книги из ГПНТБ / Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами

Рис. 30. Кривые усталости композиции

а — (Mg — 8% Li) — У8А; б — (Mg - 14% Li) — У8А

Эти данные свидетельствуют о том, что армирование магниеволи­ тиевых сплавов — эффективный упрочняющий метод, приводящий к увеличению сопротивления ползучести матрицы.

Усталость композиций на основе магниеволитиезых матриц. Исследование на усталость композиции (Mg — 8% L i)— У8А с объемной долей 14 и 7% проводили на плоских образцах с надре­ зом и без надреза. Параллельно на машине «Шенк» в условиях растяжения проводили испытания сварных неармпрованных об­ разцов.

Армирование магниеволитиевого сплава Mg — 8% Li и Mg — 14% Li высокопрочными высокомодульиымн волокнами из стали У8А почти в 2 раза повышает предел усталости матрицы.

На рис. 30, а, б показаны кривые усталости композитов на основе магния с 8 и 14% Li, армированного 7,14% проволоки из стали У8А. Характерной особенностью этих кривых является почти одинаковый наклон для матрицы и композита. Это говорит о том, что эффект армирования матриц сказывается как в малоцик­ ловой области, так и в области большой долговечности.

Незначительное увеличение предела циклической прочности композиций на основе магниеволитиевой матрицы связано в основ­ ном с очень низким значением предела циклической прочности матрицы. Существует несколько основных механизмов разрушения композиций в результате воздействия циклических нагрузок.

1. В процессе циклических испытаний разрушается матрица, вся нагрузка передается на волокна, которые разрушаются от статических нагрузках.

И. Источником начала разрушения является пограничный слой взаимодействия матрицы и волокна, после чего трещина развивается либо в матрицу, разрушая ее, либо перерезает волокна.

III.В результате циклических нагрузок разрушаются волокна

споследующим мгновенным разрушением матрицы.

178

Рис. 31. Фрактографическне снимки изломов композиции (Mg — 8% Li) — У8А, испытанной в условиях усталости

а — X 100; б — X 100; в — X 200 ; a — X 100

Второй механизм наиболее распространен в практике иссле­ дования композиционных материалов (А1 — сталь, Ni—W и т. д.).

При разрушении в условиях циклического нагружения компо­ зиции MgLi — сталь в чистом виде наблюдается первый механизм разрушения. В процессе циклического нагружения матрица дли­ тельный период может работать при амплитуде напряжения около 5 кГ/мм2 (предел циклической прочности матрицы), в этом случае

25 кГ/мм2, что составляет всего половину предела циклической прочности волокон. Таким образом, применение в композите в качестве матрицы материала с низким аш не. дает возможности полностью использовать даже низкие в данном случае усталостные свойства волокон.

179

При повышении амплитуды напряжения выше предела усталости, матрицы она разрушается, вся нагрузка передается на волокна, которые разрушаются от статических нагрузок. На рис. 31 про­ иллюстрированы фрактографические исследования изломов прово­ лок в композите (Mg — 8% Li) — У8А, испытанном на усталость. В условиях пульсирующего растяжения проволоки разрушаются только от статических нагрузок. Это еще раз подтверждает пра­ вильность вывода о том, что композиция MgLi—сталь разрушается по первому механизму.

Для расчета циклической прочности композиций в условиях пульсирующего растяжения можно использовать правило аддитив­ ности, поскольку на пределе усталости матрица и волокна работают в упругой области.

Исходя из этого правила, можно записать

Из выведенной зависимости следует, что предел циклической прочности композита является функцией объемной доли волокон, отношения модулей упругости матрицы и волокна и предела цик­ лической прочности матрицы. Повышение предела циклической прочности матрицы в два раза увеличивает предел циклической прочности композиции. Экспериментальные значения последнего совпадают со значениями awc, подсчитанными по формуле (3.1).

Значения предела усталости, полученные в нашем эксперименте

Важным конструкционным свойством любого материала является чувствительность его к концентраторам напряжения. Практика показывает, что армирование волокнами полностью устраняет влияние надрезов на прочность матриц.

В работе [24] изучалось влияние концентраторов напряжения магниеволитиевых сплавов с 0; 4; 8; и 14% Li и показано, что эти сплавы, особенно с 8 и 14% Li, не чувствительны к надрезам. Изучение листовых образцов, полученных методом сварки, пока­ зало, что долговечность магниеволитиевого сплава с надрезом и без надреза различается почти на два порядка. Это различие, вероятно, связано с тем, что в работе [24] испытания проводили на отожженном материале. В нашем случае материал был наклепан. Тем не менее чувствительность к надрезу была обнаружена. Од­ нако при введении в матрицу 1 об.% волокон долговечность об­ разца с надрезом и без надреза уже отличалась в среднем меньше,

180

чем на полпорядка, а при объемной доле 7% материал был уже не чувствителен к надрезу (рис. 32). Испытания проводили при

ния армирования на упрочнение матрицы композиционные мате­ риалы (Mg — 8% Li) — У8А с объемными долями 7 и 14%, а также

мации, равной 3.%, — на Нѵ — = 10 кГІмм2. Изменение объемной доли создает, вероятно, опре­

деленную стесненность деформации, что сказывается на небольшом упрочнении матрицы (см. рис. 34).

На рис. 35 отчетливо видно, что повышение объемной доли и

Таким образом, объемная доля, скорость и степень деформации сравнительно незначительно увеличивают микротвердость матрицы композиционного материала, а это в свою очередь свидетельствует

омалом деформационном упрочнении магниеволитиевой матрицы

ивлиянии на нее объемной доли волокон.

