книги из ГПНТБ / Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами

На рис. 8 приведены данные об усталостной прочности компо­ зиции А1—В. Для сравнения нанесена кривая усталости сплава RR-58. Анализ результатов показал, что усталостная прочность мало зависела от структурного состояния матрицы. Однако тип разрушения зависел от термообработки матрицы: при высоких напряжениях и термообработанной матрице имело место разру­ шение волокон с последующим разрушением матрицы; при низких напряжениях и нетермообработанной матрице разрушалась вна­ чале матрица, которая и определяет прочность композиции.

Рис. 9. Кривые циклической прочности композиции А1—В [31]

При повышенной температуре усталостная прочность компо­ зиции А1—В низкая — 25 кГ/мм2 (рис. 9). Создается впечатление, что при высоких напряжениях (малом числе циклов до разрушения) циклическая прочность при 200° С выше, чем при комнатной тем­ пературе. Низкая усталостная прочность композиции при повы­ шенной температуре связана с низкой усталостной прочностью ма­ трицы.

Металлографические исследования показали, что трещины в мяг­ кой матрице никогда не распространялись через волокна. Труд­ ность анализа процесса разрушения композиции в большинстве случаев не позволила утвердительно говорить о каком-либо одном механизме разрушения: как правило, имеет место проявление не­ скольких механизмов усталостного разрушения матрицы, волокна, границ между волокнами и матрицей. В работе [25] проводили испытания на усталость композиции А1 — 25 об.% В в условиях плоского изгиба с поддержанием постоянной нагрузки, при комнат­ ной температуре и температуре 260° С. В этой серии испытаний от­ ношение переменного напряжения к среднему напряжению цикла, обозначаемое индексом А, было равно 0,95. Предел усталости ком­ позита на базе N = ІО7 циклов был одинаковым при 20 и 260° С и достигал 32 кГІмм2. Предел прочности этой композиции при тех же температурах составлял 60 кГІмм2. Таким образом, у-отношение

ского изгиба равнялся 25 кГІмм2, А = 0,67. В композиции А1 —

80

объемной доли волокон, была предложена формула для расчета предела усталости композиции

меренной прочности к расчетной при объемной доле Ѵф Исследования показали возможность расчета предела усталости

композиций по результатам статических испытаний. Наряду с изу­ чением высокой прочности композиции алюминий — бор в направ­ лении волокон чрезвычайно важное значение имеет исследование так называемой поперечной прочности.

Исследования поперечной прочности композитов при растяже­ нии имеют большую значимость для установления применимости однонаправленных композиций в деталях конструкций, которые, как правило, подвергаются воздействию двухосного напряженного состояния. Систематические исследования поперечной прочности композиции А1—В начаты сравнительно недавно [17, 18, 32—35] и связаны с программой применения этих композиций в летательных аппаратах.

В последнее время [36] опубликованы результаты исследований поперечной прочности на модельном материале с плохой связью между волокном и матрицей. Этот материал получали сверлением отверстий в алюминиевом сплаве и установкой в них стальных стержней. Изучение изменения механических свойств таких ком­ позитов в зависимости от объемной доли волокон Vf и их располо­ жения в матрице показало, что снижение механических свойств композиции при изменении Vf происходит нелинейно, наиболее сложно меняется ее модуль упругости. Наиболее подробно попе­

0,14 мм—и изготовленных по различным технологиям);

3) типа матрицы (девять наиболее распространенных алюминие­ вых сплавов— 1100, 1145, 2024, 2019, 6061, 5052, 5056, 713, 528);

4)термообработки матрицы;

5)температуры испытания;

6)технологии изготовления композиции;

7)способа укладки волокон в матрице (гексагональное, квадрат­ ное);

81

VF(d = 0,105 мм), об.%

Рис. 10. Влияние объемной доли на модуль упругости [37]

Рис. 11 Влияние температуры на поперечную прочность композиции А1-6061—

борсик, Vf — 50 об.% [37]

1 — т е р м о о б р а б о т а н н ы й м а т е р и а л ; 2 — и сх о д н о е с о с т о я н и е

краев образца, что, вероятно, существенно повлияет на попереч­ ную прочность, было решено испытать серию образцов, у которых матрица на краях образца стравливалась и края представляли собой своеобразные щеточки из волокон бора.

