Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще А1, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами , не растворяющимися в основном металле {дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту
Рис. 1
1 - зернистый (дисперсно-упрочненный) материал (l/d - I): 2 - дискретный волокнистый композиционный материал; 3 - непрерывно волокнистый композиционный материал; 4 - непрерывная укладка волокон; 5 - двухмерная укладка волокон; 6,7 - объемная укладка волокон
или иную композицию, получили название композиционные материалы (рис. 196).
Волокнистые композиционные материалы.
На рис. 196 приведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру l/d « 10-тЛ03, и с непрерывным волокном, в которых l/d = со. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.
Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.
Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50-100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости (Ely) и пониженной склонностью к трещинообразова- нию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.
Таблица 44
Механические свойства композиционных материалов на металлической основе
Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.
Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (о в = 2500-*-3500 МПа, Е = 38ч-420 ГПа) и углеродные (ст в = 1400-г-3500 МПа, Е 160-ь450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют ст в = = 2500-*т3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.
Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.
Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие а в = 15 000-г-28 000 МПа и Е = 400-*-600 ГПа.
В табл. 44 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов.
Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью (ст в, а_ х) и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное
Рис. 197. Зависимость модуля упругости Е (а) и временного сопротивления о в (б) бороалюминиевого композиционного материала вдоль (/) и поперек (2) оси армирования от объемного содержания борного волокна
хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения.
На рис. 197 приведена зависимость а в и Е бороалюминиевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль (/) и поперек (2 ) оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше а в, a_ t и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно - матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15-20 %.
Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении или эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала.
Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления е полями напряжения.
Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени (рис. 198, а) с повышением температуры.
Рис. 198. Длительная прочность бороалюминисвого композиционного материала, содержащего 50% борного волокна, в сравнении с прочностью титановых сплавов (а) и длительная прочность никелевого композиционного материала в сравнении с прочностью дисперсионно-твердеющих сплавов (б):
/ - бороалюмнниевый композит; 2 - титановый сплав; 3 - дисперсионно-упрочненный композиционный материал; 4 - дисперсионно-твердеющие сплавы
Основным недостатком композиционных материалов с одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление меж- слойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостатка лишены материалы в объемным армированием.
- Широко применяют полимерные, керамические и другие матрицы.
В качестве матрицы часто применяют цветные металлы – алюминий, магний, никель, или их сплавы. Структура композитов зависит от используемого наполнителя. Различают следующие виды структур (рис.1):
зернистую (рис.1, а );
волокнистую (рис.1, б );
слоистую с непрерывной укладкой волокон наполнителя (рис.1, в );
тканевую (рис.1, г );
объемную (рис.1, д ).
Рис.1. Схемы структур композиционных материалов с металлической матрицей:
а – зернистая;б – волокнистая;в – слоистая с непрерывной укладкой волокон;
г – тканевая;д – с объемной укладкой волокон
В волокнистых композитах наполнитель является упрочнителем. Если отношение длины волокна к его диаметру L / d = 10…10 3 , то волокнистые композиты называют дискретными . Дискретные волокна расположены в матрице хаотично, причем, чем больше величина отношения L / d , тем выше степень упрочнения. Если L / d → ∞, то композиты будут с непрерывным волокном.
Для алюминиевых и магниевых волокнистых композитов применяют волокна борные, углеродные, из карбидов кремния, а также из карбидов, нитридов и оксидов тугоплавких металлов и высокопрочной стали. Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния, борида титана. Для жаропрочных никелевых волокнистых композитов используют волокна из вольфрамовой или молибденовой проволоки.
От обычных сплавов волокнистые композиты отличаются высокими прочностными показателями, пониженной склонностью к трещинообразованию и высокой удельной прочностью. Их прочность определяется свойствами волокон. Матрица скрепляет волокна и распределяет напряжения между ними. При этом механические свойства волокнистых композитов вдоль волокон значительно лучше, чем в поперечном направлении.
Волокнистые композиты малопластичны, однако, скорость распространения трещин в них настолько мала, что практически исключается возможность их внезапного разрушения. Еще одна их особенность – малая скорость разупрочнения во времени. Недостатком таких композитов является также относительно низкое сопротивление межслойному сдвигу, однако это сопротивление значительно выше у волокнистых композитов с объемной укладкой волокон.
