La charge en poudre est introduite dans la matrice du matériau composite afin de réaliser les propriétés inhérentes au matériau de charge dans les propriétés fonctionnelles du composite. Dans les composites en poudre, la matrice est principalement constituée de métaux et de polymères. Les composites en poudre à matrice polymère portent le nom "Plastiques".
Composites à matrice métallique
Composites avec matrice métallique. Les composites en poudre à matrice métallique sont obtenus par pressage à froid ou à chaud d'un mélange de poudres de matrice et de charge, suivi d'un frittage du produit semi-fini résultant dans un environnement inerte ou réducteur à des températures d'environ 0,75 T pl matrice métallique. Parfois, les processus de pressage et de frittage sont combinés. Technologie de production composites en poudre sont appelés "Métallurgie des poudres". La métallurgie des poudres est utilisée pour produire des cermets et des alliages aux propriétés particulières.
Cermets dits matériaux composites à matrice métallique, dont la charge sont des particules dispersées de céramiques, telles que des carbures, des oxydes, des borures, des siliciures, des nitrures, etc. Le cobalt, le nickel et le chrome sont principalement utilisés comme matrice. Les cermets combinent la dureté et la résistance à la chaleur et la résistance à la chaleur des céramiques avec la viscosité et la conductivité thermique élevées des métaux. Par conséquent, les cermets, contrairement à la céramique, sont moins cassants et sont capables de résister à de fortes chutes de température sans destruction.
Plus large application les cermets ont été obtenus dans la production d'outils de travail des métaux. Alliages durs en poudre sont appelés cermets à outils.
Les charges en poudre d'alliages durs sont des carbures ou des carbonitrures en une quantité de 80% ou plus. Selon le type de charge et le métal qui sert de matrice au composite, les alliages durs en poudre sont répartis en quatre groupes :
- 1) WC-Co - type de carbure simple BK ;
- 2) WC-TiC-Co - type TK à deux carbures,
- 3) WC-TiC-TaC-Co - type TTK à trois carbures ;
- 4) TiC et TiCN- (Ni + Mo) - alliages à base de carbure et carbonitrure de titane - sans tungstène de type TH et KNT.
alliages VK. Les alliages sont marqués des lettres VK et d'un nombre indiquant la teneur en cobalt. Par exemple, la composition de l'alliage VK6 est de 94 % WC et 6 % Co. La résistance à la chaleur des alliages VK est d'environ 900°C. Les alliages de ce groupe ont la résistance la plus élevée par rapport aux autres alliages durs.
alliages TK. Les alliages sont désignés par une combinaison de lettres et de chiffres. Le nombre après T indique la teneur en carbure de titane dans l'alliage, après K - cobalt. Par exemple, la composition de l'alliage T15K6 : TiC - 15 %, Co - 6 %, le reste, 79 % - WC. La dureté des alliages TK due à l'introduction d'un carbure de titane plus dur dans sa charge est supérieure à la dureté des alliages VK. Ils ont également un avantage de résistance à la chaleur - 1000 ° C, mais leur résistance est inférieure à teneur égale en cobalt.
Alliages TTK (TT7K12, TT8K, TT20K9). La désignation des alliages TTK est similaire à TK. Le chiffre après la deuxième lettre T indique la teneur totale en carbures TiC et TaC.
Avec une résistance thermique égale (1000 ° C), les alliages TTK surpassent les alliages TK avec la même teneur en cobalt à la fois en termes de dureté et de résistance. Le plus grand effet de l'alliage avec du carbure de tantale se manifeste sous des charges cycliques - la durée de vie en fatigue par impact augmente jusqu'à 25 fois. Par conséquent, les alliages contenant du tantale sont principalement utilisés pour des conditions de coupe sévères avec des charges de puissance et de température élevées.
Alliages TN, KNT. Ce sont des alliages durs sans tungstène (BHTS) à base de carbure de titane et de carbonitrure avec nickel-molybdène, pas de liant cobalt.
