книги из ГПНТБ / Рудой, Б. Л. Композиты

сложный процесс, чем сварка или спаивание металла с металлом.

Развиваемая советскими учеными академиком Н. Н. Рыкалиным и профессором М. X. Шоршоровым теория образования соединений разнородных ве­ ществ показывает, что процесс прочных связей между ними можно разделить на три стадии. На первой, подготовительной стадии между веществами образу­ ется физический контакт-—соединяемые вещества сближаются до расстояний, необходимых для меж­ атомного взаимодействия. На второй стадии поверх­ ности подготовляются к взаимодействию, происходит их активация, приводящая к образованию прочного соединения за счет квантовых процессов электронно­ го взаимодействия. Третья стадия — стадия объемно­ го взаимодействия, заключающегося в релаксации упругих сил.

Прочность соединения может достигаться двумя путями: при совместном пластическом деформирова­ нии двух твердых веществ (имеются в виду все спо­ собы сварки в твердом состоянии-—при статическом

ледняя смачивает поверхность твердого вещества. Исходные порошки для получения материалов ти­

па САП и САС, как мы уже упоминали, подвергают поверхностному окислению, а последующие операции прессования, спекания и экструзии обеспечивают по­ лучение монолитного материала с равномерным рас­ пределением дисперсной фазы. Однако этот метод может быть использован для ограниченного числа ме­ таллов (Al, Pb, Mg, Be), которые образуют прочно связанные с матрицей тонкие пленки собственного окисла (А120з, РЬО, MgO, ВеО).

В некоторых металлах: меди, кобальте, железе.

90

никеле, молибдене и вольфраме — присадки алюми­ ния, титана, хрома, циркония, тория и кремния могут образовывать устойчивые окислы. Чтобы такое окис­ ление произошло, проводят термическую обработку тонкостенных деталей, .проволоки или порошков ДЛЯ того, чтобы кислород, диффундируя в сплав, мог вза­ имодействовать с растворенными в нем элементами, образуя термодинамически устойчивый окисел. Такой метод получил название метода внутреннего окис­ ления.

.Большой интерес представляет композиционный материал на основе никеля с дисперсной фазой в ви­ де окиси тория (2 процента), материал, который за рубежом получил наименование ТД-никель. В интер­ вале температур 870—1315° он в 3—4 раза прочнее чистого никеля, а при температуре 1095° прочнее стандартных жаропрочных сплавов. ТД-никель широ­

в 1962 году. За последние годы стоимость этого мате­ риала снижена вдвое. Технология получения сплава заключается в селективном (избирательном) восста­

Характерная особенность метода заключается в про­ ведении процесса восстановления в условиях, обеспе­ чивающих получение металла матрицы в металличе­ ском состоянии и одновременно предотвращающих восстановление упрочняющего окисла. Дальнейший процесс заключается в формовании заготовок из по­ рошковой шихты, их экструзии и последующей обра­ ботки способами прессования, волочения или про­ катки.

91

Разработанные в Советском Союзе дисперсно­ упрочненные сплавы на никелевой основе марки ВДУ-1 и ВДУ-2 по жаропрочности при температурах выше 1050° превосходят никелевые сплавы и не уступают по свойствам сплаву ТД-никель.

Для получения однородных смесей путем механи­ ческого смешивания компонентов используют мелкие металлические порошки. Равномерность их распре­ деления при смешивании сухим или мокрым спосо­ бом в значительной степени зависит не только от раз­ меров частиц, но и от их удельного веса. Несмотря на недостатки, механическое смешивание обладает преимуществами простоты и дешевизны. При этом в шихту можно вводить различные окисные, силикат­ ные и другие соединения.

Чтобы придать сплаву специальные свойства, в металлическую матрицу вводят природную слюду (флогопит). Она способствует улучшению антифрик­ ционных свойств и лрирабатываемости трущихся де­ талей. Слюда выполняет роль твердой смазки, хими­ чески устойчивой к эксплуатации деталей при темпе­ ратуре выше 900°.

Большой вклад в теорию образования композици­ онных материалов на основе металлов и стекла внес советский ученый В. Преснов. Он показал, что проч­ ная связь возникает в результате химического взаи­ модействия отдельных компонентов, входящих в со­ став соприкасающихся материалов. В. Пресновым и другими исследователями доказано, что на границе раздела между металлом и стеклом имеет место хи­ мическое взаимодействие донорно-акцепторного типа, в результате которого .возникает координационно-ко­ валентная связь. Роль акцепторов электронов играют кислотные окислы, донорами электронов выступают окислы с основными свойствами.

