книги из ГПНТБ / Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами

ного САПа. Следовательно, и интенсивность повышения прочно­ стных характеристик у армированного САПа меньше. Это можно объяснить тем, что композиция имеет в своем составе высокопроч­ ные стальные волокна. Исследования алюминиевых и титановых сплагов. сталей с различными прочностными свойствами [83, 84] прі динамическом растяжении показывают, что с увеличением статической прочности материала коэффициент динамичности при­ ближается к единице. Так, уже для сталей с пределом прочности 150 кГІмм2 динамические характеристики прочности практически не отличаются от статических [82]. Очевидно, что прочностные свойства проволоки из стали Х18Н10Т с пределом прочности 175 кГ/мм2, применяемой для армирования САПа, также не изме­ няются с увеличением скорости деформации. Нечувствительность одного из элементов композиции к увеличению скорости дефор­ мации приводит к снижению интенсивности повышения прочност­ ных свойств композиции в целом. Чем больше объемное содержа­ ние волокон в композиции и чем выше их прочность, тем менее чувствительна композиция к изменению скорости деформации и, сле­ довательно, тем ближе коэффициент динамичности к единице.

Предел прочности ас волокнистой композиции при какой-либо

формации ё; оf — предел прочности волокон при статическом рас­ тяжении; /Сд- — коэффициент динамичности материала матрицы

при данной скорости деформации, представляющий собой отноше­ ние напряжения в матрице в момент разрыва волокон при скорости деформации б к соответствующему напряжению при статическом

растяжении; ат — напряжение в матрице в момент разрыва воло­ кон при статическом растяжении; Vf — объемное содержание волокон.

Экспериментальные значения предела прочности композиции при различных скоростях деформации хорошо согласуются с рас­ считанными по предложенному уравнению (2.16).

Ли т е р а т у р а

1.Л. Р. Ботвина, В. С. Иванова, И. М. Копьев. Физ. и хим. обработки мате­

риалов, 1968, № 3, 57.

2.М. К. Рыбальченко, Л. М . Устинов. Физ. и хим. обработки материалов,

1970, № 5> 97.

3.К. Schneider. Metall. 1958, 22, N 3, 216.

4. К- Е. Saeger. Aluminium (BRD), 1970, 46, N 10, 681.

5.Н. М . Бескоровайный, Я. Б. Фридман. Труды Моек. мех. ин-та, № 5, 1953.

6.М. р . Ріппеі, А. Lawley. Metallurg. Trans., 1970, 1, N 5, 1337.

7.Э. С. Атрощенко, В. А. Котов, А. Н. Кривенцов, В. С. Седых. Сб. «Тех­

нология машиностроения». Волгоград, 1970, І26.

138

386.

12. D . Cratchley, A. A. Baker. Metallurgie, 1964, 64, N 414, 153. 13. D. Cratchley. Metallurg. Rev., 1965, 10, N 37, 79.

14.Волокнистые армированные материалы. M., «Мир», 1967, 238.

15.Современные волокнистые материалы. М., «Мир», 1970, 345.

18.K. G. Kreider, M. Marciano. Trans. Met. Soc. A1ME, 1969, 245, N 6, 1279.

19.К- G. Kreider, C. R. Leverant. Advanced Fibrous Reinforced Composites North

2N 3, 254

24.M. Salkind. J. Metals, 1968, 20, N 3, 30.

31.A. A. Baker, D. M. Braddick, P. IF. Jakson. J. Mater. Sei., 1972, 7, N 7, 7'47.

32.С. T. Lynch, /. P. Kerghow, B. R. Collins. CRC Critical Review in Solid

State Sei., November, 1970, 481.

33.P. E. Chin, J. M. Lin. Mater. Res. Stand., 1969, 29.

34.J. M. Lin et al. J. Mater. Sei., 1971, 6, N 4, 344.

35.P. IF. Jackson et al. J. Mater. Sei., 1971, 6, N 5, 427.

