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

Таблица 51

Влияние армирования волокнами из стали марки Х18Н9Т на прочность листов из алюминия марки АД1

Таблица 52

Влияние армирования стальными волокнами на прочность горячекатаных листов на основе сплава АМгб

его сплавов, причем характеристики листов в горяче­ катаном состоянии весьма близки к расчетным данным по правилу смеси (табл. 51—53).

Дополнительно прочность армированных листов рас­ сматриваемой пары (алюминий — сталь) повышают холодной прокаткой, а также упрочняющей термической

в листе, степень деформации определяется ее влиянием на свойства и сплошность волокон. Этот вариант холод-

211

Таблица 53

Влияние армирования стальными волокнами на прочность горячекатаных листов на основе термически упрочненных алюминиевых сплавов

ной прокатки может как повысить, так и снизить проч­ ность армированных листов до уровня прочности матри­ цы. Суммарное дополнительное упрочнение армирован­ ного листа составит дополнительное упрочнение от наклепа волокон и матрицы, которое можно также опре­ делить по правилу смесей. При поперечной прокатке практически упрочняется только матричный материал. Для алюминиевых сплавов эта величина составляет

50—200 МН/м2 (5—20 кгс/мм2).

В частности, в результате двухстадийной прокатки (горячей й холодной) получены полосы с пределом прочности —1230 МН/м2 (123,0 Кгс/мм2), плотностью 3,98 г/см3, изготовленные из алюминиевого сплава мар­ ки 2024, армированного волокнами проволоки диа­ метром 0,29 мм из стали марки АМ367 [предел прочно­ сти'3370—3650 МН/м2 (337—365 кгс/мм2)] [127].

Армированные алюминиевые' листы на основе терми­ чески упрочняемых сплавов дополнительно упрочняют закалкой и старением (по режимам матричных спла­

вов). Прочность термически упрочненных листов приве­ дена в табл. 54.

212

Таблица 54

Прочность армированных листов после закалки и старения

мических изменений структуры матричного сплава, возможны изменения в структуре волокон, а также воз­ никновение сложных взаимодействий между матрицей и волокнами. В результате нагрева листов волокна и матрица неоднократно термически расширяются, а при

рицательно сказываются на конечных механических ха­ рактеристиках листов.

Кроме того, при проектировании процесса производ­ ства армированных листов на основе термически упроч­ няемых сплавов нельзя не учитывать возможное частич­ ное разупрочнение волокон при нагреве под закалку (по режиму обработки матричного материала),

213

При получении армированных полуфабрикатов наи­ более высокое дополнительное упрочнение при термиче­ ской обработке достигается в тех случаях, когда темпе­

(15,0 кгс/мм2). Температура закалки сплава марки В95

листа из того же сплава, армированного проволокой из стали марки 2ХГ5НАМЗ (также 20% по объему), позво­ ляют повысить предел прочности на 21,3 МН/м2 (21,3 кгс/мм2), так как оптимальная температура отпуска этой стали (450—400°С) ближе к температуре закалки основного сплава.

Анализ результатов исследований процесса армиро­

прочность — с 10—20 до 20—33,2 км. Эти данные спра­ ведливы для случаев армирования при прокатке волок­

удельных характеристик. Например, введение 60% волокон указанной прочности позволит повысить удель­ ную прочность листов на основе алюминия до 40 км.

Армированные стальными волокнами алюминиевые листы и плиты имеют достаточно высокие пластиче­ ские показатели. Например, ударная вязкость образцов,

Ударная вязкость плит на основе сплава марки Д20, армированных теми же волокнами при объемных долях

214

14—20%, находится в пределах (4,5—5,5)-1(Н Н/м (4,5—5,5 кгм/см2) .

Армированные алюминиевые листы (о частности, на основе сплавов марок АМГ6 и Ак8) имеют удовлет­ ворительную технологическую пластичность (табл. 55).

* Данные получены авторами совместно с А. А. Дунаевым.

Сталеалюминиевые армированные материалы не разрабатываются как высокомодульные, но они имеют повышенные упругие характеристики (табл. 56).

Таблица 56

Упругие характеристики армированных листов АМгб — Х18Н9Т*

* Данные получены авторами совместно с А. А. Дунаевым.

215

Таблица 57

Прочность армированных листов сплав марки АМгб—сталь

_____________ при повышенных температурах_________________

Приведенные выше данные получены при нормаль­ ных условиях, т. е. при комнатной температуре испыта­ ния армированных полуфабрикатов.

Армированные полуфабрикаты имеют повышенную прочность'И при повышенных температурах (табл. 57) и превосходят по этому показателю теплопрочные алюми­ ниевые материалы, включая САП.

Еще значительнее эффект повышения теплопрочности при армировании волокнами из нержавеющей ста­ ли порошкового материала типа САП [|128]. Армирова­ ние САПа при прессовании (температура прессования 550°С) мерными волокнами высокопрочной проволоки из стали марки Х18Н9Т позволяет при комнатной темпе­

Угол разориентирования волокон в прессованных полу­ фабрикатах не превышает 16°.