92

БЕЗ ШВОВ И ЗАКЛЕПОК

Основной возможный соперник металла — стекло. Оно не ржаве­ ет. Хрупкость стекла не является результатом его молекулярной структуры, она вызывается нали­ чием поверхностных трещин.

Э. Фрейсине

о найденным остаткам древ­ них изделий видно, что ни в способе обработки, ни в качестве продуктов стекло

древних не отличалось существенно от нашего стек­ ла, и едва ли найдется какая другая отрасль техни­ ческого производства, которая с древних времен столь мало усовершенствовалась, как стеклоделие»,— писал Д. И. Менделеев.

Тогда, в преддверий XX века, он был совершенно прав. Сегодня это его высказывание полностью устарело.

Вот окно во всю стену. Припекает, но температура в комнате почти не меняется, словно мы задернули невидимую штору. Нас защищает от жары особый сорт оконного стекла — фототропное стекло. Под дей­ ствием солнечного света автоматически снижается светопроводность этого стекла. Через 30 секунд после начала интенсивного солнечного облучения оно про­ пускает всего половину, а спустя минуту —уже чет­ верть полного светового потока. Туча закрыла солн­ це — и через минуту стекло автоматически восстанав­ ливает свою прозрачность. Из фототропного стекла

94

сделаны все 5400 окон здания Секретариата ООН

вНью-Йорке.

Спомощью стекла мы по-новому увидели мир. Стекло приблизило к нам небо, оно помогло микро­ биологам сделать множество открытий. Сравнительно

недавно мир узнал о новом виде волокна — из стек­ ла. Без этого волокна невозможно строить современ­ ные реактивные самолеты, спутники земли, капсулы для космонавтов.

Стекло создало новую архитектуру — архитектуру света: жилые комплексы, заводы, вокзалы, аэропор­ ты, Дворцы спорта, пронизанные светом этажи, кры­ ши, сквозь которые видно небо.

Человек придумал различные способы для того, чтобы подчеркнуть специфические свойства стекла, заставить его играть всеми цветами радуги, ласкать взор богатством красок, совершенством форм и гар­ монией линий.

Переход из жидкого стеклообразного состояния в твердое совершается в интервале температур, кото­ рый зависит от химической природы' стекла. Каждой температуре соответствует определенное для данного стекла значение вязкости.

Д. И. Менделеев рассматривал структуру сили­ катных стекол как сложную систему, различая в ней две составные части — главную, неизменчивую, и из­ менчивую. Под главной он подразумевал кремне­ земистый каркас. «Как при металлическом сплаве главные его свойства определяются качеством и ко­ личеством сплавленных металлов, так и при кремне­ земистых соединениях качество их зависит от окис­ лов, соединенных с кремнеземом, от количества каж­

95

ное советским ученым Е. А. Порай-Кошицем методом рентгенографии, показало, что у этого стекла микро­ неоднородная структура, которую Порай-Кощиц объ­ ясняет процессами микрорасслаивания в расплавах стекла в соответствии с диаграммами состояний и другими факторами.

В стекле атомы расположены более беспорядочно по отношению друг к другу, чем в поликристаллических металлах. Оно обладает жесткостью твердых кристаллических тел, но не имеет правильной крис­ таллической структуры. Изучение стекол обнаружи­ вает микронеоднородности их структуры. В стекле нет полного хаоса и в то же время нет решетки, ко­ торая сопутствует кристаллическим веществам. Су­ ществует несколько гипотез строения стекла. Так, ионная теория предполагает ионный тип связей в стекле, в то время как полимерная теория исходит из преимущественно ковалентного характера хими­ ческих связей. Ученые ищут концепцию, пригодную для всех видов стекла. Что же касается механизма деформации сдвига, то в стекле он диффузионный, в отличие от реальных кристаллов, где он дислока­ ционный.

Испокон веков стекло ценили за два прекрасных качества: во-первых, оно прозрачно, а во-вторых, сла­ бо проводит тепло. Однако стеклу всегда недостава­ ло прочности. В 1921 году английский ученый А.-А. Гриффитс впервые теоретически и экспериментально доказал, что низкая прочность стекла обусловлена невидимыми простым глазом микротрещинами. В сво­ их расчетах он учел внутренние силы — силы поверх­ ностного натяжения — и получил для бесконечного хрупкого тела'с прямолинейной трещиной (при усло­ вии,. что напряжения приложены на бесконечности от трещины) критическое напряжение, по достижении

96

которого трещина будет распространяться самопро­ извольно, без подвода энергии извне.

