3.7.1.1. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

В дисперсно-упрочненных композиционных материалах наполнителями служат дисперсные частицы тугоплавких веществ: оксидов, нитридов, боридов, карбидов (Al₂O₃, SiO₂, BN, SiC и др.). К достоинствам тугоплавких соединений указанных типов относятся:

• высокие значения модуля упругости;

• относительно низкая плотность;

• малая склонность к взаимодействию с материалом матриц;

• большая распространенность в природе и невысокая стоимость (это касается Al₂O₃ и SiO₂).

В дисперсно-упрочненных композитах основную нагрузку воспринимает металлическая матрица, а дисперсные частицы упрочнителя оказывают сопротивление движению дислокаций при нагружении материала, мешают развитию пластической деформации. Чем больше это сопротивление, тем выше прочность композиционных материалов.

Упрочняющий эффект от введения дисперсного наполнителя зависит от объемного содержания упрочняющей фазы, равномерности её распределения, размера частиц и расстояния между ними.

Преимущество дисперсно-упрочненных композиционных материалов по сравнению с волокнистыми – изотропность свойств.

К числу дисперсно-упрочненных композиционных материалов на металлической основе, нашедших промышленное применение, относятся материалы на алюминиевой и никелевой основе.

А. Дисперсно-упрочненные композиты на алюминиевой основе

Наиболее известным является материал из спеченной алюминиевой пудры (САП). Материал САП состоит из алюминия и его оксида и характеризуется большой удельной прочностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и стабильностью свойств при нагревании до 500ºС.

В настоящее время освоена технология получения алюминиевой пудры четырех марок и соответствующих им марок САП (табл. 9).

Таблица 9

Механические свойства САП

Материал	Содержание Al2O3, %	σв , МПа	σв /(ρ·g) км	σ0,2, МПа	δ, %	Е, ГПа	Е/(ρ·g) 10-3, км
САП-1	6-8	300	11	220	7	67	2,1
САП-2	9-12	350	13	280	5	71	2,6
САП-3	13-17	400	15	320	3	76	2,8
САП-4	18-22	450	17	370	1,5	80	2,9

Примерно по той же технологии, что и САП, получают спеченные алюминиевые сплавы (САС). Исходными материалами для производства САС служат порошки, полученные распылением сплавов заданных составов.

Практическое значение имеют сплавы с малым температурным коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту линейного расширения стали, и высоким модулем упругости. Например, САС, содержащий 25 – 30% Si; 5 – 7% Ni; остальное – Al, имеет α=14,5 – 15,5 10^-6 К^-1; Е=100 ГПа.

САС имеют довольно высокие прочность и твердость (σ_в=260 МПа; НВ=120), но низкую пластичность (δ=1 – 1,5%).

Б. Дисперсионно-упрочненные композиты на никелевой основе

В качестве матрицы в этих материалах используют никель и его сплавы с хромом (~20% Cr) со структурой твердых растворов. Сплавы с хромоникелевой матрицей обладают более высокой жаростойкостью. Армирующими наполнителями служат частицы оксидов иттрия, гафния и др.

Наибольшее упрочнение достигается при введении 3,5 – 4% HfO₂: σ_в=750 – 850 МПа; σ_в /(ρ g)=9 – 10 км; δ=8 – 12%.