5.1. Дисперсноупрочненные композиционные материалы «пластичная матрица – хрупкий наполнитель».

Для этого типа материалов матрица может быть представлена, например, следующими металлами: Al, Ag, Cu, Ni, Fe, Co, Ti. В качестве наполнителя чаще всего выбираются соединения из оксидов (Al₂O₃; SiO₂; Cr₂O₃; ThO₂; TiO₂), карбидов (SiC; TiC), нитридов (Si₃N₄; AlN), боридов (TiB₂; CrB₂; ZrB₂). Различают 2 типа структур в таких материалах: агрегатную и дисперсную (рис. 5.1). Отличительной чертой агрегатной структуры является распределение дисперсных частиц наполнителя по границам зерен матрицы, имеющим различную кристаллографическую ориентацию. Особенностью дисперсной структуры является расположение дисперсных частиц наполнителя внутри зерен матрицы, имеющих определенную кристаллографическую ориентацию.

На основании опытных данных могут быть сформулированы следующие требования к материалу наполнителя, обеспечивающие наиболее эффективное его использование в качестве упрочняющей фазы. Он должен обладать: 1) высокой тугоплавкостью (t_пл. – более 1000 ⁰С), 2) высокой твердостью и высоким модулем упругости, 3) высокой дисперсностью (удельная поверхность – S_уд  10м²/г); 4) а также, при этом, должна отсутствовать коалисценция дисперсных частиц в процессе получения и эксплуатации, 5) должно иметь место низкое значение скорости диффузии дисперсных частиц в металлическую матрицу.

5.2. Механизм упрочнения пластичной матрицы дисперсными частицами хрупкого наполнителя.

Экспериментально установлено, что максимальный упрочняющий эффект матрицы достигается при Х = 0,1 –1 мкм, d = 0,01 - 0,05 мкм и L = 0,1 - 0,5 мкм (рис. 5.1). При этом, объемная доля дисперсных частиц (f) связана с параметрами L и d следующим образом:

Отметим, что для некоторых композитов эффективное упрочнение наблюдается уже при f = 5 - 10% об.

С привлечением понятий теории дислокаций механизм упрочнения пластичной матрицы дисперсными частицами хрупкого наполнителя может быть объяснен следующим образом (рис.5.2). Если расстояние (L) между частицами (1) достаточно, то дислокация (2) под действием касательного напряжения выгибается между ними, ее участки смыкаются за каждой частицей, образуя вокруг частиц петли (3). В областях между дислокационными петлями возникает поле упругих напряжений (4), затрудняющее проталкивание новых дислокаций между частицами. Этим дос-

Рис. 5.1. Агрегатная (а) и дисперсная (б) структура в дсперсноупрочненных композиционных материалах.

1 – зерно матрицы; 2 – межзеренные границы; 3 – дисперсные частицы наполнителя; х – размер зерна матрицы; d – размер частицы наполнителя; L – расстояние между соседними частицами наполнителя.

Рис. 5.2. Схематическое изображение процесса формирования дислокационных петель в пластичной матрице.

1 – дисперсные частицы; 2 – линии дислокаций; 3 – дислокационные петли; 4 – поле упругих напряжений; d – размер частицы наполнителя; L – расстояние между соседними частицами наполнителя;  – направление действия касательных напряжений.

тигается повышение сопротивления зарождению (инициированию) трещины.

Согласно теории Орована, напряжение (), необходимое для выгибания дислокации между частицами, равно:

( 1 )

где t – напряжение линии дислокации, которое хорошо описывается эмпирическим уравнением:

t = a  q_S  в² ( 2 )

где, в – вектор Бюргерса, а – коэффициент, равный  0,5, q_S – модуль сдвига матрицы, r – средний радиус частиц в плоскости скольжения, L – среднее расстояние между частицами.

Тогда, начальное напряжение сдвига композита (_с) можно записать в виде:

( 3)

где ₀ – напряжение сдвига матрицы. Далее, после подстановки выражения (2) в (3), имеем:

(4)

Выражение (4) описывает начальный период текучести достаточно корректно: расчет _с по выражению (4) и экспериментальное значение _с отличаются не более, чем в 2 раза.

Теория Фишера, Харта, Прайя объясняет эффект упрочняющего действия частиц тангенциальным напряжением (_упр.), вызванным дислокационными петлями, которые действуют как на частицу, так и на матрицу вблизи частицы:

;

где С – const; f – объемная доля частиц; n – число дислокационных петель вокруг частиц. Максимальное упрочнение достигается при максимуме выражения соответствующем напряжению сдвига матрицы.

Ансел и Ленел предлагают теорию, согласно которой разрушение дисперсноупрочненного композита определяется разрушением частиц, блокирующих плоскость сдвига. В соответствии с этим можно записать:

_n = n   (1)

где _n – напряжение, с которым скопление дислокаций действует на частицу, n – число дислокаций, двигавшихся в плоскости сдвига под действием тангенциального напряжения . При этом, число дислокаций, которое может накопиться у частиц, зависит от среднего расстояния L между частицами, тангенциального напряжения  и свойств матрицы:

(2)

Подставляя выражение (2) в (1), имеем:

(3)

Далее, когда величина _n становится равной напряжению сдвига частицы или ее разрушения, можно написать:

_n = _{сдвига частицы или разрушения} = (4)

где q_S – модуль сдвига материала частицы, С – const, равная  30 для поликристаллических частиц наполнителя, и равная  15 для частиц наполнителя с совершенной структурой, например, для нитевидных кристаллов - усов,

Тогда:

 = _тек. (5)

где _тек  предел текучести матрицы. После подстановки выражений (4) и (5) в (3), получаем:

(6)

В соответствии с полученным выражением, что подтверждается экспериментальными данными на спеченных углеродистых сталях и сплавах Al - Al₂O₃.

Отметим, что благодаря дисперсному упрочнению значительно повышаются прочностные характеристики материалов. На рис.5.3 показана зависимость условного предела текучести (_0,2 ) от размера зерна матрицы (Х) для дисперсноупрочненных композитов: нихром _{(матрица)} – ThO_{2 (наполнитель)} и Ni_{(матрица)} – ThO_{2 (наполнитель)}. Эти композиты принято сокращенно называть ТД – нихром и ТД – никель (ТД – тория диоксид). Для сравнения эта же зависимость приведена для нихромовой и никелевой матриц без наполнения диоксидом тория. Видно, что условный предел текучести для композитов ТД – нихром и ТД – никель превышает (в 1,5 – 2,0 раза) _0,2 неармированных матриц. Кроме того, можно заметить, что _0,2 значительно возрастает с уменьшением размера зерна матрицы.