книги из ГПНТБ / Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами

Крестовая проба не выявила склонности магниеволитиевых сплавов к трещинообразованию при сварке. Показатель техноло­ гической прочности в условиях затрудненной усадки хорошо сва­ риваемого сплава ИМВ2 в 4—5 раз выше, чем у сплава МА2-1, и выше, чем у сплава АМГ6. Наиболее высокие значения пластич­ ности и ударной вязкости сварных соединений были характерны для сплава ИМВЗ.

Анализ результатов выполненных исследований магниеволнтиевых сплавов показал, что наиболее удачным сочетанием физико­ механических, технологических, коррозионных и некоторых дру­

твердого раствора (магний — 14% лития и ИМВЗ), так как являют­ ся самым легким металлическим конструкционным материалом с пластичностью и ударной вязкостью на порядок выше, чем у магния.

Общий недостаток магниеволитиевых сплавов, богатых литием,— резкое падение прочностных характеристик при повышении

при повышенных температурах. Многокомпонентное легирование магниеволитиевых сплавов, повышая прочность при комнатной температуре в 2—2,5 раза, тем не менее недостаточно эффективно в смысле повышения их жаропрочности. В этом случае, с нашей точки зрения, заслуживает внимания армирование магниеволитие­ вых сплавов высокомодульными высокопрочными и жаропрочными волокнами, т. е. создание композиционных материалов на основе магниеволитиевых сплавов. Такие материалы имеют самый низкий удельный вес, сравнительно высокий удельный модуль упругости, высокую пластичность и ударную вязкость, в них отсутствует склонность к хрупкому разрушению, в том числе при криогенных температурах; они обладают повышенной технологической плас­ тичностью, позволяющей деформировать эти сплавы при комнат­ ной температуре, что дает дополнительную степень свободы в; выборе технологии изготовления и придания формы композициям, без повреждения армирующих волокон; в процессе холодной де­ формации эти материалы получают незначительное упрочнение. Все это делает магниеволитиевые сплавы, содержащие более 6%

лития, перспективным матричным материалом для волокнистых композиций.

Б. Волокнистые композиционные материалы на основе магниеволитиевых сплавов

Для получения композиционных материалов на основе магние­ волитиевого сплава, армированного стальной проволокой У8А и проволокой из титанового сплава АТ-3, использовали два техно­

логических процесса: пропитку под давлением и сварку в холодном состоянии.

168

\

на

77

/

f

Пропитка под давлением. При изготовлении образцов компо­ зиционного материала (Mg — 8%Li) — АТ-3 была применена при­ нудительная пропитка армирующих волокон матричным сплавом. Для равномерного распределения волокон по сечению образца волокно из титанового сплава АТ-3 диаметром 100 мкм наматывали на рамки, которые скручивали, разрезали и помещали в натянутом состоянии в одноразовую графитовую форму. Собранную графито­ вую форму помещали в стальной стакан, сверху укладывали слой мелкой сетки, служащей фильтром для очистки сплава от неметал­ лических включений. Затем в стакан помещали штабик предва­ рительно протравленного магниеволитиевого сплава, добавляли не­ сколько капель расплавленного парафина для создания защитной атмосферы и плотно забивали стекловатой. В собранном виде стакан помещали в шахтную печь и нагревали до температуры несколько выше температуры плавления магниеволитиевых спла­ вов, т. е. до 630—650° С, время выдержки в печи — 20 мин. Прину­ дительную пропитку проводили в течение 1 мин, по окончании ее стакан, на верхнюю часть которого надевалась разогретая теп­ ловая насадка из графита, переносили в ванну с холодной водой. Подобная технология обеспечивала направленную кристаллизацию образца. Образец получался плотный, без литейных дефектов. Чертеж формы и рамки для натяжения волокон представлены на рис. 17. По этой методике были изготовлены образцы с объемными

Т а б л и ц а 11. Механические и физические свойства компонентов композиции

долями 1,2, 5,10%. Образцы с Vf, равной 20 и 40 об.%, получали заливкой пучка волокон. Сваркой в холодном состоянии были

и MgLi — У8А был использован ряд методик механических испы­ таний. Изучение влияния объемной доли на прочность, пластич­ ность и модуль упругости композиций в интервале температур от —75 до +200° С проводили на машине «Инстрон». Испытания на длительную прочность осуществляли на установке ВП-8, цикли­ ческую прочность исследовали на усталостной машине типа «Шенк» в условиях пульсирующего растяжения. Фрактографические иссле­ дования изломов проводили на сканирующем микроскопе JMS-U3.