En termes de résistance à la chaleur, le BVTS est inférieur aux alliages contenant du tungstène, la résistance à la chaleur du BVTS ne dépasse pas 800 ° C. Leur résistance et leur module d'élasticité sont également plus faibles. La capacité calorifique et la conductivité thermique du BVTS sont inférieures à celles des alliages traditionnels.
Malgré la relative à bas prix, l'utilisation généralisée du BVTS pour la fabrication d'outils coupants est problématique. Il est plus judicieux d'utiliser des alliages sans tungstène pour la fabrication d'outils de mesure (blocs d'extrémité, calibres) et d'outils de dessin.
La matrice métallique est également utilisée pour lier une charge en poudre à base de diamant et de nitrure de bore cubique, qui sont collectivement appelés matériaux superdurs (STM). Matériaux composites avec la charge STM est utilisé comme outil de traitement.
Le choix de la matrice pour la charge de poudre de diamant est limité par la faible résistance thermique du diamant. La matrice doit fournir un régime thermochimique pour une liaison fiable des grains de remplissage de diamant, à l'exclusion de la combustion ou de la graphitisation du diamant. Les bronzes à l'étain sont les plus largement utilisés pour lier la charge diamantée. Une résistance thermique et une inertie chimique plus élevées du nitrure de bore permettent d'utiliser des liants à base de fer, de cobalt et d'alliage dur.
L'outil avec STM est fabriqué principalement sous la forme de cercles, dont le traitement est effectué en meulant la surface du matériau traité avec un cercle rotatif. Les meules abrasives à base de diamant et de nitrure de bore sont largement utilisées pour l'affûtage et la finition des outils de coupe.
Lorsque l'on compare les outils abrasifs à base de diamant et de nitrure de bore, il convient de noter que ces deux groupes ne sont pas en concurrence, mais ont leurs propres domaines d'utilisation rationnelle. Ceci est déterminé par les différences de leurs propriétés physiques, mécaniques et chimiques.
Les avantages du diamant en tant que matériau d'outillage par rapport au nitrure de bore incluent le fait que sa conductivité thermique est plus élevée et que le coefficient de dilatation thermique est plus faible. Cependant, le facteur déterminant est la capacité de diffusion élevée du diamant par rapport aux alliages à base de fer - aciers et fontes et, au contraire, l'inertie du nitrure de bore vis-à-vis de ces matériaux.
A haute température, une interaction de diffusion active du diamant avec des alliages à base de fer est observée. À des températures inférieures à os
L'aptitude d'un diamant dans l'air a des limites de température. Le diamant commence à s'oxyder à une vitesse notable à une température de 400 ° C. Avec plus hautes températures il brûle avec la libération de dioxyde de carbone. Cela limite également les capacités opérationnelles. outil diamanté par rapport à un outil à base de nitrure de bore cubique. Une oxydation notable du nitrure de bore dans l'air n'est observée qu'après une heure d'exposition à une température de 1200°C.
La limite de température de la performance du diamant dans un environnement inerte est limitée par sa transformation en une forme thermodynamiquement stable de carbone - graphite, qui commence lorsqu'elle est chauffée à 1000 ° C.
Un autre large domaine d'application des cermets est leur utilisation comme matériau structurel désignation à haute température pour les nouveaux objets technologiques.
Les propriétés de service des composites en poudre à matrice métallique sont principalement déterminées par les propriétés de la charge. Par conséquent, pour les matériaux composites en poudre avec une propriété particulière, la classification la plus courante est par domaine d'application.
Les matériaux composites sont constitués d'une matrice métallique (le plus souvent Al, Mg, Ni et leurs alliages), renforcée de fibres à haute résistance (matériaux fibreux) ou de particules réfractaires finement dispersées qui ne se dissolvent pas dans le métal de base (matériaux durcis par dispersion) . La matrice métallique lie les fibres (particules dispersées) en un seul ensemble. Fibre (particules dispersées) plus un liant (matrice) qui composent
Riz. 196. Schéma de la structure (a) et du renfort fibreux continu (b) des matériaux composites : 1 - matériau granulaire (durci par dispersion) (l / d = 1); 2 - matériau composite fibreux discret ; 3 - matériau composite fibreux continu; 4 - pose continue de fibres; 5 - pose bidimensionnelle de fibres; 6.7 - conditionnement en vrac de fibres
ou une autre composition, appelée matériaux composites (Fig. 196).
