книги / Строение и свойства металлических сплавов

фазу в нитевидных кристаллах кобальта, необходимы дополни­ тельные экспериментальные данные.

В последнее время получены интересные результаты, касаю­ щиеся изучения фазового превращения в усах железа. В работе {340] показано, что, несмотря на высокую температуру фазового равновесия (~910°С ), превращение в нитевидных кристаллах железа происходит кооперативным путем, в то время как в поликристаллической проволоке чистого железа рельефа не на­ блюдается (возможно, в связи с рекристаллизацией, происходя­ щей после а->-у-превращения). Изменение содержания углерода в пределах от 10“6 до 0,014% не влияет на характер превраще­ ния в нитевидных кристаллах. На поверхности усов железа, деформированных перед превращением, наблюдался более

нагревании нитевидных кристаллов железа не обязательно происходит в наиболее нагретых участках. Этот эффект говорит

Если рассматривать такие участки как дефекты, то они могут способствовать развитию фазового превращения в нитевидных кристаллах железа.

Результаты опубликованных исследований показывают, что в настоящее время нельзя сделать сколько-нибудь общих выводов относительно особенностей фазового превращения в нитевидных кристаллах. Нужны дополнительные экспериментальные данные.

/Механизм упрочнения композиций, армированных непрерывными и короткими волокнами

Теоретическое рассмотрение вопроса приводит к выводу о том, что композиции, состоящие из высокопрочных волокон и пластичной матрицы, должны обладать благоприятным сочета­ нием высокой прочности и удовлетворительной пластичности. Имеется определенная аналогия между этими материалами и дисперсионно упрочняющимися или внутренне окисленными сплавами. Однако механизмы упрочнения материалов дисперс­ ными частицами и волокнами принципиально различны. Проч­ ность первых, как указывалось ранее, зависит от способности дисперсных частиц тормозить движение дислокаций в матрице; при этом основную нагрузку воспринимает матрица и напряже­ ние зависит от расстояния между частицами.

В системах, армированных волокнами, матрица является средой, которая передает нагрузку волокнам и распределяет ее

369

между ними. Следовательно, прочность таких систем зависит прежде всего от прочности волокон, от силы сцепления между волокнами и матрицей и от сопротивления матрицы сдвигу.

Рассмотрим распределение напряжений в дискретном волокне длины L, находящемся в матрице. Будем считать, что деформация волокна и матрицы происходит в упругой области. Поэтому если нагрузка приложена к матрице, то она удлиняется пропорционально напряжению. Находящееся в матрице волокно с более высоким модулем упругости (условие Ев > Ем является основным для получения композиций с высокими механическими свойствами) будет ограничивать свободное удлинение матрицы в соседней с волокнами области. На некотором расстоянии от волокна матрица свободно и равномерно удлиняется, тогда как в прилежащей к волокну области удлинение матрицы сдержи­ вается волокном и будет равно удлинению волокна. Это приве­ дет к нарушению поля деформации и к ее концентрации в зоне, прилежащей к волокну (рис. 169).

Нагрузка на волокна в матрицах передается касательными напряжениями, действующими на поверхности раздела. Распре­ деление напряжений вдоль волокна длины L схематически пока­ зано на рис. 170. Максимальное напряжение <т'"ах достигается

на длине /с = -у- Критической считают такую длину волокна /с,

при которой напряжение, воспринимаемое от матрицы, такое же, как при бесконечно длинном волокне

Касательные напряжения максимальны на концах волокна и

минимальны в его середине. Отношение —тах на поверхности

^гпах

Ненагру/кенное

состояние

Волокно

Недефорпированнаяматрицам

370

раздела может достиг­ нуть величины 0,1—0,3, так что т может превы­ сить предел текучести матрицы. Тогда насту­ пит пластическая де­ формация матрицы, ко­ торая при небольшой растягивающей нагруз­ ке деформировалась упруго. Такое упруго­ пластическое поведение матрицы представляет­ ся наиболее вероятным в процессе работы ком­

Рассмотрим ее влияние на прочность композиций, армированных непрерывными и дискретными волокнами.

Пусть к композиции, армированной непрерывными, однород­ ными и параллельными волокнами, приложена сила Рк. Сила распределена между матрицей Рм и волокнами Рц:

ак, сгв и ам — напряжения.