В отличие от волокнисты, в диспесноупрочненных композитах матрица является основой, воспринимающей нагрузку, тогда как дисперсные частички, являющиеся наполнителем, тормозят движение дислокаций в матрице. Наиболее оптимальным является размер частичек 10…15 нм и расстояние между ними 100…150 нм при равномерном распределении частиц. Подобные композиты можно получить на основе практически всех применяемых в технике металлов и сплавов, например, САП – спеченный алюминиевый порошок. В САП матрицей является алюминий, а наполнителем – мелкие частички оксида алюминия Al 2 O 3 (6 – 8 %). С увеличением содержания Al 2 O 3 повышается предел прочности САП на растяжение и уменьшается относительное его удлинение.
1.2. Композиты с неметаллической матрицей
В качестве матрицы у таких композитов часто применяют следующие материалы:
полимерные (эпоксидная, фенолформальдегидная, полиамидная и другие смолы),
углеродистые,
керамические.
Упрочнителями служат волокна:
органические,
на основе нитевидных кристаллов (оксиды, бориды, карбиды, нитриды),
металлическая проволока.
стеклянные,
углеродные,
Свойства композитов зависят от состава композиции, сочетании компонентов, прочности связей между ними. Свойства матрицы определяют прочность композита на сдвиг и сжатие, сопротивление усталостному изнашиванию. Свойства упрочнителя определяют, в основном, прочность и жесткость материала.
В лабораторной работе рассмотрим профилированные изделия из армированного стеклопластика.
Специалисты прогнозируют: со временем этот материал заменит и дорогостоящий металл, и подверженную гниению древесину. Он не имеет аналогов и отличается от традиционных материалов более высокими свойствами и качествами:
улучшенные физико-механические характеристики,
низкий удельный вес (в 4 раза легче стали),
высокая коррозионная и биологическая стойкость,
высокая стойкость к атмосферным воздействиям, ультрафиолетовому излучению и водной среде,
низкий тепловой коэффициент линейного расширения,
широкий диапазон рабочих температур от -60 до +80 0 С,
сейсмостойкость – 100 % упругое восстановление после деформации, устойчивость к ветровым нагрузкам при скорости ветра до 300 км/час,
Области применения: строительство, ЖКХ, ТНП, энергетика, медицина, химическая промышленность и т.д.
Пултрузионный стеклопластик – уникальный композиционный материал XXI века со сроком службы не менее 50 лет.
Композиционные материалы на основе металлической матрицы
По структуре и геометрии армирования композиты на базе металлической матрицы бывают представлены в виде волокнистых (МВКМ), дисперсно-упрочненных (ДКМ), псевдо- и эвтектических сплавов (ЭКМ), а в качестве материала основы наиболее широко применяют такие металлы как Al, Mg, Ti, Ni, Co.
Свойства и методы получения МВКМ на базе алюминия . МВКМ Al-стальные волокна. При получении КМ, состоящих из чередующихся слоев алюминиевой фольги и волокон, чаще всего используют прокатку, динамическое горячее прессование, сварку взрывом, диффузионную сварку. Прочность этого типа композита͵ в основном, определяется прочностью волокон. Введение в матрицу высокопрочных стальных проволок повышает предел выносливости композита.
МВКМ Al-кремнеземные волокна получают, пропуская волокна через расплав матрицы, с последующим горячим прессованием. Скорость ползучести этих МВКМ при температурах 473-573 К на два порядка ниже ползучести неармированной матрицы. Композиты Al – SiO 2 обладают хорошей демпфирующей способностью.
МВКМ Al-борные волокна относятся к наиболее перспективным конструкционным материалам, поскольку обладают высокими прочностью и жесткостью при температурах до 673-773 К. При изготовлении широко используется диффузионная сварка. Жидкофазные методы (пропитка, различные виды литья и т. д.), ввиду возможности химического взаимодействия бора с алюминием, применяют лишь в тех случаях, когда на волокна бора предварительно нанесены защитные покрытия – карбид кремния (волокна борсик) или нитрид бора.
МВКМ Al-углеродные волокна имеют высокие показатели прочности и жесткости при малой плотности. При этом большой недостаток углеродных волокон – их нетехнологичность, связанная с хрупкостью волокон и их высокой реакционной способностью. Обычно МВКМ Al – углеродные волокна получают пропиткой жидким металлом или методом порошковой металлургии. Пропитку используют при армировании непрерывными волокнами, а методы порошковой металлургии – при армировании дискретными волокнами.
Свойства и методы получения МВКМ на базе магния. Использование магния и магниевых сплавов в качестве матрицы, армированной высокопрочными и высокомодульными волокнами, позволяет получить легкие конструкционные материалы с повышенными удельной прочностью, жаропрочностью и модулем упругости.
МВКМ Mg-борные волокна отличаются высокими прочностными свойствами. Для изготовления МКМ можно применять методы пропитки и литья. Листовые композиции Mg – B изготовляют методом диффузионной сварки. Недостатком МКМ Mg – B является пониженная коррозионная стойкость.
