Композиционные материалы в машиностроении. Лабораторный практикум. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ФГБОУ ВО "ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ"

Л. Б. ЛИХАЧЕВА, М. А. АКЕНЧЕНКО

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ВОРОНЕЖ

2020

1

УДК 621.031(075.8) ББК 35.719я7

Л65

Научный редактор профессор В.Г. ЕГОРОВ

Реце нз енты :

кафедра автоматизированного оборудования машиностроительного производства

Воронежского государственного технического университета;

д.т.н. А.Б. КОЛОМЕНСКИЙ (ПАО "Воронежское акционерное самолетостроительное общество")

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Воронежского государственного университета инженерных технологий

Лихачева, Л. Б.

Л65 Композиционные материалы в машиностроении. Лабораторный практикум [Текст] : учеб. пособие / Л. Б. Лихачева, М.А. Акенченко; Воронеж. гос. ун-т инж. технол. – Воронеж: ВГУИТ, 2020. – 63 с.

ISBN 978-5-00032-498-1

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВО подготовки выпускников по направлению 15.03.03 - "Прикладная механика". Предназначено для закрепления теоретических и практических знаний дисциплин базового цикла подготовки . В пособии приведены задания, описаны методики и даны рекомендации по выполнению лабораторных работ, приведена необходимая учебная и справочная литература.

ISBN 978-5-00032-498-1

©Лихачева Л. Б., Акенченко М.А., 2020

©ФГБОУ ВО «Воронеж. гос. ун-т инж. технол.», 2020

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

Лабораторная работа № 1.

ИЗУЧЕНИЕ КЛАССИФИКАЦИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучить классификацию, номенклатуру и свойства композиционных материалов.

Материалы: методики, нормативные требования к композиционным материалам.

Теоретические сведения

Цель создания конструкционных материалов(далее КМ) - получение материала с новыми заданными свойствами и характеристиками, отличными от свойств и характеристик исходных компонентов. С появлением такого рода материалов возникает возможность выбора свойств композитов, необходимых в конкретной области применения. КМ представляют собой гетерофазные системы из двух и более компонентов(фаз) с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента. КМ – это материалы, состоящие из двух или более компонентов (фаз), имеющие специфические свойства, отличающиеся от средних свойств их составляющих компонентов. В КМ есть матрица, включение и межфазная граница.

Компонент, обладающий непрерывностью по всему объему КМ называется матрицей. Включение – это разделенный в объеме компонент, он может быть усиливающим или армирующим. Межфазная граница – это граница раздела между матрицей и включением, имеющая свойства, отличные от свойств матрицы и включения.

Композиционные материалы по материаловедческому признаку классифицируются следующим образом.

1. По материалу матрицы (материаловедческий принцип).

Наиболее важным признаков классификации КМ является материал матрицы. КМ с металлической матрицей называют металлическими композиционными материалами (МКМ), с полимерной

4

териалами (ККМ). КМ, содержащие два и более различных по составу матричных материала, называют полиматричными.

Название ПКМ обычно состоит из двух частей. В первой части называется материал наполнителя, во второй приводится слово «пластик» или «волокнит». Например, полимерные композиты, армированные стекловолокном, называются стеклопластиками (стекловолокнитами); металлическими волокнами – металлопластиками, органическими – органопластиками, борными – боропластиками, углеродными – углепластиками, асбестовыми – асбопластиками.

В некоторых случаях для обозначения КМ используется одно сложное слово, например, бороалюминий или углеалюминий. В этом случае первая часть слова соответствует материалу волокна, а вторая – материалу матрицы.

2.По геометрии армирующих элементов. Классификация

всоответствии с геометрией армирующих элементов(порошки или гранулы, волокна или пластины).

3.По структуре и расположению компонентов. В соответ-

ствии с этой классификацией КМ делятся на группы с матричной, слоистой, каркасной и комбинированной структурой.

Матричную структуру имеют дисперсно-упрочненные и армированные КМ. К материалам со слоистой структуройотносятся композиции, полученные из набора чередующихся слоев

фольги или листов материалов различной природы и состава. К композиционным материалам с каркасной структуройотносятся материалы, полученные методом пропитки. Комбинированную структуру имеют материалы, содержащие комбинации первых трех групп.

4. По схеме армирования(конструкционный принцип). По ориентации и типу арматуры все КМ можно разделить на две группы – изотропные и анизотропные.

Изотропными называют материалы, которые имеют одинаковые свойства во всех направлениях.

5

Свойства анизотропных материалов зависят от направления в исследуемом объекте.

КМ с матричной структурой делятся на - хаотично армированные и упорядоченно-армированные.

Хаотично-армированные КМ содержат армирующие элементы в виде дисперсных включений, дискретных или непрерывных волокон. Эти материалы являются изотропными или квазиизотропными. Термин «квазиизотропный» означает, что КМ является анизотропным в микрообъеме, но изотропным в объеме всего изделия.

Упорядоченно-армированные КМ подразделяются на однонаправленные, т. е. одноосно-армированные, двухосноармированные (с плоскостным расположением арматуры) и трех- осно-армированные (с объемным расположением арматуры).

5.По методам получения (технологический принцип). В со-

ответствии с этой классификацией КМ делятся на материалы, полученные жидкофазными и твердофазными методами, а также методами осаждения–напыления, комбинированными методами.

К жидкофазным методамотносятся пропитка (пропитка арматуры полимерами или расплавленными металлами) направленная кристаллизация сплавов.

