книги из ГПНТБ / Колпашников, А. И. Армирование цветных металлов и сплавов волокнами

схватывания их со стальными волокнами те же, что и для технического алюминия.

Таким образом, для прокатки алюминиевых листов, армированных стальной высокопрочной нержавеющей проволокой, .можно' рекомендовать следующие режимы, обеспечивающие качественное схватывание волокон и матриц:

а) для листов на основе алюминия или листов на основе плакированных алюминием сплавов суммарное обжатие .при прокатке е=40°/о, температура прокатки f='400°C.

16) для листов на основе сплава марки Д20 (без пла­ кировки) суммарное обжатие при прокатке е=Б54-60%, температура прокатки ^=400°С.

Качество соединения и состояние зон схватывания матрицы и волокон существенно влияют на качество армированного материала, особенно в присутствии дискретных волокон, когда решается вопрос о возмож­ ности передачи напряжений от матрицы к волокну и от волокна к волокну через матрицу. С точки зрения гра­ ничных взаимодействий стекловолокно, керамические и карбидные волокна имеют преимущество перед метал­ лическими волокнами, так как последние более склонны к взаимодействию с матрицей. Надо иметь в виду, что не всякое взаимодействие контактных слоев матрич­ ного материала и волокон пагубно отражается на свой­ ствах армированного материала, но все же, в большинст­ ве случаев оно ослабляет связи (при образовании хрупких интерметаллидов, рекриеталлизованных зон, избирательного местного нарушения граничных слоев волокон;- понижения потенциальной энергии волокон и т. д.). В связи с этим технология производства арми­ рованных мвтериалов должна строиться с таким расче­ том, чтобы по возможности предотвратить или замед­ лить процесс взаимодиффузии матричного материала и волокон, не допустить химического взаимодействия ком­ понентов. С этой целью выбирают определенное сочета­

матричных составах на качество соединения. Например, в работах [26, 10 2 ] изучено влияние различных доба­

151

вок к медной матрице на свойства армированного мате­ риала Си—W. Авторы установили различные явления, ослабляющие армированные материалы. Особенно силь­ ное отрицательное влияние отмечено при легировании меди алюминием и кобальтом. В первом случае проис­

кон. При введении в медь титана и циркония выпадают вторичные фазы в периферийных слоях волокон. Это явление не сопровождается рекристаллизацией. При легировании меди хромом или ниобием на границе матрицы и вольфрамового волокна образуется микрозо­ на твердого раствора; рекристаллизации в этом случае не наблюдается. Последние из указанных явлений срав­ нительно слабо вредят свойствам армированного мате­

наблюдается как при комнатной, так и при повышенных температурах.

Рис. 83. Влияние некоторых легирующих элементов медной мат­

(При армировании металлов и сплавов металличес­ кими волокнами во многих случаях обеспечивается ка­ чественное соединение компонентов без их взаимодей­ ствия. При армировании металлов и сплавов неметал­ лическими волокнами для обеспечения связей компо­

152

центов приходится всемерно способствовать их взаимо­ действию. Например, при армировании никеля .волок­ нистыми монокристаллами А120з, чтобы обеспечить взаимодействие волокон с матрицей, в последнюю вво­ дили различные добавки, из которых наиболее эффек­ тивными оказались цирконий, хром и особенно титан; добавка 1 % последнею обеспечивает взаимодействие волокон и матрицы. Однако это взаимодействие, поло­ жительно .влияющее на прочность соединения компонен­ тов, одновременно существенно ослабляет . волокна

(рис. 84).

Учитывая вышеизложенное, следует отметить, что ослабление неметаллических армирующих волокон (в связи с их взаимодействием с матричными материа­ лами для обеспечения работоспособности композиций) значительно уменьшает их преимущество ;в прочности перед металлическими волокнами; кроме того, точное регулирование реакций .взаимодействия .в реальных ус­ ловиях производства затруднительно, а это означает, что очень сложно предсказывать свойства материалов, ар­ мированных неметаллическими волокнами. Учитывая также малую пластичность этих волокон, большую чув­ ствительность к механическим повреждениям .и высо­ кую стоимость многих из них, можно отметить, что, повидимому, при производстве армированных полуфабри­

153

катов совместной пластической деформацией целесооб­ разнее ориентироваться на металлические составы.

Помимо граничных явлений, важную роль в выборе оптимального режима прокатки армированных листов играет влияние деформации сборной заготовки на сос­ тояние и свойства волокон. При изучении поведения волокон проволоки из нержавеющих сталей в армируе­ мых алюминиевых листах авторы определяли допусти­ мое обжатие при прокатке вдоль волокон ;на обычных армированных листовых образцах и изменение свойств в результате прокатки модельных образцов.

Модельные образцы составляли из чередующихся слоев матричных материалов и волокон, но схватывание при прокатке предупреждалось введением разделитель­ ных веществ в контактные зоны компонентов. После прокатки модельных образцов при различных темпера­ турах с разными степенями деформации волокна извле­ кали и (если они сохраняли сплошность) подвергали ис­ пытаниям на разрыв. Результаты этих испытаний приве­ дены на рис. 85.

