Учебное пособие 800438

невысоком давлении, что особенно важно, если учесть хрупкость волокон. Изделия из эпоксикарбоволокнитов длительно работают при температурах до 200 °С.

Более высокие рабочие температуры имеют изделия из феноуглеволокнитов (250 0С), волокнитов на основе

кремнийорганических смол (до 300 0С) и полиимидов (до 330

0С).

Высокое значение прочности и модуля упругости в сочетании с превосходной вибропрочностью обусловливает применение высокомодульных углеволокнитов для изготовления рабочих и направляющих лопаток компрессора для ступеней низкого давления. Высокая степень демпфированности карбоволокнитов при крутильных и изгибающих колебаниях обеспечивает значительное увеличение стойкости к флаттеру по сравнению с металлическими.

Для высокомодульных карбоволокнитов характерна высокая теплопроводность, обусловленная специфическими свойствами углеродного волокна. Низкий, а для высокомодульных волокон даже отрицательный коэффициент термического расширения способствует стабильности размеров и формы изделий из карбоволокнитов при изменении температуры.

Благодаря высокой электропроводности углеродного волокна углепластики могут выполнять функции антистатического или радиопоглощающего материала, применяемого в качестве электропроводящих панелей отопления и антиобледенения самолета. Низкий коэффициент трения наполнителя обусловливает применение их в узлах трения (высоконагревающихся подшипниках, дисках самолетных тормозов).

Иногда прочность высокомодульных углеродных волокон оказывается недостаточной. В этом случае предлагается модифицировать углепластик путем частичной замены углеродного наполнителя на высокопрочное

91

стекловолокно.

В ряде случаев, в том числе и для теплозащиты конструкций, целесообразно сочетать в пластике углеродные волокна с жесткими волокнами бора.

Органопластики - материалы, в которых в качестве упрочняющей фазы используют синтетические волокна.

Природа волокна и связующего одинакова, поэтому адгезия связующего к наполнителю достаточно высока. В качестве наполнителей применяют такие волокна, как капрон, лавсан, винол, наиболее перспективными являются материалы, в которых используются ароматические полиамидные волокна - СВМ.

Органопластики - материалы, в которых значения температурного коэффициента линейного расширения наполнителя и связующего близки, поэтому получается монолитная беспористая структура, вследствие химического взаимодействия связующего с наполнителем.

Волокна в органопластиках могут быть использованы в виде жгутов, нитей, тканей и нетканых материалов. Связующими служат эпоксидные, полиэфирные смолы, полиимиды и др.

Органопластики являются самыми легкими композиционными материалами. Монолитность структуры обеспечивает стойкость к ударным и циклическим нагрузкам, высокую вибростойкость.

Основным недостатком конструкционных органопластиков на основе волокна СВМ является невысокая прочность этих материалов при сжатии, невысокий модуль упругости. Для увеличения этих показателей часть синтетических волокон в органопластике заменяют углеродными, борными или стеклянными волокнами.

Применение органоволокнитов снижает массу конструкции на 20 .. 50 % по сравнению со сплавами алюминия или стеклопластика, увеличивает ресурс и

92

повышает надежность работы конструкций, испытывающих знакопеременные нагрузки.

Органопластики применяются в средненагруженных деталях, например, в вертолетах некоторых типов в качестве материала для грузовых дверей, хвостового оперения, обшивки нижней части фюзеляжа, хвостовой балки корпуса кабины и др.

Кроме того, органопластики используются для производства сосудов высокого давления в качестве огнестойкого декоративного материала и материала электротехнического назначения

2.3. Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения

К данной группе материалов относят сплавы системы Fe-Ni [5]. При больших содержаниях никеля в сплавах образуется непрерывный ряд твердых растворов. Согласно правилу Курнакова температурный коэффициент линейного расширения твердых растворов в функции состава изменяется по непрерывной криволинейной зависимости. В сплавах Fe-Ni эта зависимость более сложная, что дает возможность создавать сплавы с малым температурным коэффициентом линейного расширения - инварные сплавы.

Заниженное значение температурного коэффициента линейного расширения в инварных сплавах имеет ферромагнитную природу и объясняется большой магнитострикцией парапроцесса. Во всех ферромагнитных материалах, кроме сплавов инварного типа, намагниченность Ms в области парапроцесса с ростом поля практически не меняется (рис. 27) (штриховая линия).

