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

фрикционной связи между компонентами армированного образца ход кривой на всех участках машинной диаграм­ мы нестабилен. При соединении высокого качества ход кривой на нервом участке равномерен, а затем, при до­ стижении напряжений, достаточных для разрушения от­ дельных волокон и связей .между волокнами и матрицей, кривая принимает «пилообразный» характер, т. е. идет нестабильно. Протяженность нестабильного участка не­ значительна, он предшествует разрушению образца. На существование такого участка на кривой напряжение — деформация указывают также Саттон и Чорне [1], при­ водя данные исследования процесса армирования сереб­ ра волокнистыми монокристаллами окиси алюминия. Появление участка с нестабильным ходом кривой они объясняют для этого случая разрушением отдельных монокристаллов, А120 3 с наименьшей прочностью. При этом нагрузка пропорционально перераспределяется на оставшиеся более прочные кристаллы, и быстрого разру­ шения образца не происходит. Важный момент исследо­ вания процесса армирования — определение влияния способа получения армированного материала на состоя­ ние и свойства волокон, что, в конечном счете, определя­ ет конечные свойства материала и позволяет судить о степени рациональности принятой технологической схе­ мы. Наиболее подходит для этой цели моделирование процесса производства армированного полуфабриката (например, процесса прокатки армированных листов) с соблюдением особенностей принятой технологии. .Кроме того, достаточно объективные данные можно получить при исследовании волокон, извлеченных из компактного армированного материала с помощью вытравливания. Моделирование применимо в тех случаях, когда армиро­ ванный материал изготавливается методами обработки давлением, извлечение волокон вытравливанием возмож­ но для любого случая (т. е. не зависнет от способа -изго­ товления армированного полуфабриката или изделия), однако в последнем случае необходимо обращать особое внимание на выбор состава травителя с тем, чтобы не внести каких-либо изменений в характеристики волокон.

В процессе исследований оталеалюминиевых -армиро­ ванных листов метод моделирования был использован для определения влияния направления прокатки на -со­ стояние и свойства волокон (в частности, был-а подробно исследована на-ра Д2'0—Х18Н9Т). Перед прокаткой за­

201

готовок, состоящих из двух пластин алюминиевого спла­ ва марки Д20 и размещенного между ними слоя прово­ лочных волокон из стали марки Х18Н9Т диаметром 0,8 мм, на поверхность компонентов наносили разделитель­ ный слой (графит), предотвращавший схватывание как матричных элементов между собой, так и волокон с мат­ рицей. Модельные образцы прокатывали в двух направ­ лениях— вдоль и поперек расположения волокон. Де­ формация вдоль волокон была различной, суммарная степень деформации в двух направлениях была постоян­ ной (50%). Каждую серию образцов прокатывали при температурах 350, 400 и 450°С. Для выявления влияния температур на прочность волокон одновременно с модель­ ными образцами нагревали проволочные образцы-свиде­ тели. После прокатки извлекали волокна из пластин и проводили исследования их геометрии, а также испыты­ вали на растяжение. Исследования геометрии заключа­ лись в замерах диаметра на различных участках волокна при помощи инструментального микроскопа. Кроме то­ го, фиксировали присутствие и характер поверхностных дефектов и повреждений волокон. В результате исследо­ ваний установлено, что горячая прокатка моделей сбор­ ных заготовок сталеалюминиевых композиционных ли­ стов не вызывает появления заметных искажений сече­ ния волокон и дефектов поверхности, резко снижающих их прочность. В то же время прокатка вдоль волокон име­ ет весьма ограниченную допустимую степень деформа­ ции, при повышении которой волокна сначала ослабля­ ются из-за образования множества местных утонений, а затем разрушаются на отдельные отрезки.

Результаты испытания волокон, извлеченных из мо­ дельных образцов, на растяжение приведены в табл. 50.

Проведенное исследование позволило установить до­ пустимый коэффициент вытяжки при прокатке вдоль во­ локон (для данного вида высокопрочных стальных воло­ кон он равен — 1,10). Выводы, сделанные при проведении модельных исследований, неоднократно проверены ис­ следованием изломов компактных армированных листов, состоящих из тех же компонентов и полученных по тем же режимам прокатки. Результаты исследования изломов хорошо согласуются с данными модельных исследова­ ний. Помимо исследования изломов, проводили испыта­ ния компактных армированных листов на растяжение с целью выявления влияния степени деформации при про-

202

Таблица 50

Влияние температуры прокати и величины деформации вдоль волокон на свойства волокон в модельных сталеалюминиевых

образцах

203

Продолжение табл. 50

204

жатке заготовок вдоль расположения волокон на их проч­ ность. Эти испытания проводили на образцах различных составов.

Влияние продольной деформации (при прокатке вдоль волокон при температуре 400°С) на прочность ком­ пактного армированного материала Д20—Х18Н9Т при суммарной степени деформации 50% приведене ниже:

В процессе изучения армированных материалов важ­ ное место занимают металлографические исследования, позволяющие установить характер взаимодействия во­ локон и матрицы, наличие и состояние переходной зоны, состояние компонентов после нагрева, деформации и пол­ ной упрочняющей термической обработки. В ряде случа­ ев металлографические исследования позволяют уста­ новить и дефекты в армированных материалах.