МВКМ Mg-углеродные волокна получают пропиткой или горячим прессованием в присутствии жидкой фазы, растворимость углерода в магнии отсутствует. Для улучшения смачивания углеродных волокон жидким магнием их предварительно покрывают титаном (путем плазменного или вакуумного напыления), никелем (электролитически) или комбинированным покрытием Ni – B (химическим осаждением).
Свойства и методы получения МВКМ на базе титана. Армирование титана и его сплавов повышает жесткость и расширяет диапазон рабочих температур интервала до 973-1073 К. Для армирования титановой матрицы применяют металлические проволоки, а также волокна карбидов кремния и бора. Композиты на базе титана с металлическими волокнами получают прокаткой, динамическим горячим прессованием и сваркой взрывом.
МВКМ Ti – Mo (волокна) получают методом динамического горячего прессования заготовок типа ʼʼсэндвичʼʼ в вакуумированных контейнерах. Такое армирование позволяет повысить длительную прочность по сравнению с матрицей и сохранить прочность при высоких температурах. Одним из недостатков МВКМ Ti – Mo является высокая плотность, что снижает удельную прочность этих материалов.
МВКМ Ti – B, SiC (волокна) имеют повышенные не только абсолютные, но и удельные характеристики МВКМ на базе титана. Так как эти волокна хрупки, то для получения компактных композиций чаще всего используют диффузионную сварку в вакууме. Длительные выдержки МВКМ Ti – B при температурах выше 1073 К под давлением приводят к образованию хрупких боридов титана, разупрочняющих композит. Карбидокремниевые волокна более устойчивы в матрице. Композиты Ti - B обладают высокой кратковременной и длительной прочностью. Чтобы повысить термическую стабильность волокон бора их покрывают карбидом кремния (борсик). Композиты Ti – SiC имеют высокие значения внеосевой прочности предела ползучести.
В системе МВКМ Ti – Be (волокна) взаимодействие при температуре ниже 973 К отсутствует. Выше этой температуры возможно образование хрупкого интерметаллида, при этом прочность волокон практически не изменяется.
Свойства и методы получения МВКМ на базе никеля и кобальта. Существующие виды упрочнения промышленных никелевых сплавов (дисперсное твердение, карбидное упрочнение, сложное легирование и термомеханическая обработка) позволяют сохранить их работоспособность только до интервала температур 1223-1323 К. По этой причине важным явилось создание МВКМ никеля, армированных волокнами и способных работать долгое время при более высоких температурах. Применяют следующие упрочнители:
В системе МВКМ Ni - Al 2 O 3 (волокна) при нагреве на воздухе образуется оксид никеля, который взаимодействует с арматурой, благодаря чему на границе образуется шпинель NiAl 2 O 4 . При этом связь между компонентами нарушается. Для увеличения прочности связи на арматуру наносят тонкие покрытия из металлов (W, Ni, нихром) и керамики (оксиды иттрия и тория). Так как жидкий никель не смачивает Al 2 O 3 , в матрицу вводят Ti, Zr, Cr, которые улучшают условия пропитки.
При комнатной температуре прочность композита никель - нитевидные кристаллы Al 2 O 3 , полученного электроосаждением никеля на волокна, существенно превышает прочность матрицы.
МВКМ Ni - C (волокна). Никель практически не растворим в углероде. В системе Ni – C образуется метастабильный карбид Ni 3 C, устойчивый при температурах выше 1673 К и ниже 723 К. Обладая высокой диффузионной подвижностью, углерод насыщает никелевую матрицу за короткое время, в связи с этим главными разупрочняющими факторами в МВКМ Ni – C является растворение углеродных волокон и их рекристаллизация вследствие проникновения никеля в волокно. Введение в никелевую матрицу карбидообразователей (Cr, Al, Ti, Mo, W, Nb) усиливает взаимодействие матрицы с волокнами. Для повышения структурной стабильности на волокна наносят противодиффузионные барьерные покрытия из карбида и нитрида циркония, карбида титана.
МВКМ N – W, Mo (волокна) получают динамическим горячим прессованием, диффузионной сваркой, сваркой взрывом, прокаткой. По причине того, что W, Mo интенсивно окисляются при нагревах, композиты получают в вакууме или защитной атмосфере. При нагреве МВКМ на воздухе происходит окисление волокон вольфрама или молибдена, расположенных на поверхности композита. В случае если волокна не выходят на поверхность, то жаростойкость МВКМ определяется жаростойкостью матрицы.