В сплавах инварного типа намагниченность в этой области увеличивается (сплошная линия) в результате дополнительной ориентации спиновых моментов электронов,

93

несколько разориентированных тепловым движением, и вызывает большие магнитострикционные явления.

Рис. 27. Основная кривая намагничивания [2]

Магнитострикция - изменение размеров ферромагнетика при его намагничивании. В области технического намагничивания (Н < Hs) магнитострикция носит линейный характер, в области парапроцесса (Н > Нs) - объемный.

Такие же явления возникают под влиянием внутреннего магнитного поля ферромагнетика (рис. 28): в отсутствие внешнего поля форма и размер домена искажены магнитострикцией. Истинные размеры выявляются лишь при нагреве до температур выше температуры точки Кюри (t > θ), когда устраняются все магнитострикционные деформации в связи с переходом в парамагнитное состояние.

Рис. 28. Схема изменения формы и размера домена [2] ферромагнетика под влиянием внутреннего магнитного поля

94

Истинные размеры домена условно показаны на рис. 28 в виде наименьшего квадрата. При охлаждении до температур ниже точки Кюри (t < θ) линейная магнитострикция искажает форму домена, вытягивая его в направлении вектора самопроизвольной намагниченности (превращая квадрат в прямоугольник). Объемная магнитострикция увеличивает размеры домена (прямоугольника).

В кристаллах ферромагнетика, исключая сплавы инварного типа, магнитострикция, возникшая из-за внутреннего поля, не обнаруживается, так как объемная магнитострикция в них мала, а линейная компенсируется деформацией доменов в различных направлениях. В сплавах же инварного типа размеры ферромагнетика оказываются увеличенными, так как в них велика объемная магнитострикция.

Температурный коэффициент линейного расширения для ферромагнетиков в общем виде определяется формулой

где α0 - нормальный коэффициент линейного расширения, определяемый энергией связи атомов; - ферромагнитная часть коэффициента линейного расширения, основной составляющей которой является объемная магнитострикция парапроцесса.

Изменение размеров детали из инварного сплава при нагреве, описываемое формулой Аt = А20(1 + αt), показано в виде схемы (рис. 29). Нормальная составляющая размера А0, определяемая энергией связи атомов, растет вследствие уменьшения энергии при нагреве. Этот рост компенсируется уменьшением магнитострикции, так как при нагреве уменьшается намагниченность ферромагнетика из-за тепловых колебаний атомов.

95

Рис. 29. Схема изменения размера кристалла инварного сплава при нагреве [2]

В результате размер А при нагреве до температуры точки Кюри увеличивается незначительно, а для некоторых инварных сплавов даже уменьшается, т. е. коэффициент линейного расширения имеет отрицательное значение.

Например сплав, содержащий 54 % Со, 9 %Сr и 37 % Fe, в интервале температур от 20 до 70°С имеет α = -1,2∙10- 6 1/°С. Этот сплав из-за высокого содержания хрома имеет хорошие антикоррозионные свойства.

При нагреве выше температуры точки Кюри ферромагнитная часть коэффициента теплового расширения исчезает вследствие перехода сплава в парамагнитное состояние, и коэффициент α резко возрастает. Все сказанное объясняет аномально заниженные значения коэффициента α у инварных сплавов.

Сплав 36Н, называемый инваром (неизменный), является основным представителем сплавов с минимальным коэффициентом α. Низкое значение коэффициента α в области температур 20-25 °С, а также хорошие механические, технологические и антикоррозионные свойства позволили использовать инвар как конструкционный материал для деталей приборов,

96

от которых требуется постоянство размеров при изменении температуры в условиях эксплуатации.

Значения коэффициента α в значительной степени зависят от содержания примесей (особенно углерода) и технологии термической обработки сплава.

Углерод в процессе термической обработки образует с железом и никелем пересыщенные твердые растворы внедрения. В процессе эксплуатации, выделяясь, углерод вызывает «ползучесть» значения коэффициента α. Это связано с изменением параметра кристаллической решетки и магнитострикции парапроцесса, поэтому содержание углерода в сплаве должно быть минимальным (не более 0,05 %). Минимальное значение коэффициента α у инвара достигается после закалки от 830 °С, в процессе которой все примеси переходят в твердый раствор. Отпуск при 315 °С в течение 1 ч приводит к выделению мелкодисперсных избыточных фаз; последующее старение при 95°С в течение 48 ч снимает все остаточные внутренние напряжения, возникающие в процессе технологической обработки деталей, и стабилизирует значение коэффициента α.