36.В. R. Butcher. J. Mater. Sei., 1972, 7, N 8, 877.

37.К- M. Prewo, К- G. Kreicur. Metallurg. Trans., 1972, 3, N 8, 2201.

38.R. P. Reed, D. M. Schuster. J. Compos. Mater., 1970, 4, N 10, 514.

39. D. Cratchley. Powder Metallurgy Bull., 1963, N 11, 59.

40.R. L. Mehan. ASTM STP., 1968, 438, 29.

41.S. S. Brenner. J. Appl. Phys., 1962, 33, 33.

42.R. W. Hertzberg. Trans. Met. Soc., AIME, 1965, 233, 342.

43.F. D. Lemkey. Trans. Met. Soc., AIME, 1965, 233, 344.

44.T. Taxapa. Когё рэа мэтору, 1970, N 42, 52.

45.R. IV. Kraft, D. L. Albright. Trans. Met. Soc., AIME, 1961, 221, 95.

50.H. R. Killies, E. Lamotte. Tagung Verbundwerkstoffe, 1970, Konstanz, BRD,

22—23. X 1970.

51.J. Maise, R. Gremion, J. KaPPenan, G. Jouguet. The Carbon Fibres Conf.,

Febr. 1971, Paper 15.

52. A. 1F. Morris. The Carbon Fibres Conf., Febr. 1971, Paper 17.

53.B. 1F. Howiett, D. C. Minty, G. F. Old. The Carbon Fibres Conf., Febr. 1971,

Paper 14.

54.G. Blankenbursgst. J. Austral. Inst. Metals, Nov. 1969, 236.

139

Глава III

УПРОЧНЕНИЕ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ ВЫСОКОПРОЧНЫМИ ВОЛОКНАМИ

1.КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МАГНИЯ И МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Магний и магниевые сплавы — самые легкие конструкционные материалы со сравнительно высокими механическими свойствами при нормальных температурах. Изделия из магния и его сплавов способны воспринимать большие ударные нагрузки и обладают хорошей демпфирующей способностью. Однако применение магние­ вых сплавов в большинстве конструкций могло быть значительно расширено при условии повышения их удельной прочности, жаро­ прочности и модуля упругости. В связи с этим большой интерес представляют исследования по армированию магния и магниевых сплавов высокопрочными и высокомодульными волокнами.

Разработка композиционных материалов на основе магния и магниевых сплавов представляется особенно актуальной и перспек­ тивной в связи с тем обстоятельством, что в последние годы наблю­ дается значительный и устойчивый рост получения магния. Так, если в США, стране, которая является основным производителем магния в капиталистическом мире, в 1967 г. его получали около 100 тыс. т, то в 1971 и 1980 гг. эта цифра увеличится соответственно до 200 и 400 тыс. т в год, при существенном снижении его стои­ мости [1 , 2 ].

Для армирования магния и его сплавов применяется высоко­ прочная стальная и титановая проволока, волокна бора и углерода, нитевидные кристаллы карбида кремния и сапфира. Большое пре­ имущество магниевых сплавов как матрицы композиционных ма­ териалов заключается в том, что они практически не реагируют с основными классами армирующих волокон [3]. Именно это обстоя­ тельство позволяет применять для получения магниевых компо­ зиций жидкофазные технологии.

Исследования взаимодействия бора с магнием и его сплавами показали, что бор не растворяется в магнии, попытка ввести бор в магний и сплавы на его основе не привела к сплавлению этих материалов [3]. Хотя бориды магния и существуют, они обра­ зуются только при определенных условиях, а именно при вос­ становлении магнием борного ангидрида. Обнаружено четыре устой­ чивых борида магния: MgB2, MgB4, MgBe и MgB12.

141

Растворимость углерода в магнии не обнаружена [3]. Однако существует два карбида магния MgC, и Mg2 C8. Эти соединения образуются при пропускании этапа над нагретым порошком маг­ ния в течение нескольких часов. Оба карбида нестабильны и раз­ рушаются уже при 490° С.