Испытания проводили на машине «Инстрон» с записью дефор­ мации в координатах X — Y, скорость перемещения траверсы 0,2 см!мин. Кривая ос — V/ для обоих композиций совпадает с рас­ четной, рассчитанной по правилу аддитивности. Небольшой разброс прочности можно объяснить разнопрочностью волокон или неравно­ мерностью нагружения волокон в композиции. Поскольку в иссле­ дуемых композициях расчетные и экспериментальные кривые совпа­ дают, можно считать, что сила связи волокна с матрицей как в композиции MgLi со сталью, так и с титановым сплавом достаточно хорошая. Это подтверждается результатами испытания по опреде­ лению силы связи методом выдавливания. Сила связи волокна и матрицы в обеих композициях равняется 8 кГІмм2, что составляет 0,8 от предела текучести матрицы.

170

Рис. 18. Влияние объемной доли волокна на предел прочности композиционного материала (Mg — 8% Li) — АТ-3.

шения прочности волокон АТ-3 до 120—150 кГ/мм2. Увеличение же объемной доли волокон приведет к нежелательному повышению удельного веса композиционного материала.

Пластичность волокон в исследуемых композициях примерно в 2 раза превышает соответствующие значения, полученные при испытании волокон на воздухе (рис. 20, о, б). Это может быть свя­ зано с увеличением вклада в пластичность волокна доли равномер­ ного удлинения и обусловлено тремя факторами: появлением меха­ нического взаимодействия в процессе деформирования, залечива­ нием поверхностных дефектов и задержкой локализации деформа­ ции за счет сопротивления отрыву матрицы от волокна в момент образования на нем шейки. Чем прочнее сила связи волокна с матрицей, тем трудней оторваться волокну от матрицы и тем мень­ шая возможность волокна к локализации деформации. Немало­ важную роль в увеличении пластичности играет геометрический фактор, т. е. расстояние между волокнами: чем больше объем ма­ териала матрицы между волокнами, тем больше сопротивление отрыву матрицы от волокна.

Относительное удлинение сплава Mg — 8% Li при добавлении 40 об.% волокон сплава АТ-3 снижается до 12% , что в общем впол­ не отвечает требованиям, предъявляемым к конструкционным ма­ териалам (рис. 21).

7* 171

В композиции (Mg — 8% Li) — .V8A объемная доля менялась в интервале от 4 до 15% . Максимальная прочность при 15 об.% волокон достигала 60 кГ/мм2, относительное удлинение — 5% , модуль упругости — 6400 кПммг, удельная прочность — 25 км, т. е. прочность материала увеличилась в 4 раза, а удельная проч­

В и M g— В, удельные характеристики которых по расчету в 3— 5 раз выше подобных характеристик исследуемых магниеволитиевых композиций. Однако волокна бора еще очень дороги и исполь­ зовать их в качестве армирующей фазы можно пока только в ответ­ ственных деталях.

Рис. 20. Диаграммы деформации матрицы, волокна и композиции

172

На современном этапе развития конструкционных композитов необходимо создавать материалы, которые имели бы отличные прочностные и удельные характеристики, были бы недорогими и доступными для конструкций, применяемых в различных областях техники. Таковыми могут стать композиции на основе магниеволи­

и процессы, проходящие в композиции при деформировании и разрушении. Такую возможность дает изучение микроструктур изломов композиций и радиографический метод.