Matériaux composites fibreux. En figue. 196 montre les schémas de renforcement des matériaux composites fibreux. Les matériaux composites avec une charge fibreuse (durcisseur), selon le mécanisme d'action de renforcement, sont divisés en matériaux discrets, dans lesquels le rapport longueur de fibre/diamètre et avec fibre continue, dans lesquels des fibres discrètes sont situées de manière aléatoire dans la matrice. Le diamètre des fibres va de fractions à des centaines de micromètres. Plus le rapport longueur/diamètre de la fibre est élevé, plus le degré de durcissement est élevé.
Souvent, le matériau composite est une structure en couches dans laquelle chaque couche est renforcée par un grand nombre de fibres continues parallèles. Chaque couche peut également être renforcée avec des fibres continues tissées dans un tissu, qui est la forme d'origine, en largeur et en longueur correspondant au matériau final. Souvent, les fibres sont tissées en structures tridimensionnelles.
Les matériaux composites diffèrent des alliages conventionnels par des valeurs plus élevées de résistance à la traction et de limite d'endurance (de 50 à 100 %), de module d'élasticité, de coefficient de rigidité () et de tendance réduite à la formation de fissures. L'utilisation de matériaux composites augmente la rigidité de la structure tout en réduisant sa consommation de métal.
Tableau 44 (voir scan) Propriétés mécaniques des composites à base de métal
La résistance des matériaux composites (fibreux) est déterminée par les propriétés des fibres ; la matrice doit principalement redistribuer les contraintes entre les éléments de renforcement. Par conséquent, la résistance et le module d'élasticité des fibres doivent être significativement supérieurs à la résistance et au module d'élasticité de la matrice. Les fibres de renfort rigides absorbent les contraintes apparaissant dans la composition lors du chargement, lui confèrent résistance et rigidité dans le sens de l'orientation des fibres.
Les fibres de bore et de carbone, ainsi que les fibres de composés réfractaires (carbures, nitrures, borures et oxydes) à haute résistance et module d'élasticité sont utilisées pour renforcer l'aluminium, le magnésium et leurs alliages. Ainsi, les fibres de carbure de silicium d'un diamètre de 100 microns sont souvent utilisées comme fibres de fil d'acier à haute résistance.
Pour le renforcement du titane et de ses alliages, on utilise du fil de molybdène, des fibres de saphir, du carbure de silicium et du borure de titane.
Une augmentation de la résistance à la chaleur des alliages de nickel est obtenue en les renforçant avec du fil de tungstène ou de molybdène. Les fibres métalliques sont également utilisées dans les cas où une conductivité thermique et électrique élevée est requise. Les durcisseurs prometteurs pour les matériaux composites fibreux à haute résistance et à haut module sont les whiskers d'oxyde et de nitrure d'aluminium, le carbure et le nitrure de silicium, le carbure de bore, etc.
Tableau 44 montre les propriétés de certains composites fibreux.
Les matériaux composites à base de métal ont une résistance et une résistance à la chaleur élevées, tout en étant peu plastiques. Cependant, les fibres dans les composites réduisent la vitesse de propagation des fissures provenant de la matrice, et éliminent presque complètement les brusques
Riz. 197. Dépendance du module d'élasticité E (a) et de la résistance ultime (b) du matériau composite bore-aluminium le long (1) et en travers (2) de l'axe de renforcement sur la teneur volumétrique en fibre de bore
destruction fragile. Caractéristique distinctive Les matériaux composites fibreux uniaxiaux présentent une anisotropie des propriétés mécaniques le long et à travers les fibres et une faible sensibilité aux concentrateurs de contraintes.