Переходя к объемным долям составляющих композиции, по­

армированным параллельными непрерывными волокнами при условии, что деформации матрицы и волокна равны.

Уравнение (VIII. 17) справедливо при достаточно большой объемной доле волокон. .Если же VB мала, то напряжения в во­ локнах быстро достигают предела прочности волокон и они разрушаются. В этом случае волокна перестают быть эффектив­ ными упрочнителями, прочность композиции оказывается

371

При Ув > Уmin прочность композиции растет по закону, анало­ гичному (VIII.17) :

где Оу — напряжение в матрице, соответствующее разрушению

волокон.

Когда объемная доля волокон достигает критической величины (Ув = Укрит), прочность композиции становится равной прочности матрицы и продолжает расти пропорционально объемной доле волокон.

Из формул (VII 1.17) — (VII 1.19) следует, что

волокон в процессе изготовления композиции понижается, кри­ тическая их доля возрастает и упрочнение может не наступить даже при Ув ~ 0,2 -г- 0,4.

В случае дискретных волокон прочность композиции, очевид­ но, должна зависеть от длины упрочняющего волокна. Так как распределение напряжений вдоль волокон будет неоднородным,

Для оценки вклада прочности индивидуальных волокон в общую прочность композиции следует рассмотреть два парамет­ ра: критическое отношение Lc/dR и коэффициент передачи нагрузки LJL. Первый параметр при данном da связан с длиной волокна, которая необходима для достижения максимального значения растягивающего напряжения, а второй — со средним

напряжением Gr. Разницу между ними легко уяснить из рис. 172. По мере возрастания длины волокна (Li<iL2 < L c<L) растя­ гивающее напряжение в его центре непрерывно увеличивается до

Рис. 172. Максимальное и средпепзнешенное на­ пряжение в волокне

372

тех пор, пока не достигнет максимального значения а*ж при-

L = Lc. При L > Lc значение <тв« остается постоянным на боль­ шей части длины волокна, хотя среднее напряжение продолжает увеличиваться:

где Ов = ЙПвоо — среднее растягивающее напряжение в волок­ не, находящемся в матрице;

VB— объемная доля волокон;

ам — среднее напряжение в матрице, соответствующее раз­ рушению волокон.

Таким образом, прочность композиции определяется в ос­ новном параметром Q, который является функцией отношения LJL, а также максимальной прочности волокон и объемной доли волокон. Если отношение L/d меньше критического Lcfd, то прочность композиции значительно ниже прочности композиции, упрочненной непрерывными волокнами при прочих равных усло­ виях. Таким образом, для максимального использования потен­ циально высокой прочности дискретных волокон необходимо,, чтобы Lid > LJd. В то же время если LJL = 1, то по уравнению

композиции следует стремиться уменьшить отношение LJL.

Композиции, армированные нитевидными кристаллами

Создание композиций, армированных нитевидными кристал­ лами, требует решения многих и трудных технологических задач,,

ккоторым, в частности, относятся:

1)получение высокопрочных усов в больших количествах;

2)разработка экономичных методов сортировки, ориентации

ипрядения нитевидных кристаллов;

3)поверхностная обработка кристаллов для обеспечения

смачивания и прочной связи с матрицей; 4) разработка способов соединения усов с матрицей, обра­

ботка композиционных материалов и конструирование изделий; из них.

373,

спективными. Общим для всех методов получения усов являются реакции в газовой фазе при высоких температурах с при­ сущими им преимуществами и недостатками. Наиболее разра­ ботанной, по-видимому, следует считать технологию получения усов AI2 O3 , SiC, Si3N4

Манипуляция .с нитевидными кристаллами, пожалуй, самая сложная часть работы, включающая снятие усов с подложки, сортировку их, ориентацию, прядение и т. д. Благодаря высокой удельной поверхности и большим силам притяжения усы, как правило, при манипулировании собираются в клубки. Для раз­ деления усов используют всевозможные методы диспергирования в различных жидкостях, выбор которых зависит от свойств кристаллов.

