книги из ГПНТБ / Колпашников, А. И. Армирование цветных металлов и сплавов волокнами

A.И. КОЛПАШНИКОВ

B.Ф. МАНУЙЛОВ,

ЕВ. ШИРЯЕВ

АРМИРОВАНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

И СПЛАВОВ ВОЛОКНАМИ

МОСКВА «МЕТАЛЛУРГИЯ»

1974

УДК 621.775/621.771

Армирование цветных металлов и сплавов волокнами. К о л- п а ш н и к о в А. И., М а н у й л о в В. Ф., Ш и р я е в Е. В. М., «Металлургия», 1974, с. 248.

В книге рассмотрены вопросы теории армирования. При­ ведены составы материалов высокопрочных волокон, их свой­ ства, особенности производства. Подробно совещены вопросы технологии производства армированных материалов: подго­ товка компонентов; сборка и расчет заготовок; получение полуфабрикатов прокаткой, прессованием, волочением, свар­ кой взрывом, направленной кристаллизацией. Рассмотрены свойства армированных материалов и области их примене­ ния.

Предназначена для инженерно-технических работников металлургических и машиностроительных предприятий, конст­ рукторских бюро. Может быть полезна для аспирантов, преподавателей и студентов вузов. Ил. 120. Табл. 71. Список лит. 171 назв.

АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ КОЛПАШНИКОВ

ВИТАЛИЙ ФЕДОРОВИЧ МАНУЙЛОВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ ШИРЯЕВ

АРМИРОВАНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ВОЛОКНАМИ

Редактор издательства К. Д. Мишарина Художественный редактор Д. В. Орлов Технический редактор Н. В. Сидорова

Корректоры В. Б. Левин, Р. К. Гаврилина, Е. В. Якиманская Переплет художника М. П. Тельцовой

Щ ’- Л & б ' О З

ОГЛАВЛЕНИЕ

I* Зак. 747

Глава I

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ АРМИРОВАНИЯ

Армированные материалы принципиально отличаются от сплавов не только строением и закономерностями из­ менения физико-механических свойств от различных факторов, но и схемой производства. За исключением ли­ тейных композиций, получаемых направленной кристал­ лизацией эвтектических сплавов, армированные матери­ алы переводят в компактное состояние, обрабатывая сборные заготовки. Это обстоятельство, а также факт, что армированные материалы з подавляющем большин­ стве случаев являются конструкционными, позволяют выделить из широкого круга вопросов теории армирова­ ния основные вопросы, определяющие существо техно­ логического процесса производства композиций и воз­ можное практическое применение этих материалов.

На наш взгляд, к основным вопросам теории армиро­ вания применительно к конструкционным армированным материалам следует отнести:

1)условия получения компактных материалов, т. е. закономерности протекания на границе матрица — во­ локно процессов, способствующих или препятствующих получению армированных материалов;

2)закономерности изменения физико-механических характеристик армированных материалов (в первую

очередь, предела прочности, удельной прочности и моду­ ля упругости) в зависимости от его состава и характе­ ристик компонентов;

3) напряженное состояние в композициях в процессе их производства, а также в период эксплуатации в усло­ виях действия различных схем нагружения;

4)характер поведения армированных материалов при нагружении вплоть до их разрушения; влияние ос­ таточных и термических напряжений на поведение этих материалов при нагружении и их характеристики;

5)характер течения металла на стадиях получения армированных материалов из сборных заготовок сов­ местной пластической деформацией, а также характер течения при деформации этих материалов в компактном

армирования по перечисленным основным вопросам.

5

Прежде всего целесообразно рассмотреть принципы упрочнения в композиционных материалах. Наиболее разработанными в настоящее время являются компози­ ционные материалы трех классов:

1)дисперсно упрочненные материалы;

2)материалы, упрочненные частицами;

3)материалы, армированные волокнами.

Во всех этих случаях композицию образуют матрица из элементарного материала или сплава и распределен­ ная в ней вторая фаза, обычно более прочная и жесткая, чем матрица.

Микроструктуры композиций различных классов раз­ личаются. В дисперсно упрочненных материалах в мат­ рице равномерно распределены мельчайшие частицы размерам от 0,01 до 0,1 мкм, составляющие от 1до1б% объема материла. В композициях, упрочненных части­ цами, объемная доля улрочнителя достигает 25% и вы­ ше, размер частиц превышает 1,0 мкм. В композициях, упрочненных волокнами, размеры волокон в поперечном сечении колеблются от долей микрона до сотен микро-

Рис. 1. Влияние размера частиц и волокон на коэффициент упрочнения композиционных материалов -acJ amy при комнатной

температуре [!]:

aclJ—напряжение текучести композиционного материала;

а— напряжение текучести матрицы; I —длина волокна или

ниям долевой прочности (по отношению к расположению во­ локон)

6

нов, причем в отличие От улрйчнителей первых двух классов, где упрочняющие частицы практически изометричны, имеют весьма большую разницу в соотношении размеров l/dB, где I — длина волокна или волокнистой частицы; dB — усредненный диаметр волокон или волок­

спринимает основную часть нагрузки. Распределенные в ней частицы препятствуют движению дислокаций при приложении нагрузки. Степень упрочнения матрицы в этих материалах пропорциональна величине сопротив­ ления движению дислокаций, оказываемого частицами.