Изучение поверхности изломов композиций MgLi — У8А и MgLi — АТ-3 на сканирующем микроскопе показало, что в обеих композициях в момент разрушения матрица отрывается от волокна в результате локализации в нем деформации (рис. 22, 23). Однако отрыв не всегда идет по границе раздела волокно — матрица: иногда

Т а б л и ц а 12. Прочностные и удельные характеристики композиций на основе легких сплавов

173

Рис. 22. Фрактографические снимки изломов композиции (Mg — 8% Li) — У8А

а — X 50; 6 — ХІОО

Рис. 23. Фрактографические снимки изломов композиции (Mg — 896 Li) — АТ-3

а — X 200; 6 — X 400

он происходит по матрице. Это указывает на сложный характер взаимодействия матрицы с волокном.

Фрактография протравленных изломов композиции MgLi-— АТ-3 показывает, что ниже места отслоения матрицы от волокна граница раздела очень плотная, что свидетельствует о хорошей связи магниеволнтиевых сплавов с волокном из титанового сплава АТ-3 (рис. 24). Однако природу этой связи пи методом электрон­ ной микроскопии [11], пи методом изучения границы раздела на микрорентгеновском анализаторе установить не удалось.

Прочность композиции при высоких и низкие температурах. Армирование легкоплавкой матрицы высокопрочными волокнами

174

значительно повышает интервал раоочих температур матричного материала. Изучение композиции (Mg — 8% Li) — У8А при вы­ соких для матрицы температурах (до 60° С) показало, что теплопроч­ ность композиций существенно выше.

Прочность композиции при 200° С составляет 40 кГ/мм2, в то время как прочность матрицы при этих же температурах равна 2 кГІмм2, т. е. превосходит последнюю в 20 раз. На рис. 25 показа­ но изменение прочности композиции с различными объемными

что скорость температурного разупрочнения композиций ниже, чем у матрицы, и что теплостойкость композиционного материала почти линейно зависит от объемной доли упрочняющих матрицу волокон. Последнее, вероятно, связано с тем, что разупрочнения волокон стали из У8А при температурах 200° С практически не происходит.

( o f б Сіл77лшг

Рис. 25. Изменение прочности композиции (Mg — 8% Li) — У8А с различными объемными долями проволоки s зависимо­ сти от температуры

175

Однако при 200° С матрица почти теряет прочность и начинает сползать с волокон, не нагружая их; в результате этого у концов разрушившихся волокон образуется пластический шарнир и на­ грузка на композиции резко падает.

Высокие прочностные и пластические характеристики матрицы при криогенных температурах дают возможность с успехом приме­

320 кГІмм2, можно считать, что оба компонента при соединении в композиции дадут материал, способный работать в условиях Край­ него Севера и космических температур.

Изучение поведения композиций, матрицы и волокна при крио­ генных температурах в интервале от —30 до —75° С проводили в термошкафу испытательной машины «Инстрон».

Результаты испытаний, представленные на рис. 26, а, б, пока­ зывают, что для обеих композиций (Mg — 8%Li) — У8А и (Mg — 8 %Li) — АТ-3 при снижении температуры прочность растет, дости­

176

(Mg — 8%Li) — AT-3, V f —40% относительное удлинение изменя­ ется с 12,0% при 200° С до 2,5% при температуре —75° С.

Таким образом, можно считать, что интервал рабочих темпе­ ратур композиции на основе магниеволитиевого сплава (Mg —- 8%Li) составляет от —70 до +200° С.

Длительная прочность и ползучесть. Испытания на длительную прочность композиции (Mg — 8%Li) — АТ-3 проводили на машине ВП-8. Результаты показали, что армирование резко повышает длительную прочность при 20° С и особенно при 200° С (рис. 28, 29). Длительная прочность композиции на базе 1000 ч при темпе­

Наряду с увеличением кратковременной и длительной проч­ ности армирование значительно повышает сопротивление матрицы ползучести. Исследования на ползучесть матрицы и композиции с 10 об. % титанового волокна при 20° С показали, что композиция при напряжении 14 к Г / м м 2 имеет скорость установившейся пол­ зучести 0,0003 %/ч, в то время как для матрицы это же напряже­ ние является пределом прочности. Скорость установившейся пол­ зучести матрицы при напряжении 9 к П м м ъ достигает 0 ,8 % /ч .

6, нГIммг

177