К твердофазным методам получения КМ относятся прокатка, экструзия, ковка, штамповка, уплотнение взрывом, диффузионная сварка, волочение и др. Композиционные материалы, получаемые твердофазными методами, используются в виде порошка или тонких листов.

При получении КМ методами осаждения–напылениямат- рица наносится на волокна из растворов солей или других соединений, из парогазовой фазы, плазмы и т. п.

Комбинированные методы заключаются в последовательном или параллельном применении нескольких методов.

6.По назначению (эксплуатационный принцип). Классифи-

кация КМ по назначению достаточно условна, поскольку часто композиты являются многофункциональными материалами. Тем не менее, среди множества КМ выделяют материалы общеконструкционного назначения (несущие конструкции судов, самолетов, автомобилей, жаропрочные материалы (лопатки турбин са-

6

молетов, камеры сгорания), термостойкие материалы (изделия, работающие в условиях частых теплосмен), фрикционные материалы (тормозные колодки), антифрикционные материалы (подшипники скольжения), ударопрочные материалы (броня самолетов, танков), теплозащитные материалы, материалы со специальными свойствами (магнитными, электрическими) и др.

Показатели состава и показатели свойств представлены в ГОСТ 32588-2013 «Композиты полимерные. Номенклатура показателей». Методы испытаний композитов представлены в ГОСТ Р 57921-2017 «Композиты полимерные. Методы испытаний. Общие требования».

Задание: изучить классификацию, номенклатуру композиционных материалов, методы исследования.

Порядок выполнения работы

1. Изучить классификацию композиционных материалов по следующим показателям: материал матрицы, схема и геометрия армирующих элементов, технологические методы получения.

2.Изучить номенклатуру показателей КМ.

3.Изучить методы испытаний КМ на основе нормативных документов.

4.Составить отчет о выполнении лабораторной работы.

Содержание отчета

1.Привести классификация КМ по основным показателям.

2.Описать номенклатура показателей КМ

3.Кратко описать методы испытаний композиционных материалов.

4.Описать области применения КМ, свойства и характери-

стики.

5.Сделать выводы.

7

Контрольные вопросы

1.Что такое композиционные материалы?

2.По каким принципам композиционные материалы классифицируются?

3.Чем обосновывается необходимость получения компо-

зитов?

4.Что такое матрица?

5.Что такое наполнитель?

6.Каковы свойства композиционных материалов?

Лабораторная работа № 2.

МАКРО- И МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: ознакомиться с макро- и микроскопическим анализом композиционных материалов; изучить характерные макро- и микроструктуры композиционных материалов.

Теоретические сведения

В процессе изготовления и эксплуатации композиционных материалов могут возникать различные дефекты структуры: макро- и микропористость, трещины, сдвиги, сколы на отдельных участках, разрывы волокон, изменение фазового состава и т..д

Дефекты могут появляться в ходе технологического процесса получения изделий вследствие влияния температуры, времени, механического воздействия, защитной среды и других факторов, а также в процессе эксплуатации. Эти дефекты могут возникать в матрице, армирующей фазе и на границе раздела. Изучение микроструктуры позволяет исследовать характер разрушения, кото-

8

рый определяется процессами структурообразования, обеспечивающими межкристаллитное или внутрикристаллитное сращивание. При межкристаллитном сращивании дефекты такие, как субмикропоры и оксидные включения, располагаются между зернами и повышают склонность материала к хрупкому межкристаллитному разрушению. Микроструктурный анализ позволяет обнаружить пороки строения, а также изменение внутреннего строения композиционных материалов при механическом, термическом и других видах воздействия.

Макроструктурой называется строение материала, видимое без увеличения или при небольшом увеличении до10…30 раз с помощью лупы (рис. 1, 2).

Макроструктура исследуется непосредственно на поверхности изделия, на изломе или на специально подготовленном образце, который называется макрошлифом. Макрошлиф получают после шлифования и последующего травления поверхности специальными реактивами.

Порядок приготовления макрошлифов

1.Вырезка образца в определенном месте детали в зависимости от цели проводимых исследований, обработка исследуемой поверхности вручную или на металлорежущем станке.

2.Последовательное шлифование на шлифовальных бумагах с постепенно уменьшающимся размером зерен абразива.

3.Промывка, обезжиривание спиртом, травление, промывка и просушка.

Радиально расположенные основные элементы структуры углеродных волокон

Включения

Рис. 1. Основные элементы и дефекты структуры углеродных волокон

9

Рис. 2. Структура стеклянных волокон с оксидом бора

Микроструктурный анализ позволяет изучать микроструктуру при увеличении до 12000 раз с разрешающей способностью 0,6 мкм. Микроанализ – это исследование материалов при помощи оптических микроскопов с увеличением от 50 до 2000 раз. Строение материалов, выявленное с помощью микроскопа, носит название микроструктуры. Для выявления микроструктуры композиционных материалов готовят специальные образцы, называемые микрошлифами (рис. 3).

Рис. 3. Микроструктура композиционных материалов: а - микроструктура стеклокерамического КМ; б - микроструктура керамического КМ

Правила обращения с микрошлифами

Для предотвращения преждевременной порчи микрошлифов необходимо соблюдать следующие правила.

1. Шлифы должны храниться комплектами в коробочках на слое ваты. Запрещается нарушать комплектность и перекладывать шлифы из одной коробочки в другую. Микрошлиф можно

10