Весьма характерно выглядели кривые деформации композиции: если матрица в композите была в исходном состоянии (нетермооб­ работанной), наблюдался низкий предел текучести, низкая проч­ ность (8,5 кГ/мм2) и сравнительно большая деформация до разру­ шения (0,25%), при термообработанной матрице пластичность па­ дала до 0,1%, а предел текучести совпадал с пределом прочности и достигал при Vf — 50 об. % 15,5 кГ/мм2. Как и для матричных сплавов, предел прочности сильно зависел от температуры (рис. И). При 315° С разница между термообработанной и нетермообработан­ ной матрицами исчезала.

Зависимость поперечной прочности композитов от объемной доли волокон была близка к расчетной, вычисленной на основании модели с отверстиями (см. рис. 12).

Анализ характера излома поперечных образцов показал, что разрушение происходит в двух направлениях: по матрице и по волокнам, с большим числом расщеплений. При наличии второго типа излома прочность композиции заметно отличается от прочности матрицы.

82

Подробное изучение факторов, влияющих на поперечную проч­ ность, показало, что, меняя вид матрицы, ее термообработку и вид волокон (толстые волокна лучше), можно добиться поперечной прочности 30 кПмм2, что в ряде случаев может расширить границы применения композитов А1—В в авиационно-космической технике.

На композиции А1-6061 -— 50 об. % В исследовалось влияние ударного нагружения на прочностные свойства материала. После ударного нагружения со скоростями от 0,7 до 2,4 см!сек композит испытывали на растяжение. Скорость ударного нагружения, вызы­ вающего разрушение композита (появление трещин), намного

в матрицу прочность композиции возрастала почти в 4 раза, т. е. от 3 до 12 кГ/мм2 (рис. 14). Наибольшая прочность, которая была достигнута в данной работе на композиции А1—А120 3, составляла 35 кГ/мм2 при Vf = 20 об. %. Однако лучшие показатели удельной прочности, жесткости и жаропрочности были получены при испыта-

83

[39]

Рис. 15. Влияние ориентации усов Al3Ni на прочность композиции А1—Al3Ni [44]

нии в интервале температур 500—550° С. Прочность композиции при температуре 500° С равнялась 30 кГ/мм2 и снижалась в основ­ ном из-за температурного разупрочнения усов. (Прочность уса при

эвтектических сплавов А1—Al3Ni выделяются сильновытянутые частички Al3Ni [42]. В системе AI—CuAl, эвтектика выпадает в виде пластин [43].

При хаотическом распределении вытянутых кристаллов, полу­ чаемых при обычной кристаллизации сплава А1—Al3Ni, материал имеет прочность 9,5 кГ/мм2 при относительном удлинении 20%. Если создать условия для однонаправленного роста усов Al3Ni, то прочность сплава повышается до 35 кГ/мм2 при относительном удлинении 2% (рис. 15). Влияние ориентации усов Al3Ni на проч­ ность материала при разрушении изучено в работе [44]. Ориента­ ция вытянутых эвтектик менялась от 0 до 90° относительно оси раз­ рушения. С увеличением разориентации прочность композиции резко падала.

Разрушение композиции А1—А13№ обычно начинается с разрыва усов Al3Ni, в результате чего образуются поры, которые при даль­

дующиеся пластины алюминия и CuÄl2 с объемным содержанием 45—50%. Изучение анизотропии свойств при испытании на изгиб показало, что максимальный прогиб происходит при расположении

84

3.МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА КОМПОЗИЦИЯХ

АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛ\В — СЕТКА XI8H9, АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ— ПРОВОЛОКА УЗ

При исследовании механических свойств композиционных мате­ риалов образцы испытывались на растяжение и на усталость.