Теоретическая прочность стекла в зависимости от его состава может равняться 1000—2500 кг/мм2. Ми­ кротрещины и атмосферная влага снижают теорети­ ческую прочность обычного промышленного стекла до 5—10 кг/мм2. Наиболее распространенные методы упрочнения стекла основаны на изменении состояния его поверхности. А если, пользуясь плавиковой кис­ лотой, вернее, парами фтористого водорода, удалить поверхностный слой стекла? В этом случае полоску стекла толщиной в 1,5 мм можно без опасения сги­ бать в полуокружность.

Выражение «хрупко, как стекло» вошло в пого­ ворку. Однако теперь его можно уравновесить выра­ жением «прочно, как стекло», потому что появилось закаленное стекло, лист которого как бы одет в не­ видимую броню, что придает ему необычайную проч­ ность. Природа этой прочности иная, чем у закален­ ной стали. Если при закалке стали благодаря образо­ ванию промежуточной структуры (мартенсита) по­ вышается главным образом твердость, то закалка стекла способствует образованию на его поверхности сжатых слоев. Закалка стекла заключается в его на­ греве и последующем охлаждении воздушным пото­ ком. Процесс этот схож с холодной обработкой ме­ таллов, создающей на его поверхности сжатые слои. Вот почему термин «закалка» по отношению к стеклу применяется чисто условно.,

Еще один способ упрочнения состоит в нанесении на только что отожженное и потому лишенное внутренних напряжений стекло различных пленоч­

Q7

таллические покрытия окрашивают стекло в желтый,

фильтрующие свойства. Так получают электропровод­ ные стекла и полупрозрачные зеркала.

Если в поверхностном слое стекла ионы натрия заменить меньшими по размеру ионами лития, то на глубине около 0,1 миллиметра возникают сильные напряжения сжатия. Прочность стекла, обработанно­ го в расплавленной соли лития, повышается до 50—100 кг/мм2.

Комбинированные способы упрочнения стекла (за­ калка в полиорганосилоксановых жидкостях и в рас­ плавах легкоплавких металлов, метод ионного обме­ на и т. н.) позволяют получать листовое стекло не­ виданной прочности. Для испытания одного из таких стекол толщиной всего в миллиметр с высоты более 3 метров был сброшен стальной шар весом около четверти килограмма. Шар отскочил от стекла, не повредив его. Из такого стекла делают трамплины- в плавательных бассейнах, его вставляют в окна кос­ мических кораблей. Ему не страшны вибрация, уда­ ры, резкие перепады температуры.

Разработан способ получения листового стекла без шлифовки и полировки. Из стекловаренной печи стеклянная лента попадает на поверхность расплав­ ленного олова. Такое стекло характеризуется высокой прозрачностью и очень точной плоскопараллельностью.

Некоторые специалисты считают, что вскоре будет освоено производство балок из стекла для много­ этажных зданий, стеклянных корпусов глубоководных лодок. Эти прогнозы нельзя считать беспочвенными, если учесть, что теоретическая прочность стекла в

98

несколько раз превышает теоретическую прочность углеродистой стали.

Нельзя не сказать подробней о фототролном стек­ ле, которое мы уже упоминали. После варки, освет­ ления и формования стекло подвергают специальной термообработке, благодаря которой выделяются ми­ крочастицы бромистого серебра размером 100— 200 ангстрем, окруженные стекловидной фазой. Под воздействием ультрафиолетового и видимого света из бромистого серебра выделяются микрочастицы ме­ таллического серебра, препятствующие прохожде­ нию света. Интенсивность падающего на стекло из­ лучения уменьшается. Это способствует рекомбина­ ции микрочастиц серебра и брома и восстановлению прозрачности стекла. Введение фототропной пленки в многослойное стекло или нанесение ее на внутрен­ нюю поверхность стеклопакета позволяет получать строительные материалы с переменной прозрач­ ностью.

«Счастье и стекло — как легко они разбивают­ ся!»— говорят немцы. Справедлива ли эта поговорка по отношению к стеклу? Ведь прочность стекловолок­ на на разрыв достигает при диаметре 2—6 микрон

массивного стекла.

Огромная скорость, сообщаемая стекломассе при выходе из фильеров стеклоплавильного сосуда, уве­ личение поверхности стекла при образовании волокна вызывают явление, аналогичное закалке металлов на воздухе. Продолжительность охлаждения стеклянных волокон не превышает ІО-4 секунды. С уменьшением диаметра волокна уменьшается и количество дефек­ тов— внезапное замерзание препятствует 4 их появ­ лению.

99