En figue. 197 montre la dépendance et E du matériau composite bore-aluminium sur la teneur en fibre de bore le long de (1) et à travers l'axe de renforcement. Plus la teneur volumétrique en fibres est élevée, plus E et E le long de l'axe du renfort sont élevés. Cependant, il faut garder à l'esprit que la matrice ne peut transmettre des contraintes aux fibres que lorsqu'il existe une forte liaison à l'interface fibre-matrice de renfort. Pour éviter le contact entre les fibres, la matrice doit entourer complètement toutes les fibres, ce qui est obtenu avec une teneur d'au moins 15-20%.
La matrice et la fibre ne doivent pas interagir l'une avec l'autre (il ne doit pas y avoir de diffusion mutuelle) pendant la fabrication ou le fonctionnement, car cela peut conduire à une diminution de la résistance du matériau composite.
L'anisotropie des propriétés des matériaux composites fibreux est prise en compte lors de la conception des pièces pour optimiser les propriétés en faisant correspondre le champ de résistance avec 6 champs de contraintes.
Le renforcement des alliages d'aluminium, de magnésium et de titane avec des fibres réfractaires continues de bore, de carbure de silicium, de diborure de titane et d'oxyde d'aluminium augmente considérablement la résistance à la chaleur. Une caractéristique des matériaux composites est le faible taux de ramollissement dans le temps (Fig. 198, a) avec l'augmentation de la température.
Riz. 198. Résistance à long terme du matériau composite bore-aluminium contenant 50 % de fibres de bore par rapport à la résistance des alliages de titane (a) et résistance à long terme du matériau composite de nickel par rapport à la résistance des alliages durcissant par précipitation (b) : 1 - composite bore-aluminium; 2 - alliage de titane; 3 - matériau composite renforcé par dispersion; 4 - alliages à durcissement par dispersion
Le principal inconvénient des matériaux composites à renfort unidimensionnel et bidimensionnel est leur faible résistance au cisaillement intercalaire et à la rupture transversale. Les matériaux en renfort volumétrique sont dépourvus de cet inconvénient.
Matériaux composites renforcés par dispersion. Contrairement aux matériaux composites fibreux, dans les matériaux composites durcis par dispersion, la matrice est l'élément principal qui porte la charge et les particules dispersées inhibent le mouvement des dislocations. Une résistance élevée est obtenue avec une taille de particule de 10 à 500 nm avec une distance moyenne entre elles de 100 à 500 nm et leur distribution uniforme dans la matrice. La résistance mécanique et thermique, fonction du contenu volumétrique des phases de renforcement, n'obéit pas à la loi d'additivité. Le contenu optimal de la deuxième phase pour différents métaux n'est pas le même, mais ne dépasse généralement pas
L'utilisation comme phases de renforcement de composés réfractaires stables (oxydes de thorium, hafnium, yttrium, composés complexes d'oxydes et de métaux des terres rares), qui ne se dissolvent pas dans le métal de la matrice, permet de maintenir la résistance élevée du matériau jusqu'à. À cet égard, de tels matériaux sont souvent utilisés comme matériaux résistant à la chaleur. Les matériaux composites durcis par dispersion peuvent être obtenus à partir de la plupart des métaux et alliages utilisés en technologie.