На рис. 118 приведены микрофотографии армирован­ ных сталеалюминиевых материалов.

К числу методов исследования армирования материа­ лов относится и метод определения микротвердости. На рис. 119 показана зависимость микротвердости матрицы из сплава марки АМгб от расстояния между контролиру­ емой точкой и границей волокно—матрица. В данном случае выявлено, что волокно воздействует на прилегаю­ щие к нему слои матричного материала и вызывает в них повышенное увеличение твердости (и, по-видимому, прочности). Определяя микротвердость матрицы, можно прогнозировать изменения структуры, возможные дефек­ ты и т. д., которые, например, должна внести упрочняю­ щая термическая обработка.

205

Глава V

СВОЙСТВА АРМИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Армирование . материалов и сплавов волокнами в большинстве случаев преследует щель повышения проч­

прочностных характеристик матричных материалов. Предел прочности и модуль упругости армированного материала обычно рассчитываются через соответствую­

упругости компонентов, напряжения в матрице в момент разрушения волокон и объемных долей матрицы и воло­ кон, характеристики армированных материалов зави­ сят также от множества других факторов. К ним сле­ дует относить:

1)метод получения армированного полуфабриката или изделия;

2)уровень технологии производства;

3)природа матрицы и волокон;

4) присутствие или отсутствие промежуточного слоя

207

щая от объемной доли, технологии армирования и жест­

7)температурные условия армирования;

8)добавочная деформация волокон в процессе армирования;

9)наличие и режим окончательной термической об­ работки армированного материала.

лов через «действительные» характеристики компо­ нентов, объединенных в материал.

Однако не следует забывать, что одно и то же изме­ нение действительных характеристик компонентов и отличие их значений от первоначальных >(т. е. характе­ ристик компонентов до сборки заготовок) может быть вызвано различными факторами. Эти факторы, кроме всего прочего, взаимозависимы, т. е. в каждом конкрет­ ном случае нужно учитывать все факторы, либо группы, либо отдельные факторы. Тогда замена прочности «дей­ ствительно прочностью», например, в формуле расче­ та предела прочности армированного материала, втео-

Введение в правило смеси коэффициента использо­ вания прочности волокон и учет средней длины волокон решают задачу уточненного расчета лишь частично.

Правильнее не заменять символы исходных характе­ ристик компонентов символами «действительных» ха­ рактеристик, а вводить общий коэффициент изменения характеристик компонентов, который в свою очередь должен представлять собой произведение частных коэффициентов, учитывающих влияние отдельных фак­ торов. В этом случае полученные отклонения от резуль­ тата расчета по классическому правилу смеси можно предвидеть, адресуясь к конкретным факторам, свойст­ венным проектируемому технологическому процессу

208

армирования, либо к составу армированного материала и т. д., а также к статистическим данным о количествен­ ном влиянии этих факторов. Такое представление поз­ волит вносить корректировку в состав заготовки, режим обработки, т. е. в технологию производства армирован­ ных полуфабрикатов или изделий с заданными свойст­ вами.

Для того чтобы располагать такими обширными статистическими данными, необходимо провести мас­ совое исследование в лабораторных и производственных условиях, досконально изучить влияние всех факторов на конечные характеристики армированных материа­ лов.

К настоящему времени накоплены данные о свой­ ствах лишь небольшого числа пар компонентов. Наибо­ лее изучены свойства армированных материалов алю­ миний—сталь и медь—вольфрам.

Ниже рассмотрим влияние процесса армирования различными волокнами на свойства цветных металлов и сплавов, а также влияние различных факторов на ре­ зультат армирования.

1. СВОЙСТВА АРМИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И МАГНИЯ

Из армированных материалов наиболее изучены

(ПО—140 кгс/мм2) при плотности 3,5—4,0 г/см3.

При получении листовых армированных полуфабри­ катов продольной или продольно-поперечной прокаткой необходимо учитывать изменение предела прочности изза их добавочной долевой деформации (см. главу IV). Естественно, это сказывается и на прочности армиро­ ванных листов, а именно: если долевая, деформация снижает прочность волокон, с увеличением степени де­ формации ухудшаются свойства армированного листа. Это положение иллюстрируется данными исследования влияния степени долевой деформации при прокатке за­ готовок из сплава марки Д20 с волокнами из стали мар­

203

ки Х18Н9Т (VB=6°/o) на свойства армированных листов*:

ния вызывает весьма существенные колебания их проч­ ности**:

ется при lB/dB^.Q0. Увеличение отношения длины воло­ кон к диаметру (при постоянной объемной доле воло­ кон) повышает прочность армированного изделия до тех пор, пока предел прочности не достигнет установленного значения. В данном случае упрочнение стабилизируется при использовании волокон с /в/^в^ 6 0 .

Перепады в свойствах армированных листов в за­ висимости от отношения lB/dB тем больше, чем выше прочность волокон и чем значительнее разница в проч­ ности волокон и матрицы.

210