Области применения МВКМ. Композиционные волокнистые материалы с металлической матрицей применяют при низких, высоких и сверхвысоких температурах, в агрессивных средах, при статических, циклических ударных, вибрационных и других нагрузках. Наиболее эффективно используются МВКМ в конструкциях, особые условия, работы которых не допускают применения традиционных металлических материалов. При этом, чаще всего, в настоящее время армированием металлов волокнами стремятся улучшить свойства матричного металла, чтобы повысить рабочие параметры тех конструкций, в которых до этого использовали неармированные материалы. Использование МВКМ на базе алюминия в конструкциях летательных аппаратов, благодаря их высокой удельной прочности, позволяет достичь важного эффекта – снижения массы. Замена традиционных материалов на МВКМ в базовых деталях и узлах самолетов, вертолетов и космических аппаратов уменьшает массу изделия на 20-60 %.
Наиболее актуальна в газотурбостроении задача повышения термодинамического цикла энергетических установок. Даже малое повышение температуры перед турбиной значительно увеличивает КПД газотурбинного двигателя. Обеспечить работу газовой турбины без охлаждения или, по крайней мере, с охлаждением, не требующим больших конструктивных усложнений газотурбинного двигателя, можно, используя высокожаропрочные МВКМ на базе никеля и хрома, армированные волокнами Al 2 O 3 .
Алюминиевый сплав, армированный стекловолокном, содержащим оксид урана, обладает повышенной прочностью при температуре 823 К и должна быть использован в качестве топливных пластин ядерных реакторов в энергетике.
Волокнистые металлические композиты используют в качестве уплотнительных материалов. К примеру, статические уплотнения, изготовленные из Mo или стальных волокон, пропитанных медью или серебром, выдерживают давление 3200 МПа при температуре 923 К.
Как износостойкий материал в коробках передач, дисковых муфтах, пусковых устройствах можно использовать МВКМ, армированные ʼʼусамиʼʼ и волокнами. В армированных W-проволокой магнитотвердых материалах удается сочетать магнитные свойства с высоким сопротивлением ударным нагрузкам и вибрациям. Введение арматуры из W, Mo в медную и серебряную матрицу позволяет получать износостойкие электрические контакты, предназначенные для сверхмощных высоковольтных выключателей, в которых сочетаются высокие тепло- и электропроводность с повышенным сопротивлением износу и эрозии.
Принцип армирования можно положить в основу создания сверхпроводников, когда в матрицах из Al, Cu, Ti, Ni создают каркас из волокон сплавов, обладающих сверхпроводимостью, к примеру, Nb – Sn, Nb – Zr. Такой сверхпроводящий композит может передавать ток плотностью 10 5 -10 7 А/см 2 .
Композиционные материалы на основе металлической матрицы - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Композиционные материалы на основе металлической матрицы" 2017, 2018.
Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.
Композиционные материалы с неметаллической матрицей
Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная.
Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.
Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.
Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) - 20-30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.
По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.
В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.
Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей.
Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.
Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях.
Однако создание четырех направленных материалов сложнее, чем трех направленных.
Волокнистые композиционные металлические материалы.
Эвтектические композиционные металлические материалы.
Композиционные металлические материалы, формируемые спеканием.
Дисперсно-упрочненные материалы на металлической матрице.
Композиционные материалы на металлической матрице.
Лекция № 2
Слоистые армированные пластики
Текстолиты – материалы, формируемые из слоёв ткани, пропитанной термореактивной синтетической смолой.
Дублированные пластики – слоистые материалы, состоящие из листов полиэтилена, полипропилена и других термопластов, соединённых подслоем на основе ткани, химически стойкой резины, нетканых волокнистых материалов и т.п.
Линолеум – полимерный рулонный материал для покрытия полов – представляет собой многослойный или на тканевой основе КПМ, содержащий алкидные смолы, полвинилхлорид, синтетические каучуки и другие полимеры.
Гетинакс – слоистый пластик на основе бумаги, пропитанной термореактивной синтетической смолой.
Металлопласт – конструкционный материал, состоящий из металлического листа, снабженного с одной или двух сторон полимерным покрытием из полиэтилена, фторопласта или поливинилхлорида.
Древесно-слоистые пластики – материалы, получаемые «горячим» прессованием заготовок из древесины (шпона), пропитанных синтетическими термореактивными смолами.
Тема: « КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕ»
Номенклатуру КММ делят на три основные группы:1) дисперсно-упрочненные материалы, армированные частицами, в том числе псевдосплавы, полученные методом порошковой металлургии; 2) эвтектические композиционные материалы – сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур; 3) волокнистые материалы, армированные дискретными или непрерывными волокнами.
