КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ

6.КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ.

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы полимерной, керамической или другой, упрочнённой высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тугоплавкими тонкодисперсными частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперстно-упрочненные материалы).

Диапазон применения композиционных материалов (композитов) чрезвычайно широк: от деталей бытовой техники до конструкций современных авиалайнеров и космических кораблей. Они находят всё большее применение в атомной энергетике, машиностроении и судостроении.

6.1.Волокнистые композиционные материалы.

Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные с l / d ≈ 10…10³ , где l – длина волокна, d – диаметр волокна и с непрерывным волокном, в которых l / d → ∞. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон 0.1…100 мкм.

Часто композит представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Нередко волокна сплетаются в трёхмерные структуры.

Схемы армирования волокнистых композиционных материалов представлены на рисунке:

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями σв и σ-1 (на 50…100 %), модуля упругости (E), коэффициента жесткости (Е / ρ) и пониженной склонностью трещинообразованию. Применение композитов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Прочность композитов (волокнистых) определяется свойствами волокон: матрица должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы.

Один из примеров волокнистых композиционных материалов — композиционные материалы на основе алюминия, магния и их сплавы. Для упрочнения Al , Mg и их сплавов применяют борные (σв = 2500…3500 Мпа, Е = 380…420 Гпа) и углеродные (σв = 1400…3500 Мпа, Е = 160…450 Гпа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов). Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей. Для армирования Ti и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира (разновидность минерала корунда (Al_² O_³)); отличается синей или голубой окраской (примеси Ti , Fe). Драгоценный камень 1-ого класса. Синтетический сапфир ― лейкосапфир, карбиды Si, бориды Ti. Свойства некоторых волокнистых композиционных материалов приведены в таблице.

Металлические волокна используют и в тех случаях , когда требуются высокие тепло и электропроводность.

Перспективными упрочнителями для высокопрочных и волокнистых высокомодульных композитов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида Al , карбида и нитрида Si , карбида бора и др., имеющие σв = 15000…28000 Мпа и Е = 400…600 Гпа.

Таблица. Механические свойства некоторых композиционных материалов.

Материал	σ_b,Мпа		Е, Гпа
В–Al: (ВКА-1А)	1300	600	220
B-Mg: (ВКМ-1)	1300	500	220
Al – C: (ВКУ-1)	900	300	220
Al-сталь: (КАС-1А)	1700	350	110
Ni –W:(ВКН-1)	700	150	―

Композиты на металлической основе, обладая высокой прочностью (σв и σ-1 ) и жаропрочностью, в то же время малопластичные. Но волокна в них уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное хрупкое разрушение.

Основной недостаток композитов с одномерным и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву, чего лишены материалы с объемным армированием.

6.2.Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.

В отличие от волокнистых композитов, в дисперсно-упрочненных материалах, матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят в ней движение дислокации, то есть являющиеся ее упрочняющей фазой. Высокая прочность достигается при размере частиц 10…500 нм при среднем расстоянии между частицами 100…500 нм и равномерном их распределении в матрице. Оптимальное содержание 2 фазы для различных материалов неодинаково, но обычно не превышает 5…10 % (об.).

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, индия) сложные соединения оксидов и РЗМ), не растворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0.9…0.95 Т_пх. Поэтому такие материалы применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиты могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе Al – САП (спеченный алюминиевый порошок). САП состоит из Al и дисперсных чешуек Al₂O₃, тормозящих движение дислокации, повышающих прочность сплава. Содержание Al₂O₃ в САП колеблется от 6…9% (САП-1), до 13…18% (САП-3). Плотность этих материалов равна плотности Al; они не уступают ему по коррозийной стойкости; по длительности прочности они превосходят деформированные алюминиевые сплавы. САП-1: σв= 300 Мпа, δ= 8%. САП-3: σв= 400 Мпа, δ=3%.

Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе Ni с 2…3% (об.), диоксида тория (ThO₂) или диоксида гафния (HfO₂). Матрица этих сплавов ― γ- твёрдый раствор (Ni + 20% Cr), (Ni + 15% Mo), или (Ni + 20% Cr и Mo). Широкое распространение получили сплавы: ВДУ-1 (Ni, упрочнённый диоксидом тория), ВДУ-2 (Ni, упрочнённый диоксидом гафния) и ВДУ-3 (Ni + 20% Cr, упрочнённый оксидом тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью: при температуре 1200˚С сплав ВДУ-1 имеет σ₁₀₀≈ 75 Мпа (σ₁₀₀ – длительная прочность (характеризует склонность металла к разупрочнению при температуре = const. за длительное время испытания)) и σ₁₀₀₀≈65Мпа, а ВДУ-3 имеет σ₁₀₀≈ 65 Мпа.