Усы можно применять с плоской ориентацией и однонаправ­ ленной. Плоская ориентация получается при изготовлении усов в виде матов. Пропитывая маты полимерными или металличе­ скими связующими, получают листовые композиционные мате­ риалы. Труднее получить однонаправленную ориентацию усов, хотя именно такая ориентация позволяет максимально реали­ зовать преимущества композиционных материалов по механиче­

ским свойствам.

Основная роль матрицы, как указывалось, сводится к передаче касательных напряжений волокнам, что возможно в

класс материалов, усы которых предполагается использовать в качестве наполнителей. Поэтому нитевидные кристаллы указан­ ных соединений можно использовать только после предвари­ тельной обработки поверхности. Кроме того, возникает необходимость защиты поверхности хрупких нитевидных кри­ сталлов от механических повреждений, которые легко возникают при манипулировании, а также при самом процессе изготовления композиции. Обеспечить смачивание и достаточно прочную связь можно, вводя в матрицу поверхностно активные примеси, пони­

защиту поверхности от механических повреждений.

Следует отметить, что пленки, по-видимому, не влияют на прочность усов при комнатной температуре. Однако существенно поведение таких металлизированных усов при повышенных тем­ пературах. Показано, например, что покрытые пленкой никеля или титана усы AI2O3 сохраняют свою прочность вплоть до

374

А120 3 и титаном и огрубления поверхности усов [303].

Методы получения волокнистых композиций весьма разно­ образны и в основном заимствованы из порошковой металлургии с учетом специфики составляющих фаз.

Один из основных в проблеме прочности композиционных материалов — это вопрос, в какой мере высокие механические свойства нитевидных кристаллов могут быть использованы в композиции.

При исследовании модельной системы Ag— А120 3 были про­ верены некоторые основные положения теории упрочнения дис­ кретными волокнами [337]. В частности, показана справедливость закона аддитивности.

При больших содержаниях усов диаграмма деформации композиции аналогична кривой деформации нитевидных кри­ сталлов (рис. 173). При меньшей объемной доле усов композиция имеет достаточную пластичность. Наличие пиков указывает на разрушение отдельных элементов каркаса из усов, что в свою очередь свидетельствует о хорошей передаче касательных напря­ жений усам и достаточно прочной связи между матрицей и ните­ видными кристаллами.

При высоких температурах эффективность упрочнения усами возрастает. Вблизи температуры плавления сплав Ag — А120 3 выдерживает напряжения 170 Мн/м2 (17 кГ/мм2) (рис. 174).

При обсуждении прочности композиционных материалов полезно знать, насколько эффективно в композиции используется

Рис. 173. Кривые напряжение — деформация для чистого серебра (/) н серебра, армированного усами А12Оз. объемная доля которых составляет

7«/. (2 ); 24% (3); 31% (4) [3081

375

Iг 50

I

! «

I 30

прочность волокон. Для этой цели вводят коэффициент эффектив­ ной прочности р, представляющий собой отношение прочности усов или волокон после изготовления и испытания композиции к прочности волокон в исходном состоянии. Таким образом, этот параметр позволяет определить ту часть потенциальной прочно­ сти волокон, которая дает вклад в общую прочность композиции.

Для композиции Ag — А120 3 при комнатной температуре р ~ 0,8 -г- 0,97. Однако при высоких температурах прочность усов

Материалы, получаемые однонаправленной кристаллизацией

Обычная технология получения композиционных материалов является многостадийной. Однако, выращивая нитевидные кристаллы непосредственно внутри металла, можно создать ком­ позицию, минуя промежуточные технологические стадии. Это осуществляют путем направленной кристаллизации двойных эв­ тектических сплавов. В этих условиях поверхность раздела между твердой фазой и жидкостью можно сделать плоской. Образуется упорядоченная микроструктура, одна из составляю­ щих которой по форме и размерам подобна усам (рис. 175). Предел прочности пластинчатых, например, образований хрома, выделенных из меднохромового эвтектического сплава, состав­ лял, по данным Лемке и Крафта, около 7 Гн/м2 (700 кГ/мм2).

Характерные результаты были получены при изучении эвтек­ тической системы А1 — Ni, представляющей алюминиевую мат­ рицу, содержащую ~10% (объемн.) усов Al3Ni. В литом состоя­ нии, когда усы в сплаве ориентированы произвольно, предел

.376