Les alliages les plus utilisés à base d'aluminium - SAP (poudre d'aluminium frittée). SAP se compose d'aluminium et de flocons dispersés Les particules inhibent efficacement le mouvement des luxations et augmentent ainsi la résistance
alliage. La teneur en SAP varie de et à.Au fur et à mesure que la teneur augmente, elle augmente de 300 à pour et l'allongement, en conséquence, diminue de 8 à 3%. La densité de ces matériaux est égale à la densité de l'aluminium, ils ne lui sont pas inférieurs en termes de résistance à la corrosion et peuvent même remplacer le titane et les aciers résistants à la corrosion lorsqu'ils fonctionnent dans la plage de température.En résistance à long terme, ils sont supérieurs au forgé alliages d'aluminium. Résistance à long terme pour les alliages à est
Les matériaux durcis par dispersion de nickel ont de grandes perspectives. Alliages à base de nickel avec 2-3 vol. dioxyde de thorium ou dioxyde d'hafnium. La matrice de ces alliages est généralement une solution solide.Les alliages (nickel durci au dioxyde de thorium), (nickel durci au dioxyde d'hafnium) et (matrice durcie à l'oxyde de thorium) sont largement utilisés. Ces alliages ont une résistance élevée à la chaleur. À température, l'alliage a un alliage Les matériaux composites durcis par dispersion, ainsi que les matériaux fibreux, résistent au ramollissement avec l'augmentation de la température et de la durée d'exposition à une température donnée (voir Fig. 198).
Les domaines d'application des matériaux composites ne sont pas limités. Ils sont utilisés dans l'aviation pour les pièces d'avions fortement chargées (peaux, longerons, nervures, panneaux, etc.) et les moteurs (aubes de compresseur et de turbine, etc.), dans la technologie spatiale pour les unités de structures motrices de véhicules exposés à l'échauffement, pour les éléments rigidité, panneaux, dans l'industrie automobile pour alléger les carrosseries, ressorts, cadres, panneaux de carrosserie, pare-chocs, etc., dans l'industrie minière (outils de forage, pièces pour moissonneuses-batteuses, etc.), dans le génie civil (travées de ponts, éléments préfabriqués de haute -bâtiments élevés, etc.) et dans d'autres domaines de l'économie nationale.
L'utilisation de matériaux composites permet un nouveau saut qualitatif en augmentant la puissance des moteurs, des installations de puissance et de transport, et en réduisant le poids des machines et des appareils.
La technologie de fabrication de produits semi-finis et de produits à partir de matériaux composites est bien développée.
Les matériaux composites sont constitués d'une matrice métallique (le plus souvent Al, Mg, Ni et leurs alliages), renforcée de fibres à haute résistance (matériaux fibreux) ou de particules réfractaires finement dispersées qui ne se dissolvent pas dans le métal de base (matériaux durcis par dispersion) . La matrice métallique lie les fibres (particules dispersées) en un seul ensemble. Les fibres (particules dispersées) plus un liant (matrice) qui composent une composition particulière sont appelées matériaux composites.
Composites à matrice non métallique
Les matériaux composites à matrice non métallique sont largement utilisés. Des matériaux polymères, carbonés et céramiques sont utilisés comme matrices non métalliques. Parmi les matrices polymères, les plus répandues sont l'époxyde, le phénol-formaldéhyde et le polyamide.
Les matrices carbonisées ou pyrocarbonées sont réalisées à partir de polymères synthétiques soumis à une pyrolyse. La matrice lie la composition, lui donnant forme. Les renforts sont des fibres : verre, carbone, borique, organique, à base de cristaux filamenteux (oxydes, carbures, borures, nitrures et autres), ainsi que de métal (fils) à haute résistance et rigidité.
Les propriétés des matériaux composites dépendent de la composition des composants, de leur combinaison, du rapport quantitatif et de la force de liaison entre eux.
Les matériaux de renforcement peuvent se présenter sous la forme de fibres, de cordes, de fils, de rubans, de tissus multicouches.
La teneur en durcisseur dans les matériaux orientés est de 60 à 80 % en volume, dans les matériaux non orientés (avec fibres et trichites discrètes) - 20 à 30 % en volume. Plus la résistance et le module d'élasticité des fibres sont élevés, plus la résistance et la rigidité du matériau composite sont élevées. Les propriétés de la matrice déterminent la résistance au cisaillement et à la compression de la composition et la résistance à la rupture par fatigue.
Par type de durcisseur, les matériaux composites sont classés en fibre de verre, fibre de carbone avec fibre de carbone, fibre de bore et fibre organique.