Области применения композитов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д.); в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратоов, подвергающисхя нагреву, для элементов жесткости, панелей; в авто - для облегчения кузовов, рессор, рам, бамперов и т.д.; в горнодобывающей промышленности ― буровой инструмент, детали комбайнов и т.д.; в строительстве ─ пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и так далее.

Применение композитов ─ новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энерго - и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

6.3. Слоистые композиционные материалы

Это важнейший класс композитов, обладающих широким спектром и уникальным сочетанием таких ценных свойств, как высокая прочность, коррозионная стойкость, электро - и теплопроводность, жаропрочность, износостойкость и др. Сегодня эти материалы находят все большее применение в судо -, авто -, тракторостроении, приборостроении, металлургической, горнодобывающей, нефтяной и др. отраслях машиностроения. Из поли- и биметаллов изготавливают листы, ленты, трубки, проволоки, трубы, фасонные профили, детали и др. конструкции. Их использование позволяет существенно сократить расход высоколегированных сталей, дефицитных и дорогостоящих цветных металлов ( Ni, Cu, Cr, Mo и др.)

По функциональным признакам все производимые в настоящее время слоистые композиты подразделяются на следующие виды: коррозионностойкие, антифрикционные, электротехнические, инструментальные и др.

Изделия из слоистых композитов производятся различными методами: литья, литейного плакирования, прокатки, сварки и наплавки.

Для очень высоких температур, например в камерах сгорания реактивных двигателей, используются системы, содержащие молибденовую и вольфрамовую проволоку в матрицах из титана и суперсплавов. Наибольшей прочностью (σв= 2.2 Гпа) при температуре 1093ºС обладает проволока из сплава W―Re―Hf―C, что в 6 раз выше прочности никелевых или кобальтовых суперсплавов при такой же температуре.

Крупногабаритные биметаллические листы размерами 100×600 ÷ 1500 × 1800 ÷8000 мм пакетной прокаткой или литейным плакированием с последующей прокаткой. Основной слой ─ малоуглеродистых (углеродистых) и низколегированных сталей плакируется слоем (Cr-Ni) и Cr – сталей, сплавов на Ni- основе или цветных металлов.

Технология центробежного литья биметаллических заготовок (сталь 50Л+ 260Х28ВМ) втулок насосов буровых установок позволяет получить высококачественные детали, эксплуатационная стойкость которых в 2,5-3 раза выше серийных из стали 70.

Листовой коррозионностойкий биметалл находит применение в судостроении, пищевой промышленности и т.д.

Биметаллы, основной слой которых ─ конструкционная или низколегированная сталь, а плакирующий слой ― высоколегированная аустенитная сталь ─ применяется для изготовления сосудов атомных электростанций. Пример: сталь 22К+ стальО8Х18Н10Т.

Износостойкие биметаллы получают с помощью различных методов литья и др. жидко - и твердофазными способами. Непрерывная и полунепрерывная разливка ─ один из наиболее перспективных методов производства заготовок из слоистых износостойких композитов.

Трехслойная композиционная: сталь 60 + сталь 10 + сталь 60 получила применение для изготовления плугов с соотношением толщин 1:1:1. Ее изготовляют способом литейного плакирования: пластина основного металла подвергается травлению, а затем в изложницу производится заливка плакированного металла.

Дальнейшее увеличение стойкости литых биметаллических штампов возможно путем армирования. Оптимальное армирование нерасплавляемое вставками обеспечивает времени и изменения характера затвердевания штамповых заготовок, улучшает кристаллическую структуру, что снижает уровень напряжений по сечению штампа в процессе эксплуатации (ИПЛ и концерн Азовмаш). Армирование увеличивает ресурсы работ биметаллических штампов в 1,3-1,5 раза.

Методы армирования с последующей прокаткой армирующих заготовок, положены в основу технологии получения армированной квазимонолитной стали (АКМ).

Армированные вставки оказывают комлексное воздействие на формирование структуры слитка: как внутренние макрохолодильники способствуют увеличению скорости кристаллизации и развитию объемного затвердевания с образованием однородной дисперсной структуры; как вставки препятствуют развитию ликвационных процессов.

Многослойный лист, полученный из слитка с внутренними кристаллизаторами, при статистических нагрузках не отличается от обычного. Его можно без затруднений резать, варить, вальцевать и др. Особенности его внутреннего строения проявляются при динамических нагрузках.

Способность сталей АКМ проявлять свойства монометалла (при статистических нагрузках) и многослойного (при динамических нагрузках) позволяет рекомендовать ее для изготовления газопроводных труб. Для этих целей применяются малоперлитные стали типа 09Г2 с добавками Nb, V, Ti, Mo, Ni: 09Г2ФБ, 09Г2ОФ, 09Г2ОФ, 09Г2БТ и пр.

Сайт создан в системе uCoz