Наиболее интересным материалом на основе магния в настоя­ щее время является композиция магний — волокна бора, которая характеризуется высокими значениями прочностных свойств. Про­ изводство композиционных материалов системы магний — бор воз­ можно в связи с пониженной химической активностью волокон бора по отношению к магниевой матрице и хорошей совмести­ мостью бора и магния. Волокна бора обладают длительной терми­ ческой стабильностью в жидком магнии и его сплавах при темпера­ турах до 750°, что позволяет применять методы пропитки и литья для получения композиционного материала [4]. Можно сказать, что магний — единственный конструкционный металл, который в жидком состоянии стабилен по отношению к борному волокну.

Волокна бора, извлеченные из композита путем растворения матрицы в ледяной уксусной кислоте, исследовались в целях опре­ деления их механических свойств и состояния поверхности. На рис. 1 приводятся данные о стабильности высокопрочного волокна бора на воздухе и в инертной атмосфере (аргон) при температу­ рах до 675° [4]. Высокая прочность волокон бора, характерная при испытании в аргоне, сохраняется и при введении их в магние­ вую матрицу, о чем, в частности, говорят результаты, приведен­

Стабильность волокон бора в магниевой матрице и отсутствие межфазового взаимодействия на границе раздела матрица — во­ локно подтверждается также и микроструктурным анализом (рис. 2 ).

Использование технологических процессов, сводящих до мини­ мума повреждение поверхности волокон и обеспечивающих проч­ ную связь между наполнителем и матрицей, является непременным условием создания высокопрочных композитов магний— бор.

Композиционные материалы на основе магния и магниевых сплавов в настоящее время получают следующими способами: горячим прессованием (диффузионная сварка); осаждением из га-

142

Рис. 1. Прочность волокон бора при испытаниях при повышенных температурах на воздухе (/) и в аргоне (//) [4]

Рис. 2. Микроструктура поперечного сечения композита магний — 25 об.%

бора, X 400 [4]

зовой фазы; пропиткой волокон жидким металлом (фасонное литье, пропитка под давлением и вакуумное всасывание); непрерывным литьем.

Изготовление композиционных материалов методом горячего прессования с использованием в качестве арматуры непрерывных волокон позволяет сводить до минимума повреждение волокон и термическое воздействие на них в процессе изготовления, тем самым повышая прочность композиции.

При горячем прессовании [4, 5] волокно (чаще всего борволокно) укладывается на барабан между слоями фольги из метал­ ла или сплава матрицы и обрызгивается специальным связующим, которое в дальнейшем выгорает, для фиксирования волокон в опре­ деленном положении. Полученный многослойный материал сни­ мают с барабана, разрезают на заготовки соответствующих разме­ ров и формы и в виде пакета с требуемым расположением волокон в слоях прессуют. Вначале прессование производится при неболь­ шом давлении, которое при достижении температуры соединения повышают до требуемой величины, после истечения заданного интервала времени давление снимают и готовое изделие из компо­ зиционного материала медленно остывает.

Фирмой GTC (США) методом горячего прессования были изго­ товлены панели размером 50 х 1 0 0 мм из композиционного мате­ риала магний — бор [4]. Волокна и прослойки фольги располага­ лись в 5 слоев, что дало возможность получить композицию с объем­ ной долей до 0,25. Производство композита осуществляется в инерт­ ной атмосфере с использованием специальной установки, которая состоит из гидравлического пресса (усилие 75 т) и камеры прессо­ вания, изготовленной из нержавеющей стали. Соединение слоев

143

композиции производилось между плитами из нержавеющей стали размером 62 X 127 мм. Плиты нагревались с помощью обычных нагревателей электросопротивления.

