1.Керамические композиционные материалы. Керамические композиционные материалы имеют керамическую матрицу и содержат металлическую или неметаллическую волокнистую арматуру. Условно к керамическим композиционным материалам относят также композиты с комбинированной матрицей, содержащей тугоплавкие неметаллические частицы и частицы металла, выполняющего функцию связки. Достоинства керамических композитов определяются, в первую очередь, свойствами матрицы. Керамические матрицы обеспечивают наиболее высокий уровень рабочих температур композиционных материалов. Керамика является химически и термически стойким материалом, имеет высокий уровень прочностных свойств на сжатие. Недостатком абсолютного большинства керамических материалов является очень низкий уровень трещиностойкости. Попытки приблизить керамику по показателям вязкости к металлическим материалам привели к разработке керметов, т. е. материалов, имеющих комбинированную матрицу, полученную из порошков (более 50 % - керамика, а остальное - металл). Более эффективным является введение в керамическую матрицу металла в форме не порошка, а волокон. Одинаковая с керметами термостойкость у композитов с волокнистым упрочнителем достигается в случае, если объемная доля волокна в 3 раза меньше, чем объемная доля частиц металла в керметах. В керамических композиционных материалах нагрузка посредством матрицы передается на волокно. В том случае если модуль упругости волокна при растяжении меньше, чем модуль матрицы, нагрузку в первую очередь воспринимает матрица. При этом увеличение объемной доли волокна приводит к снижению прочностных свойств керамики. Для того чтобы волокнистая арматура, вводимая в матрицу, обеспечивала увеличение прочностных свойств керамики, необходимо чтобы волокна представляли собой более жесткий по сравнению с керамической матрицей материал. Другим техническим решением позволяющим повысить прочностные свойства керамики за счет введения армирующих волокон, является предварительное напряжение арматуры. Механизм термического напряжения материала реализуется при использовании волокон, имеющих коэффициент термического расширения больше, чем у матрицы. В этом случае при охлаждении системы, находившейся при повышенных температурах, в керамической матрице возникают сжимающие напряжения. Эти напряжения повышают прочностные свойства керамики, снижают склонность матрицы к растрескиванию. Основными способами производства керамических композиционных материалов являются прессование со спеканием, горячее прессование и шликерное литье. Первая из этих технологий неприемлема для получения композитов, армированных волокнами (особенно большого диаметра). Это объясняется тем, что волокна препятствуют уплотнению порошка, являются причиной образования дефектов структуры матрицы. Тип армирующих волокон, используемых в керамических композиционных материалах, определяется условиями работы изделий (температурой, наличием и видом агрессивной среды). В том случае если армирующими элементами служат металлические волокна, эффективность работы композитов при высоких температурах будут определять газопроницаемость керамической матрицы, наличие в ней трещин. Работоспособность таких композитов при высоких температурах зависит от свойств металлических волокон. Основным фактором, ограничивающим применение металлических волокон в керамических композитах, является их повышенная склонность к окислению при высоких температурах эксплуатации. Наиболее часто для упрочнения керамики используются волок­на вольфрама, молибдена, ниобия, стали. Металлические волокна более пластичны по сравнению с керамикой. Они воспринимают значительную часть нагрузки, сдерживают развитие трещин в композите, выполняют функцию структурных элементов, повышающих трещиностойкость и термостойкость материалов. При увеличении объемной доли металлических волокон до 25 % вязкость и термостойкость керамических композитов повышается. При дальнейшем увеличении содержания волокна возрастает по­ристость керамических матриц и свойства композитов снижаются. Основными технологическими процессами получения керамических композиционных материалов с металлическими волокнами являются методы горячего прессования и шликерного литья. При разработке керамических композиционных материалов в качестве армирующих элементов часто используют керамические волокна. Достоинства волокон этого типа заключаются в следующем: малое различие модулей упругости и коэффициентов термического расширения материалов волокон и матрицы; химическое сродство компонентов композитов; жаростойкость керамических волокон. В качестве примера композита такого типа можно отметить материал с матрицей из оксида хрома, армированной усами муллита. Керамические матрицы из оксидов Al₂O₃ и MgO упрочняют монокристаллами ZrO₂ и MgO, имеющими игольчатую форму, а также пластинчатыми кристаллами Cr₂O₃. Оптимальная объемная доля упрочняющих элементов составляет 10...20 %. Для получения композитов с пористостью матрицы менее 3 % применяют технологию горячего прессования. По сравнению с неармированной горячепрессованной керамикой термостойкость отмеченных композиционных материалов в 3...5 раз выше. Эффективными армирующими элементами керамического типа в композиционных материалах являются волокна карбида кремния. Эти волокна применяются в сочетании с матрицами из боросиликатного, алюмоборосиликатного, литиевоборосиликатного стекла. Карбид кремния используется в виде моноволокон диаметром - 10... 12 мкм. Технология получения композитов такого типа основана на горячем прессовании слоев лент волокна и стеклянного порошка. Прессование осуществляют в среде аргона. Керамические композиционные материалы с армирующими керамическими волокнами перспективны для изготовления конструкций ядерных силовых установок, высокотемпературных подшипников, лопаток газотурбинных двигателей, носовых обтекателей ракет, антенных обтекателей летательных аппаратов. В качестве упрочняющих элементов керамических композиционных материалов могут быть использованы углеродные волокна. Для армирования керамики рекомендуется применять высокомодульные волокна. Матрицами в углекерамических материалах могут служить боросиликатные, алюмосиликатные, литиевосиликатные стекла. Совокупность свойств, достигаемых при изготовлении армированных материалов, определяет их применение в многочисленных отраслях современной техники. Удельная прочность КМ является наиболее важной характеристикой, поскольку тесно увязывается с энергетическими расходами, эксплуатационными характеристиками и коммерческими соображениями, что особенно важно для таких областей техники, как авиация, космонавтика, ядерная энергетика, судо- и автомобилестроение. Для получения армированных КМ на основе металлических матриц чаще всего используются процессы пропитки под давлением расплавом металла или металлосодержащей органикой с последующим отжигом в соответствующей среде. Эти методы наиболее перспективны, поскольку позволяют вводить волокна без сколько-нибудь заметного их повреждения. Армирование хрупких матриц хрупкими волокнами, модуль упругости которых выше, чем керамики, позволяет получить значительный выигрыш не только в повышении термостойкости и сопротивлении вязкостному разрушению, но и в прочности на изгиб, разрыв и сжатие.