Dans les matériaux stratifiés, les fibres, les fils, les rubans imprégnés d'un liant sont posés parallèlement les uns aux autres dans le plan de pose. Les couches plates sont rassemblées dans des plaques. Les propriétés sont obtenues anisotropes. Pour que le matériau travaille dans le produit, il est important de prendre en compte la direction des charges agissantes. Vous pouvez créer des matériaux avec des propriétés à la fois isotropes et anisotropes. Il est possible de poser les fibres sous différents angles en faisant varier les propriétés des composites. Les rigidités en flexion et en torsion du matériau dépendent de l'ordre d'empilement des couches le long de l'épaisseur de l'emballage.
L'empilement de durcisseurs à partir de trois, quatre brins ou plus est utilisé.
La structure de trois fils mutuellement perpendiculaires a la plus grande application. Les renforts peuvent être situés dans les directions axiale, radiale et circonférentielle.
Les matériaux tridimensionnels peuvent être de n'importe quelle épaisseur sous forme de blocs, de cylindres. Les tissus volumineux augmentent la résistance au pelage et au cisaillement par rapport aux tissus en couches. Le système à quatre brins est construit en dilatant le durcisseur le long des diagonales du cube. La structure de quatre brins est en équilibre, a augmenté la rigidité au cisaillement dans les plans principaux.
Cependant, créer quatre matériaux directionnels est plus difficile que créer trois matériaux directionnels.
DESCRIPTION GÉNÉRALE ET CLASSIFICATION
Les matériaux métalliques et non métalliques traditionnellement utilisés ont largement atteint leur limite de résistance structurelle. Dans le même temps, le développement de la technologie moderne nécessite la création de matériaux qui fonctionnent de manière fiable dans une combinaison complexe de champs de force et de température, lorsqu'ils sont exposés à des fluides agressifs, des rayonnements, un vide poussé et des pressions élevées. Souvent, les exigences relatives aux matériaux peuvent être contradictoires. Ce problème peut être résolu en utilisant des matériaux composites.
Matériau composite(CM) ou composite est appelé un système hétérogène en vrac constitué de composants mutuellement insolubles de propriétés très différentes, dont la structure permet d'utiliser les avantages de chacun d'eux.
L'homme a emprunté le principe de la construction du KM à la nature. Les matériaux composites typiques sont les troncs d'arbres, les tiges de plantes, les os humains et animaux.
Les CM permettent d'avoir une combinaison donnée de propriétés dissemblables : résistance et rigidité spécifiques élevées, résistance à la chaleur, résistance à l'usure, propriétés de protection thermique, etc. Le spectre des propriétés des CM ne peut pas être obtenu avec des matériaux conventionnels. Leur utilisation permet de créer des designs auparavant inaccessibles, fondamentalement nouveaux.
Grâce à CM, un nouveau saut qualitatif est devenu possible dans l'augmentation de la puissance des moteurs, la réduction de la masse des machines et des structures et l'augmentation de l'efficacité pondérale des véhicules et des véhicules aérospatiaux.
Les caractéristiques importantes des matériaux fonctionnant dans ces conditions sont la résistance spécifique w / ρ et la rigidité spécifique E/ ρ, où in - résistance temporaire, E est le module d'élasticité normale, est la densité du matériau.
En règle générale, les alliages à haute résistance ont une faible ductilité, une sensibilité élevée aux concentrateurs de contraintes et une résistance relativement faible à la propagation des fissures de fatigue. Bien que les matériaux composites puissent également avoir une faible ductilité, ils sont beaucoup moins sensibles aux concentrateurs de contraintes et résistent mieux à la rupture par fatigue. Cela est dû aux différents mécanismes de formation de fissures dans les aciers et alliages à haute résistance. Dans les aciers à haute résistance mécanique, une fissure, ayant atteint une taille critique, se développe à un rythme progressif.
Un mécanisme différent opère dans les composites. La fissure, se déplaçant dans la matrice, rencontre un obstacle à l'interface matrice-fibre. Les fibres inhibent le développement de fissures et leur présence dans la matrice plastique entraîne une augmentation de la ténacité à la rupture.