А. Исследование механических свойств композиции алюминий — сетка Х18Н9Т

На образцах из сплава АМЦ, упрочненного 5 и 10 об.% сетки Х18Н9 (речь идет только об объемном проценте продольных воло­ кон), на машине «Пнстрон» изучалась зависимость изменения проч­ ности композиции от скорости деформирования. Исследование про­ водилось на образцах с рабочей частью 10 х 6 х 1 мм при скорос­ тях деформирования 0,02; 0,2; 2; 5; 10 и 20 см/мин. Обе композиции при скоростях деформирования свыше 2 см!мин показали резкое па­ дение прочности: от 23 (10 об.%) и 19 (5 об.%)до 6 и 7,5 кПмм2 (табл. 10).

Т а б л и ц а 10. Прочность композиции сплав АМЦ — сетка и. стали Х18Н9 при различных скоростях дефсрмирования

При переходе к высоким скоростям растяжения меняется харак­ тер разрушения композиции: при малых скоростях она разрушается

Рис. 32. Диаграммы цикличес­

кой прочности композиции алю­ миниевый сплав АМЦ — сетка из нержавеющей стали

1 — м а т е р и а л н е о т о ж ж е н н ы й ; 2 —

п о сл е о т ж и г а ; 3 — с п л а в А М Ц

ІО5 /V, цикло£

вязко со значительной остаточной деформацией, при больших ско­ ростях — хрупко. Причем зарождение хрупкого разрушения про­ исходит на поверхностях раздела между матрицей и поперечными волокнами. В этом случае поперечные волокна, точнее их поверх­ ности, являются ослабляющими композицию элементами. Проведен­

103

ное для сравнения исследование композиций, упрочненных только продольными волокнами, показало, что в этом случае разупрочнения материалов при высоких скоростях деформирования не наблюдалось. Снижение прочности с ростом скорости деформирования относится только к композициям с сеточной арматурой и связано со спецификой деформирования этих материалов.

Испытания на усталость композиций алюминий — сетка Х18Н9 проводились в условиях повторного растяжения на пульсаторе типа «Шенк» с частотой нагружения 2800 циклов в минуту на образцах сечением 3 X 1,5 мм (рис. 32).

Эффект армирования отчетливо просматривается при больших напряжениях, т. е. в области малоцикловой усталости. Даже не­ большая объемная доля волокна (9%) заметно повышает цикличес­ кую прочность исходной матрицы. При больших сроках службы наблюдается сходимость кривых усталости армированного и неармированного материалов, т. е. при большом числе циклов усталостная прочность определяется циклической прочностью матрицы.

Верхняя кривая на этом графике относится к композиции АМЦ — сетка Х18Н9. При увеличении прочности матрицы (прочность алю­ миния 6 кГІмм2, сплава АМЦ — 10—12 кГІмм2) усталостная проч­ ность композиции заметно увеличивалась, особенно при малых цик­ лах нагружения. Так, при ІО4 циклах она возрастала от 7 (алюминие­ вая матрица) до 14 кГ/мм2 (сплав АМЦ).

Кривая усталости композиции сплав АМЦ — Х18Н9 идет парал­ лельно кривой усталости композиции алюминий — Х18Н9 со смеще­ нием вверх на б—7 кГ/мм2. Однако для кривых всех композиций при больших сроках службы наблюдается сближение с кривой усталости материала матрицы. Таким образом, при большом количестве циклов нагружения (10“) предел усталости композита приближается к пре­ делу усталости матрицы, в то время как в области малоцикловой усталости композиционный материал имеет существенное преиму­ щество перед материалом матрицы.

На основании проведенных экспериментов по изучению механи­ ческих свойств композиций алюминиевый сплав — стальная_сетка представляет определенный интерес оценка их возможностей.

'1 ак как при получении листового композиционного материала трудно ввести в матрицу более 40 об. % сетки, материал которой не может быть в предельно упрочненном состоянии (иначе не спле­ тешь хорошей сетки), можно в первом приближении оценить пре­ дельную прочность алюминиевых сплавов, упрочненных сетками.

Если принять предел прочности матрицы равным 15 кГІмм2, предел прочности волокон около 200 кГ/мм2и объемную долю рабо­ тающих волокон 20%, прочность композита будет близка к 50 кГІ /мм2 при удельном весе 4,8 г/см3. Однако при этом композиция будет иметь сравнительно большое равномерное удлинение, высокое со­ противление разрушению, малую зависимость прочности от ориента­ ции волокон.