На рис. 86 показаны изломы армированных листов алюминиевый сплав— нержавеющая проволока, прока­ танных с постоянным суммарным обжатием, но с раз­ личными обжатиями при продольной прокатке*. 1По итогам этих экспериментальных исследований можно рекомендовать получать алюминиевые листы, армиро­ ванные нержавеющей стальной проволокой, с суммар­ ными обжатиями, равными или выше тех, которые опре­ делены как степени деформации схватывания, но вели­ чина продольной деформации не должна превышать е= 7-^23% (р,= 1,08-4-1,3) [92].

При поперечной прокатке армированных полос наб­ людается тенденция к некоторому искривлению волокон, причем это искривление обращено выпуклостью в сто­ рону направления прокатки (в сторону выхода полосы из клети стана). Это искривление усугубляется при прокатке с высшими обжатиями по проходам и с увели­ чением температуры прокатки. Нами установлено, что предел прочности армированных листов, в которых ис­ кривление волокон характеризуется максимальным уг­ лом 30°, следует рассчитывать по правилу смеси с вве­ дением коэффициента р [(см. уравнение (34)], равного

* В данном случае продольной называется прокатка в направ­ лении, совпадающем с продольным расположением волокон.

154

боковыми кромками. Плакирование боковых кромок листовых полуфабрикатов широко применяется в прак­ тике обработки многих материалов. Применительно к прокатке широких полос из алюминиевых сплавов эта проблема решена* в 50-х годах.

Если плакирование основных граней повышает кор­ розионную стойкость и до некоторой степени технологи­ ческую пластичность полосы, то плакирование' боковых кромок преследует в основном технологические цели — сокращение потерь металла полос за счет ликвидации растрескивания кромок вследствие действия растягиваю­ щих напряжений.

Боковые кромки стандартных полос из прочных алю­ миниевых сплавов плакируют на линии стана горячей прокатки с помощью эджерных валков. Плакирование боковых кромок армированных полос (получаемых про­ каткой в направлении поперек расположения волокон) преследует следующие цели:

11 уменьшение растрескивания боковых кромок;

2) снижение опасности коррозионного повреждения кромок (при выходе на боковые кромки волокон кромка армированной полосы имеет «гетерогенное» строение);

3) обеспечение возможности сварки армированных листов по кромкам.

(Плакировать боковые кромки широких армирован­ ных полос можно также, как и обычные широкие по­ лосы**. Кромки узких полос плакируют по схеме, представленной на рис. 89.

Применение прокладок из алюминия толщиной 1,5—

** Эти исследования проведены авторами совместно с В. С. Со­

коловым.

158

Авторы исследовали также влияние отношения ljdB

тывали при 400°С с суммарным обж-атием есум=50%, затем испытывали на растяжение. Результаты испыта­ ний приведены на рис. 90. По итогам испытаний можно

прочность армированного материала уступает прочности матрицы.

Три технологические схемы производства армирован­ ных листов с алюминиевой матрицей изложены в рабо­ те [404]. В первой из них волокно (борволокно, стекло­ волокно, пол-икристаллические волокнаSi02, стальную проволоку) протягивают через ванну с матричным ра­ сплавом, после чего наматывают в несколько слоев на центральную тонкую пластину. Между -слоями алитиро­ ванных волокон прокладывают листы алюминиевой фольги. Затем скрепленный пакет -нагревают до темпе­ ратуры начала деформации матричного алюминиевого Ьплава -и прокатывают в направлении, поперечном по отношению к направлению волокон в заготовке (паке­ те). На рис. 91 показано влияние отношения толщины алитированного слоя к диаметру волокон dB на пре­ дельную объемную долю волокон VB в армированных листах, получаемых по этой технологии.

159

iB другой технологической схеме с ‘некоторым смеще­ нием наматывали армирующие волокна бора без пок­ рытия и проволоку из алюминиевого сплава так, что в каждом слое они чередовались. Между слоями волокон прокладывали алюминиевую фольгу для предотвраще­ ния непосредственного контакта волокон различных слоев. После ‘получения заготовок производили нагрев и вакуумное спрессовывание при температуре 480°С, пос­ ле чего заготовки прокатывали на необходимую толщи­ ну. По изложенной схеме получали армированные лис­ ты, содержащие 25% (объемн.) волокон.

Третья схема производства армированных листов с алюминиевой матрицей заключается в намотке прово­ локи из мартенситостареющей стали на относительно толстую среднюю пластину (а затем последовательно на -полученную намоткой часть заготовки устанавливают обкладки и вновь производят намотку и т. д.), нагреве и прокатке пакета. Тот же метод успешно использован для армирования алюминия бериллиевой проволокой и волокнами бора. Эта схема отличается простотой, малы­ ми производственными затратами, большим габари­ тами получаемых листов, -отсутствием реакций между волокнами и матрицей. Очень высокой производитель­ ностью отличается процесс армирования полос сеткой. Однако следует о-тметить, что яри получении таких лис­ тов прокаткой заметное упрочнение ‘может достигаться лйшь в том случае, ко-гда степень деформации при про­ катке мала и не приводит к разрушению сетки. Прове­

поступают компоненты армированной полосы: с первого

*Эксперименты по армированию алюминиевых листов стальны­ ми сетками авторы провели совместно с И. И. Ивановым.

**Б о т в и н а Л. Р. Исследование металлических армирован­ ных систем при различных видах нагружения. Автореф. канд. дис.

М. ИМЕТ АН СССР, М„ 1969.

*** Пат. (США), кл. 29—497.5, № 3406446, 1969.

160