- •Классификация конструкционных материалов
- •Раздел I основы металловедения Свойства металлов
- •Кристаллическое строение металлов
- •Кристаллизация металлов
- •Деформация и разрушение металлов
- •Механические свойства металлов
- •1) Хладноломкость
- •2) Выносливость
- •Структура и свойства деформированных металлов
- •Изменение структуры и свойств деформированного металла при нагреве
- •Способы упрочнения металлов и сплавов
- •Строение сплавов
- •Диаграммы состояния двойных сплавов
- •Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
- •Углеродистые стали
- •Термическая обработка стали
- •Основные виды термообработки стали
- •Основные виды термообработки стали (продолжение)
- •Поверхностное упрочнение
- •Раздел II металлические конструкционные материалы
- •Легированные стали
- •Влияние легирующих элементов на свойства стали
- •Маркировка легированных сталей
- •Строительные низколегированные стали
- •Жаропрочные стали
- •Цветные металлы и сплавы
- •Раздел III неметаллические конструкционные материалы Ограничения в применении металлов
- •Полимеры, или пластмассы
- •Керамические материалы
- •Неорганические стекла
- •По назначению
- •П о стеклообразующему веществу
- •П о содержанию модификаторов
- •Композиционные материалы
- •Наноматериалы
Композиционные материалы
Композиционные материалы (композиты) – это новый класс легких и высокопрочных материалов с большим сопротивлением развитию трещины.
По удельной прочности и удельной жесткости композиты превосходят все обычные конструкционные материалы. Кроме того, они сохраняют высокую прочность при повышенных температурах, хорошо сопротивляются усталостному разрушению.
Композиты – сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам, не растворимые друг в друге компоненты, разделенные ярко выраженной границей.
Сам принцип создания композитов заимствован у природы: стволы деревьев состоят из жестких волокон целлюлозы и мягкого лигнина, кости человека и животных строятся из жестких нитей фосфатных солей и мягкого, вязкого белка коллагена.
Свойства композиционных материалов (КМ) зависят от свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительная особенность: композиты проявляют достоинства компонентов, а не их недостатки. Вдобавок появляются свойства, которых не имели отдельно взятые компоненты. Поэтому для создания композитов выбирают компоненты с дополняющими друг друга свойствами.
Строение композитов
Композиционный материал состоит из основы, или матрицы (металлической или полимерной) и наполнителя, или армирующего компонента.
Матрица связывает материал в единое целое, придает ему форму. От свойств матрицы зависят технология получения материала, рабочая температура, удельная прочность σв/γ, предел усталости σ-1.
Наполнитель равномерно распределяется в матрице в определенном порядке. Наполнитель воспринимает нагрузку, поэтому должен иметь высокие прочность, твердость, модуль упругости.
Матрица распределяет нагрузку между частицами наполнителя, защищает их поверхность и повышает энергию распространения трещины, предупреждая хрупкое разрушение. Сама матрица не упрочняется, и в этом отличие композитов от металлических сплавов.
По форме наполнители могут быть нуль-мерными, одномерными и двумерными (см. рис. 116).
Композиционные материалы, упрочненные мелкими частицами наполнителя, называют дисперсно-упрочненными. Композиты, содержащие волокна, – волокнистыми. Двумерные наполнители применяются, в основном, в полимерных композитах.
а б в
Рис. 116. Форма наполнителей в композиционных материалах:
а – частицы; б – волокна; в – пластины, листы, ткань
Дисперсно-упрочненные композиционные материалы
Наполнителями в них являются частицы тугоплавких веществ: оксиды, карбиды, нитриды. Обычно это Al2O3, SiO2, BN, SiC.
Для матриц используют либо материалы с малой плотностью (алюминий, магний, титан и их сплавы), либо жаропрочные материалы (никель).
Получают дисперсно-упрочненные КМ прессованием и спеканием или введением наполнителя в жидкую матрицу перед разливкой.
В этом виде КМ матрица воспринимает основную нагрузку, а частицы наполнителя мешают движению дислокаций. Для них справедливо соотношение , где R – расстояние между частицами наполнителя. Наилучшее сочетание механических свойств достигается при размере частиц 0,01–0,1 мкм и расстоянии между ними 0,05–0,5 мкм.
П римером является спеченная алюминиевая пудра (САП). Она имеет высокую жаропрочность и коррозионную стойкость. Состоит из алюминия и частиц Al2O3 в виде чешуек толщиной менее 1 мкм (рис. 117). Чем больше в этом материале доля Al2O3, тем выше прочность, твердость, жаропрочность, но ниже пластичность (рис. 118).