Композиционный материал, изготовленный этим методом, обла­ дал высокой удельной прочностью, жесткостью и высоким сопро­ тивлением циклическим нагрузкам. Образцы его были испытаны при комнатной и повышенной температурах: 200, 300, 400 и 500°

5

*

Рис. 3. Зависимость удельной прочности композиции маг- ^ & ннй — 25 об. % бора от тем-

пературы испытания [4]

(см. табл. 1). На рис. 3 показана удельная прочность компози­ ции магний — 25 об.°о бора в зависимости от температуры испы­ тания. В этом случае удельный вес композиции у = 1,96 гісм3.

В табл. 2 приведены характеристики, полученные при растяже­ нии образцов, приготовленных по оптимальному режиму прессо­ вания.

Т а б л и ц а 2. Предел прочности и модулъ упругости образцов композиции магний — 25 об.% бора при комнатной температуре

Приведенные результаты показывают, что прочность компози­ ции, получаемой методом диффузионной сварки, достаточно близка к значениям, подсчитанным по правилу аддитивности с учетом прочности волокна, извлеченного из матрицы. Следует отметить, что прочность волокон бора, извлеченных из композита, изготов­

На основании исследования различных режимов горячего прес­ сования, в процессе которых давление изменялось от 3,5 до 14 кГІмм2, а температура — от 350 до 600° С, были выбраны опти­ мальные параметры, обеспечивающие максимальную прочность композиции: давление— 7 кГ/мм2, температура — 525° С, вре­ мя — 1 ч.

144

В табл. 3 указана прочность и жесткость при комнатной тем­ пературе композиции магний — бор в зависимости от объемной доли волокна. Причем следует отметить, что параметры прессова­ ния при изготовлении этих композитов не являлись оптимальными

Средняя прочность борных волокон в этом случае достигала 248 кГІмм2\ а после изготовления композита и извлечения воло­ кон из матрицы она снизилась до 192 кГІмм.2.

Результаты, приведенные в табл. 3, показывают, что повышение давления прессования (до 14 кГ/мм2) в 2 раза выше оптимального (7 кГІмм2) приводит к повреждению волокна и тем самым к значи­ тельному снижению прочности композита по сравнению с расчет­ ной величиной, особенно композиций с малыми объемными долями

являются рекордными для магниевых сплавов; в практике до сих пор не существовало ни одного жаропрочного материала на основе магния, прочность которого при температуре 500° С былаѵбы на­ столько высокой и составляла 67% от прочности при темпера­ туре испытания 20° С.

Композиционный материал магний— бор, изготовленный го­ рячим прессованием, характеризуется отличным сцеплением между матрицей и волокном [7]. Анализ волокон, выделенных из разорван­ ных образцов, показывает, что даже после дробления отдельных волокон они остаются в композиции нагруженными и продолжают

и свойствам композиции, полученной методами порошковой ме­ таллургии, на основе порошков магния (магниевых сплавов) и

145

взаимодействие между волокном и матрицей отсутствует. Таким образом, указанные способы изготовления композиционных мате­ риалов на основе магния при упрочнении его бор-волокном заслу­ живают внимания.

Фирма «Dow Chemical Со.» (США) получила патент на способ изготовления композита на основе магния и его сплавов, упроч­ ненного нитевидными кристаллами карбида кремния, методом про­ питки [9]. В горячую металлическую форму помещали мат из про­ извольно ориентированных нитевидных кристаллов и затем про­ питывали его жидким расплавом, который медленно кристаллизо­ вался в форме. Таким способом можно получать композиционный материал с высоким объемным содержанием упрочняющей фазы — вплоть до 90%.

Мат из нитевидных кристаллов карбида кремния получали путем их суспензирования в щелочи или этиловом спирте и филь­ трации суспензии в вакууме. Желательно, чтобы диаметр ните­ видных кристаллов был 0,3—3 мкм, длина — 50—500 мкм.