Изучение распределения величин микротвердости по длине, т. е. от волокна к волокну, показало, что наибольшей величины твердость достигает непосредственно на границе волокно — матрица, затем она резко снижается и в 20—30 мкм от волокна совершенно не изменяется, оставаясь на одном уровне.

Поскольку промежуточного слоя в исследуемых композициях не обнаружено, единственным объяснением более высоких значе-

181

ний микротвердости у волокна остается уплотнение материала матрицы вокруг волокна в процессе сварки. Об этом говорит и тот факт, что в литых образцах такого уплотнения не обнаружено.

Кольцевой ободок более твердой матрицы возникает, вероятно, из-за особых условий деформации в процессе соударения с большой скоростью пластичной матрицы и твердого волокна.

На рис. 36 и 37 видно, что максимальная твердость матрицы около волокна, равная Ну = 80 кГ/мм2, не достигается более от­ даленными от волокна объемами матрицы не только при изменении условий деформирования (увеличении скорости или степени дефор­ мирования), но и при увеличении объемной доли.

Таким образом, в процессе деформирования композиционного материала, полученного сваркой, активно участвуют лишь объемы матрицы, прилегающие к волокну.

Заключение. Анализ зависимости прочности композиции (Mg — 8% Li) — АТ-3 от объемной доли волокон показывает, что экспе­ риментальная кривая и кривая, рассчитанная по правилу адди­ тивности, довольно хорошо совпадают (см. рис. 18). Интересно отметить, что все экспериментальные точки находятся в области, заключенной между экспериментальной (нижней) и расчетной (верхней) кривыми, причем некоторые из них, особенно при объем­ ном содержании волокон менее 20%, ложатся на расчетную кривую. Увеличение расхождения между расчетной и экспериментальной прочностью при росте объемной доли волокон связано, вероятно, с неравномерностью нагружения волокон в композиции и разли­ чием в прочностях отдельных волокон. Ранее в работе [35] было установлено, что прочность пучка параллельных волокон меньше их средней прочности, т. е.

п-1

няется от 1 до 0,5, т. е. возможен случай, когда прочность пучка будет составлять 50% от прочности волокон.

В композиции (Mg — 8% Li) — АТ-3 образцы с объемным содер­ жанием волокон до 10% включительно изготавливались по ра­ мочной технологии, образцы же с объемными долями 20 и 40% получали при заливке свободного пучка волокон, поэтому фактор разориентации волокон в последних двух композициях прояв­ лялся сильнее. Этим и объясняется снижение прочности композита, немаловажную роль играет и нестабильное течение матрицы. С уве­ личением объемной доли волокон увеличивается длина передачи нагрузки и при определенной критической величине объем матрицы становится настолько мал, что она теряет устойчивость и способна нагрузить только часть волокон, что означает снижение эффектив­ ной объемной доли и падение общей прочности композита.

На рис. 18 пунктирной прямой показана зависимость прочности

183

композиции от объемной доли волокна при условии сохранения в композиции исходной прочности (120 кГ/мм2) холоднотянутой про­ волоки из сплава АТ-3. Сохранить исходную прочность проволо­ ки можно только при условии усовершенствования применяемой в настоящее время технологии получения композита методом литья (сокращения времени нагрева и контакта расплавленной матрицы с волокном) или сваркой взрывом. Максимальная прочность будет

и экспериментальная кривые совпадают. На наш взгляд, это свя­ зано, во-первых, с геометрически правильной укладкой волокон, которые расположены строго параллельно оси нагружения, и, во-вторых, с наличием гарантированного расстояния между волок­ нами, равного примерно диаметру волокна.

Большие возможности композиции (Mg — 8% Li) — стальная проволока подтверждаются и работой [11], проведенной на про­

проволокой приводит к значительному увеличению прочности, удельной прочности и повышению сопротивления ползучести. Композиция была получена вакуумной пропиткой пучка проволоки, помещенного в трубку диаметром 3 мм\ с одной стороны трубка закрывалась листом из материала матрицы, с другой — вакуумиро­ валась. Закрытый конец опускался в расплавленную матрицу и держался в расплаве примерно 3,5 мин после расплавления пластин­ ки, магниеволитиевый сплав засасывался в трубку с волокном примерно на высоту 150—200 мм. Эта технология позволила полу­ чить отличную связь волокна и матрицы.

Испытания прочности при температуре 25 и 200° С проводились на машине «Инстрон» при скорости перемещения траверсы 0,02 см/мин. Было замечено, что в процессе изготовления образцов

настолько тонка, что попытки исследовать ее с помощью электрон­

что указывает на то, что зона взаимодействия прослойки не снижает

можности композиции MgLi — сталь и метода принудительной пропитки для его получения. Применение в композиции жаропроч­

184

материалах с дискретными волокнами скорость ползучести контро­ лируется ползучестью матрицы в областях, непосредственно приле­ гающих к волокну, а скорость установившейся ползучести в ком­ позиции с непрерывными волокнами — скоростью ползучести во­

ние 3,5 мин, и матрицы LA141A.

Ползучесть композита полностью контролируется ползучестью проволоки. Основной довод в поддержку этого заключения — одинаковый характер поведения проволоки и композита после пе­ регрузки. В обоих случаях существует время задержки ползу­ чести: в этот момент она или вообще отсутствует, или ничтожно мала. Период задержки длится 50—70 ч, после чего логарифми­ ческая ползучесть идет с тем же наклоном, что и до перегрузки. В материале матрицы время задержки не наблюдается.

Если скорость ползучести композита контролируется ползу­ честью проволоки, то она должна быть отнесена к среднему растя­ гивающему напряжению растяжения на волокне.

185