interfața de armare fibră-matrice. Pentru a preveni contactul dintre fibre, matricea trebuie să înconjoare complet toate fibrele, ceea ce se realizează atunci când conținutul său este de cel puțin 15-20%.
Matricea și fibra nu trebuie să interacționeze între ele (nu ar trebui să existe difuzie reciprocă) în timpul producției sau al funcționării, deoarece acest lucru poate duce la o scădere a rezistenței materialului compozit.
Anizotropia proprietăților materialelor fibroase compozite este luată în considerare la proiectarea pieselor pentru a optimiza proprietățile prin potrivirea câmpului de rezistență cu câmpurile de tensiuni.
Întărirea aliajelor de aluminiu, magneziu și titan cu fibre refractare continue de bor, carbură de siliciu, diborură de titan și oxid de aluminiu crește semnificativ rezistența la căldură. O caracteristică a materialelor compozite este rata scăzută de înmuiere în timp (Fig. 198, A) odata cu cresterea temperaturii.
Orez. 198. Rezistența pe termen lung a materialului compozit bor-aluminiu care conține 50% fibre de bor în comparație cu rezistența aliajelor de titan (a) și rezistența pe termen lung a materialului compozit cu nichel în comparație cu rezistența aliajelor de întărire prin dispersie (b) :
/ - compozit bor-aluminiu; 2 - aliaj de titan; 3 - material compozit întărit cu dispersie; 4 - aliaje de întărire prin dispersie
Principalul dezavantaj al materialelor compozite cu armare unidimensională și bidimensională este rezistența scăzută la forfecare interstrat și rupere transversală. Materialele cu armare volumetrica nu prezinta acest dezavantaj.
- Polimerul, ceramica și alte matrici sunt utilizate pe scară largă.