металлом. Время пропитки в зависимости от формы и объема из­ ложницы, содержания нитевидных кристаллов и температуры рас­ плава может меняться соответственно от 0,25 и до 2 ч.

Если композит содержит 10 об.°о нитевидных кристаллов, то

=6,7 кГІмм1, сг0 і 2 = 4,5 кГІмм2, сф* = 4,9 кГ/ммІ1.

Композиционный материал с содержанием 30 об.% армирую­

Во Франции [10] были исследованы композиции на основе магния и его сплавов, упрочненные волокнами бора и карбида кремния. Указанные композиты создавали для использования в ядерной энергетике. Была также предпринята попытка армировать магниевые сплавы, содержащие алюминий и цинк или цирконий, углеродными волокнами. Технология производства композита пред­ ставляла собой пропитку под давлением. Волокна удовлетвори­ тельно распределялись в матрице. Прочность полученного компо­ зиционного материала, однако, была ниже, чем подсчитанная тео­ ретически, и составила приблизительно 30 кГІмм2 для композита с объемной долей волокна, равной 30%. Прочность композита при повышении температуры испытания изменялась незначительно.

Одним из первых способов получения композиции магний — бор методом литья была вакуумная пропитка волокон, помещен­ ных в керамическую трубку [4, 7]. Так были изготовлены образцы композиционного материала с высоким' объемным содержанием волокон.

146

Образцы композиционного материала магний — бор диаметром 6,4 мм и длиной 100 мм были изготовлены вакуумной пропиткой пучка волокон бора жидким магнием при температурах от 700 до 750° [4]. Трубки из А130 3 были заполнены пучками волокон из расчета получения композиций с объемной долей от 0,5 до 0,7%. Удаление образца композита из трубки было облегчено в резуль­ тате обмазки внутренней поверхности трубки коллоидальным гра­ фитом, диспергированным в этаноле. Установка для получения описываемых образцов показана на рис. 4.

Оптимальная температура для пропитки пучка волокон бора жидким магнием равна 750°. При содержании наполнителя в мат­ рице менее 65 об.% в композиции возникло большое количество раковин и пор и оказалось чрезвычайно трудно получить плотный образец с равномерным распределением волокон.

Предел прочности на растяжение и сжатие при комнатной тем­ пературе композита магний — 69 об.% бор-волокна, полученного вакуумной пропиткой, равны соответственно 240 и 319 кГІмм2.

пропитки для изготовления композита на основе магниеволитиевых сплавов.

Высокая прочность образцов, полученных таким способом, стимулировала проведение работ по созданию процесса изготовле­ ния композита наиболее прогрессивным методом непрерывного литья. Исследования показали, что этим способом можно созда­ вать беспористый композиционный материал в виде прутков и раз­ личных профилей, содержащих до 400 упрочняющих волокон (65—75 об.%), равномерно распределенных по сечению заготовки.

В работе [7] описывается технология создания композиционного материала магний— бор методом непрерывного литья, который является одним из наиболее экономичных и перспективных спо­ собов создания композиционных материалов, обеспечивающих по­ лучение изделий со стабильными характеристиками. Пучок волокон непрерывно проходит через ванну с расплавленным металлом и пропитывается им (рис. 5). Для обеспечения более полной пропитки волокна поступают в расплав, не соприкасаясь одно с другим. Затем пучок их проходит через кристаллизатор-фильеру, форми­ рующую заготовку, которая вытягивается с определенной ско­ ростью, необходимой для кристаллизации матрицы. Применение способа непрерывного литья позволяет изменять содержание арми­ рующих волокон в матрице в широких пределах, обеспечивая при этом однородное распределение волокон. Любое волокно или про­ волока достаточной длины, устойчивые в расплаве магния или его сплавов, могут быть использованы для получения композиционного материала методом непрерывного литья. При изготовлении компо­ зита в форме прутка путем вытягивания заготовки ей сообщалась различная степень закрутки: от* 1 оборота на длине 25 мм для

147