Армирование алюминия и его сплавов волокнами из

216

Однако волокна из нержавеющих высокопрочных сталей используются значительно чаще, чем из высокоуглеродистых сталей. Это объясняется, по-види­ мому, различием в поведении углеродистых и нержавею­ щих сталей при повышении температуры в контакте с алюминием. Во-первых, нержавеющие стали заслужива­ ют предпочтения из-за образования на их поверхности пассивирующей окисной пленки -при повышенных темпе­ ратурах в окислительной атмосфере. Характер дей­ ствия такой пленки напоминает характер действия окисйой пленки алюминия. Во-вторых, наиболее опасно при совместной деформации алюминия и сплавов на основе железа образование интерметаллического соединения FeAl3. Это соединение в условиях напряженного контак­ та образуется предпочтительно через ферритную фазу, доля которой в высокоуглеродистых сталях с перлитной структурой значительна. Нержавеющие высокопрочные проволочные волокна имеют либо аустенитную, либо мартенситную структуру, при которых хрупкое интер­ металлическое соединение образуется с большим трудом и при более высоких температурах.

Армирование алюминия и его сплавов высокоуглеро­ дистыми сталями позволяет обеспечить высокое качест­ во соединения компонентов после никелирования во­ локон гальваническим способом, но введение этой опе­ рации удорожает и усложняет производство.

В итоге рассмотрения механических характеристик полуфабрикатов на основе алюминия и его сплавов, армированных высокопрочными стальными волокнами,

п р о ч н ы х с т а л е й ( г л а в н ы м о б р а з о м н е р ж а ­ в е ющи х ) п о з в о л я е т с у щ е с т в е н н о п о в ы с и т ь их а б с о л ю т н у ю и у д е л ь н у ю п р о ч н о с т ь ( ~ в 1,5—4 р а з а ) , с о х р а н и т ь у д о в л е т в о р и т е л ь ­

Материалы на основе алюминиевой матрицы можно армировать и другими видами металлических волокон, например из бериллия и вольфрама. Прочностные ха­ рактеристики листов А1—Be и А1—W, полученных свар­ кой взрывом, приведены в табл. 58 [130]. Сварка взры-

Таблица 58

Прочность листов А1—Be и AI—W, полученных сваркой взрывом

вом многослойных заготовок указанных составов ус­ пешно осуществляется как в обычной воздушной ат­ мосфере, так и после вакуумирования заготовок. Направление взрывной волны, как правило, совпадает с направлением волокон в заготовке. Между заготовкой, установленной на массивной плите из алюминия или стали, и слоем взрывчатых веществ располагают слой силиконовой резины, полихлорвинила или другого эла­ стичного материала. Заготовки предварительно поме­ щают в коробчатые кожухи типа пенала.

Прочность листов после сварки взрывом на 5—30% ниже теоретической (по правилу смеси), причем упроч­ нение более ослабляется на краевых участках листов. Атмосфера заготовки практически не влияет на проч­ ность листов.

** *

Алюминий и его сплавы могут быть армированы и другими видами волокон либо волокнистыми монокри­ сталлами. Как отмечалось выше (см. гл. II и III), ар­ мирование волокнами бора, окиси кремния, карбида кремния, окиси алюминия, углеродными волокнами и т. д. сопряжено со значительными технологическими

218

осложнениями, однако эти варианты армирования сле­ дует считать весьма перспективными, так как получен­ ные в этих случаях материалы имеют высокие прочно­ стные характеристики в широких интервалах темпера­ тур, более широких, чем при использовании материалов, армированных металлическими (в частности, стальны­ ми, титановыми и бериллиевыми) волокнами. ■

Армирование алюминия волокнами i6opa позволяет повысить предел прочности в Л 0—12 раз, а модуль уп­ ругости— в 3—4 раза. Данные механических испытаний

изменение свойств в результате армирования волокнами

Боралюминиевые высокопрочные армированные ма­ териалы имеют высокие показатели сопротивления тер­ мическому удару (в интервале температур до 425°С) и баллистические показатели (в частности, их показатели превосходят характеристики титановых сплавов) [131]. Армированный материал получен вакуумным прессова­

течение 30 мин. Плоскую заготовку получали намоткой волокон бора диаметром 0,1 мм на пластины матрично­ го алюминиевого сплава марки 2024. Чтобы волокна не повреждались в результате взаимного контакта, между ними располагали (также намоткой) проволочные алю­ миниевые волокна диаметром 0,13 мм.

Однако полученный материал имеет серьезный не­

достаток — он характеризуется низкой пластичностью, особенно при динамическом нагружении. Сопротивление удару высокопрочного ‘материала алюминий— ‘бор поч­ ти в 10 раз ниже, чем у большинства алюминиевых кон­ струкционных сплавов.

Весьма ценное свойство боралюминиевых волок­ нистых материалов — способность их сохранять высокие механические свойства (в частности, упругие характе­ ристики) при повышенных температурах (табл. 60) [131].

Таблица 60

Упругие характеристики материала алюминиевый сплав марки 2024 — бор при комнатной температуре в сравнении

карбида кремния (табл. 61). Введение карбидных во­ локон позволяет повысить предел прочности материала до 900 МН/м2 (90,0 кгс/мм2).

Волокнистые материалы на основе алюминия, арми-

Таблица 61

Прочность алюминиевых сплавов, армированных волокнами 3-SiC

220