Преимуществом такого материала по сравнению с обычными сплавами алюминия являются очень мелкие зерна, равномерное распределение упрочняющих частиц, отсутствие линейных дефектов.
Изделия из САП: листы, фольга, профили, трубы. Получают детали для работы при 300–500 С: лопатки компрессоров, лопасти турбин и вентиляторов.
Волокнистые композиционные материалы
Наполнителями в них служат волокна или нитевидные кристаллы: углеродные, борные, из SiC, Al2O3, стекла, а также проволока из коррозионно-стойкой стали, молибдена, вольфрама, бериллия. Волокна являются элементами, воспринимающими нагрузку. Для матриц используются те же металлы, что и для предыдущей группы.
Для достижения максимальной прочности композиционного материала волокна должны быть расположены параллельно направлению действия напряжения. Поэтому расположение волокон может быть одноосным, двухосным или трехосным (рис. 119).
а б в
Рис. 119. Расположение армирующих волокон в композитах:
а – одноосное; б – двухосное; в – трехосное
При одноосном армировании проявляется анизотропия: в направлении волокон прочность выше, чем в поперечном (так как нагрузку воспринимает волокно, а матрица – передающая среда). При двухосном армировании анизотропии нет, но прочность вдоль оси волокон уменьшается примерно в 3 раза (рис. 120).
Р
а)
б)
Чем тоньше и длиннее волокно, тем выше степень упрочнения (см. рис. 121).
Объемная доля волокна составляет от нескольких процентов до 80–90 %. Увеличение доли наполнителя повышает прочность и другие характеристики.
Н апример, материал ВКА-1 состоит из алюминия и борного волокна. Предел прочности у него 1200 МПа (как у углеродистых сталей), а удельная прочность – намного выше, чем у сталей.
П олучают волокнистые композиты формованием волокон в порошке матрицы, пропиткой волокна жидким металлом матрицы, осаждением матрицы на волокна с последующим формованием и спеканием и другими способами. Все больше применяется способ направленной кристаллизации эвтектик.
П роблемы технологии композитов в том, что волокна бора, углерода, карбида кремния и другие плохо слипаются с матрицей, не смачиваются жидким металлом матрицы. Прочность сцепления обеспечивается диффузионными процессами и химическими реакциями (обычно на границе матрица-волокно образуются интерметаллиды). Приходится применять различные приемы, например, наносить предварительно металлические покрытия на волокна, которые улучшают сцепление, но удорожают материал. Или проводят травление поверхности волокна. Это тоже улучшает схватываемость с металлом матрицы. На поверхности борных или углеродных волокон выращивают монокристаллы карбида кремния SiC. Получаются ворсистые волокна – борсик. Если основой волокна является тончайшая вольфрамовая проволока диаметром 12 мкм, то на ней можно нарастить кристаллы бора. Все волокно будет иметь диаметр 70–200 мкм. Такие волокна прочнее сцепляются с матрицей.
Основной недостаток волокнистых композитов – их высокая стоимость и сложная технология получения.
Углеродные волокна несколько дешевле. Их получают из синтетических органических волокон высокотемпературной обработкой. Они могут быть изготовлены в виде жгутов, нитей, ткани, лент. Каждое волокно состоит из мельчайших ленточек – фибрилл.
Стекловолокно производят с квадратной, прямоугольной, шестигранной формой – для лучшей укладки в матрице.
Применение КМ увеличивается с каждым годом. Главный потребитель – авиа-, ракетная и космическая техника. Из них изготавливают легкие и прочные корпуса, камеры сгорания ракетных двигателей, лопатки турбин, лопасти винтов, кузовные детали автомобилей.
Важнейшая деталь турбины – лопатка, изготовленная из никелевого сплава, упрочненного нитями сапфира Al2O3, выдерживает температуру газов на входе 1650 С! При этом предел прочности нитей составляет более 700 МПа.
Сопла ракет изготавливают из порошков вольфрама или молибдена с керамическими нитями Al2O3 в виде волокон или войлока. При этом прочность увеличивается в два раза.
Композиционные материалы на полимерной основе
В композитах на полимерной основе усилие от матрицы передается армирующему волокну за счет сил межмолекулярного взаимодействия адгезионного характера. Необходимо полное смачивание жидким связующим поверхности волокон.
Борные и углеродные волокна лучше смачиваются эпоксидной смолой. Так получаются боропластики и углепластики.
Стекловолокниты имеют максимальную прочность и удельную прочность: σв составляет 700 МПа и даже 2400 МПа (при уменьшении диаметра волокон и добавке монокристаллов Al2O3 в матрицу).
Соединяют композиты точечной сваркой, склеиванием, клееболтовыми и клеезаклепочными соединениями.