Углеродные композиционные материалы

Композиционные материалы на основе углеродных матриц, армированные углеродными волокнами.

Области применения углеродных композиционных материалов:

Используются в качестве конструкционных элементов при температуре до 2100 ºС и нагревательных элементов при температуре до 2500 ºС в вакууме, нейтральной и восстановительной средах, а также до 250 ºС в условиях окислительной среды (воздух).

При нормальных условиях материал нейтрален к атмосферному воздействию и агрессивному воздействию щелочей и кислот.

Примеры использования углеродных композиционных материалов:

Тепловые узлы и их комплектующие для печей, в которых проводится плавка, обжиг, спекание, выращивание монокристаллов, термостатирование

2. Пластическая деформация.

Упругая и пластическая деформация. Напряжения любого вида вызывают деформацию тела, то есть изменение его формы и размеров. С увеличением напряжения деформация увеличивается. Когда способность тела деформироваться исчерпывается, то происходит его разрушение. Способность материала сопротивляться деформации и разрушению называется прочностью. Деформация может быть упругой и пластической (рис. 1).

Упругая деформация существует только во время приложения нагрузки и полностью исчезает после ее снятия. Механизм упругой деформации состоит в изменении расстояния между атомами в направлении действующей силы.

Пластической деформацией называется изменение формы и размеров тела, сохраняющееся после снятия нагрузки. Основным механизмом пластической деформации является сдвиг атомов.

Если сдвиг происходит в идеальной кристаллической решетке, то для его осуществления требуется разорвать связи между всеми атомами в плоскости сдвига.