Ainsi, le système composite combine deux propriétés opposées requises pour les matériaux de structure - une résistance élevée due aux fibres à haute résistance et une ténacité à la rupture suffisante due à la matrice plastique et au mécanisme de dissipation de l'énergie de rupture.
Les CM sont constitués d'un matériau de base matriciel relativement plastique et de composants plus durs et plus résistants qui sont des charges. Les propriétés CM dépendent des propriétés de la base, des charges et de la force de liaison entre elles.
La matrice lie la composition en un monolithe, lui donne une forme et sert à transférer les charges externes au renfort constitué de charges. Selon le matériau de base, les CM se distinguent par une matrice métallique, ou des matériaux composites métalliques (MCM), avec des matériaux composites polymère - polymère (PCM) et avec des matériaux composites céramique - céramique (CMC).
Les charges, souvent appelées durcisseurs... Ils ont une résistance, une dureté et un module d'élasticité élevés. Par type de charges renforçantes, les CM sont subdivisées en renforcé à la dispersion,fibreux et en couches(fig. 28.2).
Riz. 28.2. Schémas structurels des matériaux composites : une) renforcé par la dispersion ; b) fibreux; v) en couches
De fines particules réfractaires uniformément réparties de carbures, oxydes, nitrures, etc., qui n'interagissent pas avec la matrice et ne s'y dissolvent pas jusqu'au point de fusion des phases, sont introduites artificiellement dans des CM renforcés par dispersion. Plus les particules de charge sont fines et plus la distance entre elles est petite, plus le CM est puissant. Contrairement au fibreux, dans les matériaux composites renforcés par dispersion, l'élément porteur principal est la matrice. L'ensemble des particules de charge dispersées renforce le matériau en raison de la résistance au mouvement de dislocation lors du chargement, ce qui complique la déformation plastique. Une résistance efficace au mouvement de dislocation est créée jusqu'à la température de fusion de la matrice, grâce à laquelle les CM renforcés par dispersion se distinguent par une résistance thermique élevée et une résistance au fluage.
Le renfort en CM fibreux peut être constitué de fibres de formes diverses : fils, rubans, mailles de tissages différents. Le renforcement du CM fibreux peut être réalisé selon un schéma uniaxial, biaxial et triaxial (Fig. 28.3, une).
La résistance et la rigidité de ces matériaux sont déterminées par les propriétés des fibres de renforcement qui supportent la charge principale. Le renforcement donne une plus grande augmentation de la résistance, mais le durcissement dispersé est technologiquement plus facile à mettre en œuvre.
Matériaux composites stratifiés (Fig.28.3, b) sont recrutés à partir de couches alternées de matériau de remplissage et de matrice (type "sandwich"). Les couches de remplissage dans de tels CM peuvent avoir des orientations différentes. L'utilisation alternative de couches de remplissage constituées de différents matériaux avec différentes propriétés mécaniques est possible. Les matériaux non métalliques sont généralement utilisés pour les compositions en couches.
Riz. 28.3. Schémas de renforcement pour les fibres ( une) et en couches ( b) matériaux composites
MATÉRIAUX COMPOSITES DISPERSÉS
Avec le durcissement dispersé, les particules bloquent les processus de glissement dans la matrice. L'efficacité du durcissement, soumise à une interaction minimale avec la matrice, dépend du type de particules, de leur concentration volumique, ainsi que de l'uniformité de la répartition dans la matrice. On utilise des particules dispersées de phases réfractaires telles que Al 2 O 3 , SiO 2 , BN, SiC, ayant une faible densité et un module d'élasticité élevé. CM est généralement obtenu par métallurgie des poudres, dont un avantage important est l'isotropie des propriétés dans diverses directions.
