Лекция №6 Кинетика образования прочного соединения на границе раздела матрица - армирующий компонент

План лекции:

1. Жидкофазное получение КМ.

• Время, необходимое для затвердевания расплавленного матричного металла.

• Оптимальное время взаимодействия. Время ретардации диффузии, длительность гетеродиффузии, длительность образования зародышей промежуточной фазы.

2. Твёрдофазное взаимодействие.

Этапы взаимодействия при получение КМ твердофазными методами. Длительность образования физического контакта, длительность активации контактных поверхностей, длительность объёмного взаимодействия.

Кинетика образования прочного соединения при твёрдофазном соединении.После того, как мы подробно рассмотрели первую стадию процесс, протекающую при пропитке КМ, которая состоит в формировании физического контакта между фазами и образования связей на границе раздела волокно-матрица следует перейти к двум последующим: диффузионного и химического взаимодействия на границе волокно-жидкая матрица ( 2-я стадия) и волокно - затвердевшая матрица (З-я стадия) . но эти вопросы нам уже знакомы, мы много говорили о них на предыдущих лекциях (типы связи на границе раздела, виды нестабильных поверхностей раздела). Поэтому попытаемся округлить оптимальную длительность контакта твёрдой и жидкой фаз, которая обеспечит надёжную связь. Для начала просто рассмотрим время, необходимое для затвердевания матрицы. Время т, необходимое для затвердевания расплавленного матричного металла, находящегося в промежутках между волокнами, можно оценить по формуле:

В этом уравнение первое слагаемое даёт время охлаждения жидкой фазы с температуры заливки до температуры плавления, а второе - время пребывания расплава в твёрдо-жидком состоянии.

Оценочные расчёты показывают, что τ может составить от 10 секунд до минут и десятков минут. В это время могут интенсивно образовываться новые фазы, вызывающие разупрочнение волокна и снижение механических свойств КМ в челом.

Основной путь снижения вредного влияния взаимодействия твёрдой и жидкой фаз является приближения взаимодействующей системы к термодинамическому равновесию путём направленного легирования.

Каким же должно быть время затвердевания расплава, чтобы все эти нежелательные процессы не успевали произойти, но связь была бы надёжной?

Оказывается, что оптимальная длительность контакта τ_k должна быть:

τ_aд < τ_k ≤ τ_p +τ_д +τ₃, где

τ_ад - время требуемое для возникновения прочных адгезионных связей по всей поверхности контакта компонентов.

τ_p - длительность инкубационного периода гетеродиффузий или время ретардации диффузии;

τ_д - длительность гетеродиффузии на глубину, необходимую для образования зародышей хрупкой промежуточной фазы;

τ₃ - длительность образования зародышей промежуточной фазы, способных к росту.

В случае удовлетворительного смачивания можно определять только τ_p , пренебрегая расчётом τ_a и τ_a, но расчёт следует вести с запасом.

(напомнить, что гетеродиффузией называется диффузия, происходящая с изменением концентрации. Имеет место в сплавах или металлах с повышенным содержанием примесей. Если перемещения атомов не связанны с изменением концентрации в отдельных объёмах, такой процесс называется самодиффузей).

Итак, мы показали, каким должно быть оптимальное время контакта твёрдой и жидкой фаз.

К сожалению, время, необходимое для полного затвердевания прочти всегда значительно превышает оптимальное, а изменять время полного затвердевания, влияя на технологический процесс очень трудно. Потому, для регулирования реакций на границе армирующий компонент - жидкая матрица используют другие приемы, а именно: нанесение барьерных покрытий и направленное легирование, приближающее систему к термодинамическому равновесию. Однако эти приемы используются и для ограничения нежелательного взаимодействия в твердофазном состоянии (т.е. в процессе охлаждения КМ от температур затвердевания до комнатной и в условиях эксплуатации при высоких температурах). Поэтому мы их изучим после того, как познакомимся с взаимодействием в твердофазном состоянии, когда КМ компактируются из твердых исходных материалов.