104

Б. Исследование прочностных свойств композиции АМГ-3 (АМЦ, САП) — углеродистая проволока

Прочностные свойства композиции алюминиевый сплав АМГ-3— углеродистая проволока (сгв = 250 кГ/мм2) определялись на об­ разцах в виде пластин размером 150 X 15 X 2 мм, которые испыты­ вались на растяжение на машине «Инстрон>> со скоростью 2 мм/мин.

Схематичный вид кривой деформации представлен на рис. 33. Пластическая деформация композиции была небольшой (2%), про­ волоки разрушались одновременно.

Из табл. 11 видно, что средняя прочность образцов достигает ПО кГ/мм2 при Vf — 40 об.%, т. е. близка к максимальной, достиг-

Т а б л и ц а П. Прочность композиции сплав АМГ-3 — углеродистая проволока

нутой при армировании алюминия. Модуль упругости равнялся 12 000 кГ/мм2 при удельном весе 4,8 г/см3.

На листовых образцах (150 х 12 X 2 мм) из композиций АМЦ — сталь, САП — сталь с объемным содержанием стальных волокон 15% исследовалось влияние надрезов на прочность этих материалов при растяжении.

Было сделано два вида надрезов: а) крайнее волокно перереза­ лось наполовину; б) волокно перерезалось полностью и надрез ос­

его прочность.

105

Испытание на растяжение композиции алюминиевый сплав — стальная проволока показало ее большие практические возмож­ ности. Хотя в наших экспериментах для упрочнения матрицы ис­ пользовалась проволока не слишком высокой прочности (250 кП /мм2), удалось получить композиции с прочностью ПО кГ/мм2. Легко подсчитать, что если прочность проволоки будет равна 500 кГІмм2 (а это вполне реально), то теоретически достижимы прочности алю­ миниевых композиций около 200 кГ/мм2. Единственным, пожалуй, препятствием здесь являются технологические трудности. Как пра­ вило, высокопрочные проволоки имеют небольшой диаметр, поэтому технологически чрезвычайно трудно сделать композит, в котором при деформировании все проволоки будут нагружены равномерно. Даже пластичная матрица не сможет до конца выправить положения. В экспериментах с высокопрочными проволоками малого диаметра

нам приходилось неоднократно наблюдать начало их разрыва при напряжениях 0,8 ав композита и даже ниже. Преодоление указан­ ных трудностей сулит получение высокопрочных алюминиевых ма­ териалов для комнатной и повышенной температур.

На образцах из сплава АМГ-3, армированного проволокой диа­ метром 1 мм из стали У8 (сха = 250 кГ/мм2), на машине МУРС-2000

106

изучалась усталостная прочность этого материала при повторном растяжении. Объемная доля волокон достигала 11,3%. Вырезанные из пластин образцы для испытания на усталость содержали в рабо­ чем сечении всего три волокна, представляя собой своеобразный «макрокомпозиционный» материал. Результаты усталостных испы­ таний этого материала представлены на рис. 34.

Ограниченный предел усталости на бае 10е циклов составлял 20 кПммг при пределе прочности композиции 42 кПммг. Сравне­ ние кривых усталости композита и сплава типа АМГ-3 показывает, что при длительном испытании наблюдается сближение усталостной прочности композита и матрицы. Характер разрушения компози­ ции в некоторых случаях выражался в нарушении связи на границе волокно — матрица с «вытягиванием» волокон (рис. 35).

Усталостные испытания композиции алюминий — сетка из стали Х18Н9Т дали аналогичные с предыдущими композициями резуль­ таты, что находится в хорошем соответствии с литературными дан­ ными; сетка, видимо, не внесла существенных изменений в процесс усталостного разрушения композита.

Приближение усталостной прочности композита к прочности матрицы при больших сроках службы, очевидно, вызвано тем, что

Рис. 35. Виды усталостного разрушения композиции АМГ-3 — сталь У8

107