Дисперсно-упрочненные материалы
Если в металлической матрице КММ распределены частицы упрочняющей фазы размером 1…100 нм, занимающие 1…15% объема композита, матрица воспринимает основную часть механической нагрузки, приложенной к КММ, а роль частиц сводится к созданию эффективного сопротивления перемещению дислокаций в материале матрицы. Такие КММ характеризуются повышенной температурной стабильностью, вследствие чего их прочность практически не снижается вплоть до температур (0,7…0,8) Т пл, где Т пл – температура плавления матрицы. Материалы этого типа подразделяют на две группы: материалы, формируемые спеканием, и псевдоматериалы.
М а т е р и а л ы, ф о р м и р у е м ы е с п е к а н и е м, содержат мелкодисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений, а также интерметаллидов, которые при формировании КММ не плавятся и не растворяются в матрице. Технология формирования изделий из таких КММ относится к области порошковой металлургии и включает операции получения порошковых смесей, их прессования в форме, спекания полученных полуфабрикатов, деформирования и термообработки заготовок.
Материалы на матрице из алюминия . Нашедшие применение КМ с алюминиевой матрицей в основном армируют стальной проволокой, борными и углеродными волокнами В качестве матрицы используют как технический алюминий (например, АД1), так и сплавы (В95, Д20 и др.).
Дисперсно – упрочненные стали содержат в качестве упрочняющих компонентов оксиды: Аl 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 и др
КММ на матрице из кобальта в качестве дисперсной добавки содержат оксид тория, на матрице из магния – собственные оксиды.
Материалы на основе меди , упрочненные оксидами, карбидами, нитридами, приобретают жаростойкость, которая сочетается с высокой электропроводностью медной матрицы. Такие КММ используются для изготовления электрических контактов, электродов для роликовой сварки, инструментов для искровой обработки и т.д.
КММ на основе никеля , наполненные оксидом тория и оксидом гафния, предназначены для работы при температурах выше 1000 о С и используются в авиастроении, энергомашиностроении, в космической технике.
П с е в д о с п л а в – дисперсно-упрочненные КММ, состоящие из металлических и металлоподобных фаз, не образующих растворы и не вступающих в химические соединения. Технология формирования псевдосплавов относится к области порошковой металлургии. Заключительными операциями получения псевдосплавов является пропитка либо жидкофазное спекание формовок.
Пропитка заключается в заполнении пор формовки или спеченной заготовки из тугоплавкого компонента расплавом легкоплавкого компонента псевдосплава. Пропитку осуществляют, погружая пористую заготовку в расплав.
Номенклатура псевдосплавов включает преимущественно материалы триботехнического назначения.
Псевдосплавы на основе вольфрама W – Cu и W – Ag сочетают высокую твердость, прочность и электропроводность. Они применяются для изготовления электрических контактов. Такое же назначение имеют псевдосплавы на основе молибдена (Мо – Cu) и никеля (Ni – Ag) и др.
Э в т е к т и ч е с к и е КММ – сплавы эвтектического или близкого к нему состава, в которых армирующей фазой служат ориентированные волокнистые или пластинчатые кристаллы, образовавшиеся в процессе направленной кристаллизации металлической матрицы.
Технология формирования эвтектических КММ состоит в том, что образец вытягивают из расплава с постоянной скоростью, подвергая его непрерывному охлаждению. Форма фронта кристаллизации зависит от скорости вытяжки и условий теплообмена, регулируемых с помощью элементов конструкции кристаллизатора.
В о л о к н и с т ы е м а т е р и л ы. Технология формирования волокнистых КММ включает методы прессования, прокатки, совместной вытяжки, экструзии, сварки, напыления или осаждения, а также пропитки.
«Горячим» прессованием (прессованием с нагревом) получают КММ, исходным материалом матрицы которых служат порошки, фольги, ленты, листы и другие металлические полуфабрикаты. Их и армирующие элементы (проволоку, керамические, угольные или другие волокна) в определенном порядке укладывают на плиту пресса или в форму а затем прессуют при нагревании на воздухе или в инертной атмосфере.
Методом прокатки перерабатывают те же компоненты, что и прессованием.
Метод совместной вытяжки заключается в следующем. В заготовке из матричного металла высверливают отверстия, в которые вставляют армирующие прутки или проволоку. Заготовку нагревают и производят ее обжатие и волочение, которое завершают отжигом.
Методом экструзии изготавливают изделия в виде прутков или труб, армированных непрерывными и дискретными волокнами. Исходным материалом матрицы являются металлические порошки,
Н о м е н к л а т у р а волокнистых КММ включает множество материалов на матрицах из алюминия, магния, титана, меди, никеля, кобальта и др.