При наличии множества дислокаций сдвиг одной части кристалла относительно другой не сопровождается разрывом межатомных связей, а происходит путем движения (скольжения) дислокаций. Гипотеза об участии дислокаций в пластической деформации кристаллов была выдвинута в середине 30-х годов и лишь через 15-20 лет (после создания трансмиссионного электронного микроскопа) подтверждена экспериментально. Механизм пластической деформации, основанный на скольжении дислокаций, может быть сопоставлен с перемещением по полу ковра, на котором специально сделана складка (рис.2). Перемещение складки, требующее сравнительно небольших усилий, приводит к перемещению всего ковра в том же направлении. Функцию складки в металлических кристаллах выполняют дислокации. Перемещение дислокации на одно межатомное расстояние происходит без разрыва атомных связей и требует лишь небольшого смещения атомов (на расстояние меньше межатомного) вблизи ядра дислокации. Таким образом, пластичность металлов (возможность сдвига) обусловлена наличием    в   них   дислокаций   и   зависит   от   подвижности   дислокаций.   В пластичных металлах дислокации легко подвижны. Затруднение движения дислокаций любыми методами приводит к упрочнению. Движение дислокаций затрудняют границы зерен и субзерен, упругие искажения кристаллической решетки (например при растворении инородных атомов), дисперсные включения (частицы второй фазы), а также другие дислокации. Зная механизм пластической деформации и факторы, влияющие на подвижность дислокаций, можно предвидеть поведение металлов при различных внешних воздействиях и разрабатывать способы управления свойствами. Так, большинство применяемых на практике способов упрочнения металлов и их сплавов  основано на увеличении плотности дислокаций. Чем больше механизмов торможения дислокаций реализовано в одном материале, тем выше будет его прочность. В настоящее время рекордный уровень прочности (s_В = 5000 МПа) получен на патентированной проволоке из стали У9А.

Наклеп и рекристаллизация

Наклепом называется упрочнение металлов, происходящее в результате пластической деформации при процессах холодной обработки давлением (холодная прокатка, штамповка, протяжка, волочение). Поскольку пластическая деформация осуществляется путем скольжения дислокаций, то очевидно, что пластичность должна зависеть от количества дислокаций.

Наибольшая пластичность (и наименьшая прочность) достигается при равновесной плотности дислокаций r = 10⁶-10⁷ см^–2. Изменение количества несовершенств кристаллического строения в ту или иную сторону приводит к затруднению пластической деформации и увеличению  прочности. В процессе холодной пластической деформации происходит значительное увеличение плотности дислокаций (до 10¹⁰-10¹² см^-2) и, как следствие, упрочнение (наклеп). В процессе деформации зерна металла вытягиваются вдоль приложения нагрузки (образуется так называемая текстура деформации). Это явление широко применяют на практике для повышения прочности металлов. Во многих случаях для увеличения твердости, предела прочности, выносливости  достаточно поверхностного наклепа (обкатка роликами, обработка стальной дробью). Однако при холодной обработке давлением (прокатка, волочение, штамповка) следует учитывать и отрицательное влияние наклепа, так как упрочнение металла в процессе деформирования затрудняет  его  дальнейшую  обработку.

Для снятия наклепа и возвращения металлу способности деформироваться применяют рекристаллизационный отжиг, который заключается в нагреве до температуры выше температуры рекристаллизации, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. При нагреве металла атомы приобретают повышенную подвижность, уменьшается плотность дефектов кристаллического строения, снимаются внутренние напряжения, образуются новые равноосные зерна.  Это приводит к уменьшению твердости и прочности и к увеличению пластичности. Изменения в структуре и свойствах металла зависят от температуры нагрева. Можно выделить три основных этапа.  1. Возврат. Частично снимаются искажения решетки, что приводит к уменьшению остаточных напряжений. Волокнистая структура сохраняется. Механические свойства изменяются мало. 2. Рекристаллизация. Образуется новый комплекс мелких равноосных зерен. Величина рекристаллизованного зерна зависит от степени предшествующей деформации.  Степень  деформации,  при которой получается наибольшее зерно, называется критической (для большинства металлов критическая деформация составляет 2-8 %). Крупнозернистый металл имеет, как правило, худшие механические свойства по сравнению с мелкозернистым. Если по сечению детали деформация различна, то после рекристаллизации будет наблюдаться разнозернистость, которая отрицательно сказывается на механических свойствах.  3. Рост зерна (собирательная рекристаллизация). Значительное увеличение температуры рекристаллизационного отжига относительно температурного интервала рекристаллизации нежелательно, так как это приводит к росту зерна (перегреву).  Температура рекристаллизации металла или сплава связана с его температурой плавления: Т_рекр = aТ_пл, где a - коэффициент, зависящий от чистоты металла и структуры. Для металлов технической чистоты  a = 0,4;  для  сплавов  a = 0,5-0,85  в  зависимости  от  структуры. В сплавах рекристаллизация, так же как и плавление, происходит не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур.

Понятие о холодной деформации

Холодной деформацией называют обработку давлением при температурах ниже температуры начала рекристаллизации. При холодной деформации рекристаллизация не происходит. Металл упрочняется, приобретает волокнистое строение. Зерна вытягиваются в направлении  действующей  силы (образуется текстура деформации).