Свойства инвара дополнительно улучшают легированием кобальтом, который частично заменяет никель, и медью. Сплав такого типа, называемый суперинвар, имеет еще более низкое значение коэффициента α.

Особую группу составляют сплавы для пайки и сварки со стеклом. Составы этих сплавов подобраны таким образом, чтобы коэффициент α сплава соответствовал коэффициенту α материала, с которым производится соединение, во всем интервале температур, вплоть до размягчения стекла. Это обеспечивает сохранение спая при нагреве и охлаждении (в процессе изготовления и в условиях эксплуатации) и получение герметичного соединения.

97

Помимо этого основного требования к сплаву выдвигается требование в отношении пластичности и хорошей обрабатываемости давлением.

Основной представитель этой группы сплав 29НК (его называют ковар), который имеет такой же коэффициент α, как термостойкое стекло, вольфрам и молибден. В этом сплаве часть никеля заменена кобальтом, что повышает температуру точки Кюри и расширяет область его применения до температуры 420 °С. При тех же температурах начинается размягчение термостойкого стекла. Сплав пластичен и хорошо обрабатывается давлением, поэтому он заменил менее пластичные и нежаростойкие вольфрам и молибден в электровакуумном производстве.

Сплав 47НД относится к группе сплавов, имеющих такой же коэффициент α, как платина и нетермостойкие «мягкие» стекла.

Этот сплав называют платинитом и используют для сварки и пайки с такими стеклами в электровакуумной промышленности. Вследствие высокого содержания никеля сплав имеет высокую температуру точки Кюри.

Для пайки с керамикой используется сплав 33НК, являющийся аналогом ковара, но с повышенным содержанием никеля. Для такой пайки не требуется очень точного совпадения коэффициентов α, что упрощает технологию изготовления сплава.

В качестве терморегулятора в приборостроении используют биметаллические пластинки, сваренные из двух материалов с различным значением коэффициента α. Для этих целей обычно используют инвар 36Н, имеющий минимальное значение коэффициента α, и сплав с 25% Ni, у которого коэффициент α очень большой (20∙10-6 1/°С). При нагреве пластинка биметалла сильно искривляется и замыкает (либо размыкает) электрическую цепь.

98

2.4. Сплавы с заданным температурным коэффициентом модуля упругости

Сплавы Fe-Ni, помимо низких значений температурного коэффициента линейного расширения при некоторых концентрациях никеля, обладают еще одним замечательным свойством — малым температурным коэффициентом модуля упругости [5].

Во всех твердых телах, в том числе и металлах, модуль упругости при нагреве уменьшается в связи с уменьшением энергии межатомных связей.

Внекоторых сплавах Fe-Ni, называемых элинварными, наблюдается аномалия в изменении модуля упругости при нагреве, который либо растет, либо изменяется очень незначительно. Элинварные сплавы широко применяют для изготовления упругих элементов и пружин точных приборов и механизмов (пружин, камертонов, резонаторов электромеханических фильтров и пр.). Постоянство модуля упругости обеспечивает малую температурную погрешность прибора в условиях эксплуатации.

Природа аномальности изменения модуля упругости при нагреве, так же как и природа инварности, ферромагнитного происхождения. Внешние растягивающие напряжения действуют на ферромагнетик подобно магнитному полю, ориентируя магнитные векторы доменов и вызывая магнитострикцию (линейную и объемную), которую в этом случае называют механострикцией.

Врезультате общая деформация ферромагнетика при воздействии на него внешних напряжений будет складываться из упруго-механической δ0 и механострикционной δм составляющих.

Модуль нормальной упругости для ферромагнетика определяется по формуле Е = σ / δ0 + δм, т. е. значения модуля

99

упругости занижены вследствие дополнительной деформации ферромагнитной природы.

На рис. 30 показана диаграмма упругой деформации ферромагнетика

Рис. 30. Упругая часть диаграммы деформации ферромагнетика [2]

Если до приложения нагрузки наложить очень большое внешнее магнитное поле, которое исчерпает магнитострикционную деформацию, то модуль упругости ферромагнетика будет определяться только упругомеханической деформацией и значения его будут большими:

Таким образом, во всех ферромагнитных материалах модуль нормальной упругости несколько занижен из-за наличия деформации ферромагнитной природы:

В элинварных сплавах вследствие большой объемной механострикции парапроцесса Е - эффект, в отличие от остальных ферромагнетиков, приобретает большое значение и

100