Основными переменными, от которых зависит эффек­ тивность упрочнения, являются: средний свободный путь

в матрице Л между частицами и промежуток между ни­

Для прохождения дислокации через тонкую диспер­ сию частиц .приложенное напряжение должно быть до­ статочным для изгиба такой дислокации в полукруглую петлю. Наименьший радиус кривизны изгиба дислокации под действием поля внутренних напряжений т, выража­

бания дислокаций вокруг частиц, будет соответствовать выражению

Дальнейшее расширение дислокационной петли про­ исходит самопроизвольно, без повышения напряжения. Верхний и нижний пределы промежутка между частица­ ми можно определить, взяв в качестве нижнего предела напряжения, необходимого для расширения петли вокруг частиц, предел текучебти чистой матрицы, равный Gm/ 1'ООО, а в качестве верхнего предела — теоретическую прочность при сдвиге, равную GM/30 [3]. Подставив эти значения в уравнение (4) и выбрав за модуль вектора

О

Бюргерса величину Ь= 3 А, получим, что для эффектив­ ного упрочнения, расстояния между частицами должны быть в пределах от 0,01 до 0,3 мкм. Чтобы выдержать ве­ личину среднего свободного пути в матрице в этих пре­

4- 0,3 мкм, 1^=0,16^0,01, dB^Q ,l мкм.

После прохождения дислокации вокруг дисперсных частиц остаются дислокационные петли, которые замет­ но уменьшают расстояние между частицами Dp. Для прохождения следующей дислокации требуется уже большее напряжение. Этим объясняется высокая степень

Главное преимущество дисперсно упрочненных мате­ риалов заключается не в повышении предела текучести или деформационном упрочнении при комнатной темпе­ ратуре матрицы из металла или сплава, а в их способно­ сти сохранять повышенное, напряжение текучести и со­ путствующее ему более высокое сопротивление ползуче­ сти в широком температурном интервале — вплоть до 0,8 Гм, где Гм — температура плавления матричного ма­ териала.

Эффективность упрочнения в этом случае может быть достигнута введением в матрицу частиц окислов, карби­ дов, боридов и т. д., нерастворимых в матрице и некоге­ рентных с ней.

2. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, УПРОЧНЕННЫЕ ЧАСТИЦАМИ

В материалах, упрочненных частицами, матрица вно­ сит меньшую долю прочности, чем в дисперсно упрочнен­ ных материалах, но большую по сравнению с волокнис­ тыми материалами. В дисперно упрочненных композици­

8

ях она — основной компонент, несущий нагрузку. В ком­ позиционных .материалах, армированных волокнами, роль матрицы сводится к передаче нагрузки волокнам. При упрочнении частицами нагрузка (распределяется между матрицей и частицами.

Дисперсные частицы начинают упрочняюще воздейст­ вовать на композицию тогда, когда деформацию матрици ограничивают посредством механического «стеснения» величина которого неизвестна и подчиняется сложной зависимости, но она является функцией отношения рас­ стояния между частицами к их диаметру, а также отно­ шения упругих характеристик матрицы и частиц. Обыч­ но величина модуля упругости Дк композиций, упрочнен­ ных частицами, меньше, чем по правилу смесей [1]:

где Дм — модуль упругости матрицы; Дв — модуль упругости волокна;

УмИ Ув — объемные доли матрицы и волокон.

Но в условиях жесткого «стеснения» этот предел можно превзойти.

Посколько модули упругости упрочненных частицами композиций должны удовлетворять соотношению

всякое положительное отклонение от уравнения (6) дол­ жно означать стеснение матрицы. Аналогичное выраже­ ние определяет модуль сдвига армированного матери­ ала:

'Поведение упрочненных частицами композиций за пределами упругих областей исследовалось лишь в от­ дельных случаях. Такое поведение можно подразделить на два вида в зависимости от того, претерпевают или не претерпевают сами частицы пластическую деформацию перед разрушением. Жесткие поверхности перед разру­ шением твердых частиц матрицей ограничивают дефор­ мацию более мягкой матрицы под действием нагрузки. При этом возникает поле гидростатических напряжений, подобное полю напряжений в упругой области, но толь­ ко при более высоких уровнях напряжений. С ростом нагрузки напряженность гидростатического поля возра­

9