2.3.3.Композиционные материалы с двумерным наполнителями (слоистые композиты)

Слоистые композиты представляют собой соединения двух или более плоских элементов (слоев, пластин), различных по свойствам металлов (сплавов). Как правило, созданием СКМ получают материал, обладающий комплексом свойств. К таким свойствам относятся: коррозионная стойкость, жаростойкость, износостойкость, прочность, жаропрочность, вязкость, стойкость к дина­мическому удару.В последнее время создаются материалы с определенными упругими, магнитными, электрическими, тепловыми и другими свойствами. Кроме того, СКМ используются в строитель­стве как отделочный материал, имеющий хороший внешний вид, а также для получения материалов (в целях экономии дефицитных метал­лов), имеющих сравнительно низкую стоимость. В зависимо­сти от решения задачи СКМ можно разделить условно на две группы: плакированные и армированные Плакированные материалы – это в ос­новном двух- и трехслойные композиты, в которых одной или двум поверхностям придают специальные свойства, например, коррозионную стойкость, износостойкость. Такие слои называют плакирующими. Основной слой может нести определенную нагрузку и иметь необходимую жест­кость, определенные физические свойства. Например, сталь Ст3, плакиро­ванная с одной или двух сторон коррозионностойкой сталью 12Х18Н10Т.

2.4. Плакированиие высокопрочных материалов

Такие материалы имеют низкую пластичность и механические свой­ства их существенно зависят от состояния поверхности, например, нали­чие на поверхности высокопрочной закаленной стали микродефектов, появляющихся при термической обработке и при изготовлении изделий, резко снижает и прочность, и пластичность.

Нанесение на поверхность высокопрочной закаленной стали тонких слоев вязкой стали (сплава) стабилизирует ее механические свойства на высоком уровне. Причины этого следующие:

1. Плакирующие слои предотвращают образование закалочных де­фектов, защищая поверхность углеродистой стали от контакта с закалоч­ной средой.

2. Плакированием осуществляется перевод наиболее опасных для за­каленной стали поверхностных дефектов вовнутрь объема, что снижает их опасность (рис.2.6).

Рис. 2.6 . Схема расположения трещины в плакированной (1) и неплакированной (2) стали: 1 – закаленная сталь, 2 – плакировка

В этой связи материал плакирующего слоя должен обладать высокой пластичностью, вязкостью, достаточной прочностью, способностью к уп­рочнению.

Армированные СКМ – это в основном многослойные материалы, в которых слои разнородных материалов распределены по толщине опре­деленным образом. Наружные слои могут быть отличными от внутренних слоев и выполнять роль, как и в плакированных материалах, защиты от коррозии, износостойкость, жаростойкость и т. д.

Слоистый композит отличается от других видов (упрочненных части­цами и волокнистых) тем, что составляющие его не имеют объемного взаимного расположения. Поэтому основным условием работы материала при нагружении является наличие достаточной прочности сцепления слоев. Отсутствие прочного сцепления приводит к расслоению путем образования микротрещин в поверхности раздела. Имеющиеся технологии позволяют получить слоистые композиты с высокой прочно­стью сцепления слоев. Однако при технологических операциях получения изделия в условиях эксплуатации, когда производят нагрев, между разно­родными слоями композита проходят диффузионные процессы. Зона взаимодействия имеет отличные от составляющих структуру и свойст­ва, а толщина се определяется температурой и временем нагрева. Прогноз образующихся между металлами фаз позволяют сделать равновесные диаграммы состояния. Однако судить о свойствах диффузионной зоны не всегда представляется возможным. Это связано с тем, что практически в качестве составляющих используют сложные по составу сплавы, обра­зующие при диффузионном взаимодействии многофазные структуры, свойства которых установить затруднительно.

В случае, когда составляющие не взаимодействуют между собой, прочность композита можно оценить по уравнению

, (5)

гдеσ_А и σ_В – прочности составляющих А и В, V_A и V_B – их объемные доли

Когда между составляющими образуется диффузионная зона, такой композит необходимо рассматривать как трехкомпонентную систему, ко­торая представлена в виде схемы (рис. 2.7).

Из приведенной схемы, используя принцип аддитивности, можно за­писать уравнение

, (6)

где σ_C и V_С – прочность и объемная доля диффузионной зоны.

Рис. 2.7. Схема слоистого композита с диффузионной зоной (с) между составляющими (А и В)

Рис. 2.8. Теоретическая зависимость прочности при растяжении слоистого композита от объемной доли пластичных составляющих

В зависимости от свойств, толщины и объемной доли диффузионной зоны находятся свойства композита, поведение его при нагружении:

1. Уравнение (6) позволяет оценить прочность композита, если ее составляющие и диффузионная зона деформируются пластично до разру­шения. Это уравнение можно представитьв виде тройной диаграммы (рис.2.8). Так, в соединении хромоникелевый сплав – углеродистая конструкционная сталь переходная диффузионная зона формируется в резуль­тате миграции железа углерода из углеродистой стали в хромоникелевую и хрома никеля в углеродистую сталь. Диффузионная зона представляет собой ряд сплавов переменного состава Fc-Cr-Ni-C. При этом про­исходит снижение прочности углеродистой стали за счет обеднения ее углеродом, что ощутимо в высокопрочном состоянии (после закалки и низкого отпуска). Особенно выявляется роль диффузионной зоны при утонении образца, что равносильно увеличению се объемной доли

2. Когда составляющие реагируют с образованием хрупких (интерметаллидных) химических соединений, то деформация композита соизме­рима с деформацией реакционной зоны. При растяжении происходит разрушение интерметаллидных слоев, определяющих прочность компози­та, тогда как пластичные слои еще могут деформироваться пластически. При этом уравнение (6) будет иметь следующий вид:

, (7)

где σʹ_а и σʹ_в– напряжения в составляющих А и В при деформации раз­рушения хрупких интерметаллидных слоев.

По аналогии с волокнистыми композитами можно установить значения V_minи V_кр для хрупкой составляющей. Для установления V_min необходимо решить совместно два уравнения:

Поведение таких композитов при нагружении зависит от толщины и равномерности интерметаллидных слоев, их однородности по структуре и свойствам. Хрупкие материалы (полупроводники, металлические и неметаллические соединения) имеют максимальное значение прочности при 0,7–0,9 Т_пл,а эффект увеличения ее может составлять сотни процентов. В этой связи применение композитов с интерметаллидными слоями наиболее эффективно в качестве жаропрочных.