Dans l'industrie, des CM renforcés par dispersion sur des bases d'aluminium et, moins souvent, de nickel sont généralement utilisés. Des représentants typiques de ce type de matériaux composites sont des matériaux tels que SAP (poudre d'aluminium frittée), qui sont constitués d'une matrice d'aluminium renforcée par des particules dispersées d'oxyde d'aluminium. La poudre d'aluminium est obtenue par pulvérisation de métal en fusion, suivie d'un broyage dans des broyeurs à boulets jusqu'à une taille d'environ 1 micron en présence d'oxygène. Avec une augmentation de la durée de broyage, la poudre devient plus fine et sa teneur en oxyde d'aluminium augmente. Une autre technologie pour la production de produits et de produits semi-finis à partir de SAP comprend le pressage à froid, le pré-frittage, le pressage à chaud, le laminage ou l'extrusion d'une billette d'aluminium frittée sous la forme de produits finis pouvant être soumis à un traitement thermique supplémentaire.
Les alliages de type SAP se déforment de manière satisfaisante à chaud, et les alliages avec 6 à 9 % d'Al 2 O 3 - et à température ambiante... À partir d'eux, l'étirage à froid peut être utilisé pour obtenir une feuille d'une épaisseur allant jusqu'à 0,03 mm. Ces matériaux sont bien usinés et très résistants à la corrosion.
Les marques SAP utilisées en Russie contiennent de 6 à 23 % d'Al 2 O 3. Distinguer SAP-1 avec une teneur de 6-9, SAP-2 - avec 9-13, SAP-3 - avec 13-18% Al 2 O 3. Avec une augmentation de la concentration volumique d'oxyde d'aluminium, la résistance des matériaux composites augmente. A température ambiante, les caractéristiques de résistance du SAP-1 sont les suivantes : b = 280 MPa, 0,2 = 220 MPa ; SAP-3 sont les suivants : b = 420 MPa, 0,2 = 340 MPa.
Les matériaux de type SAP ont une résistance élevée à la chaleur et surpassent tous les alliages d'aluminium corroyés. Même à une température de 500 ° C, leur est d'au moins 60 à 110 MPa. La résistance à la chaleur s'explique par l'effet inhibiteur des particules dispersées sur le processus de recristallisation. Les caractéristiques de résistance des alliages de type SAP sont très stables. Les tests de résistance à long terme des alliages SAP-3 pendant 2 ans n'ont pratiquement eu aucun effet sur le niveau de propriétés à la fois à température ambiante et lorsqu'ils sont chauffés à 500 ° C. A 400°C, la résistance du SAP est 5 fois supérieure à la résistance des alliages d'aluminium vieillissants.
Les alliages SAP sont utilisés dans la technologie aéronautique pour la fabrication de pièces à haute résistance spécifique et résistance à la corrosion, fonctionnant à des températures allant jusqu'à 300-500 ° C. Ils sont utilisés pour fabriquer des tiges de piston, des aubes de compresseur, des carters d'éléments combustibles et des tubes d'échangeur de chaleur.
Par la méthode de la métallurgie des poudres, le CM est obtenu à partir de particules dispersées de carbure de silicium SiC. Le composé chimique SiC possède un certain nombre de propriétés positives : point de fusion élevé (supérieur à 2650°C), résistance élevée (environ 2000 MPa) et module d'élasticité (»450 GPa), faible densité (3200 kg/m3) et bonne résistance à la corrosion . La production de poudres abrasives de silicium est maîtrisée par l'industrie.
Des poudres d'alliage d'aluminium et de SiC sont mélangées, soumises à un compactage préalable sous basse pression, puis pressées à chaud dans des récipients en acier sous vide à la température de fusion de l'alliage matriciel, c'est-à-dire à l'état solide-liquide. La pièce résultante est soumise à une déformation secondaire afin d'obtenir des produits semi-finis de la forme et de la taille requises : tôles, tiges, profilés, etc.
Les matériaux composites sont constitués d'une matrice métallique(le plus souvent A1, Mg, Ni et leurs alliages), renforcé de fibres à haute résistance (matériaux fibreux) ou de fines particules réfractaires, ne se dissout pas dans le métal de base (matériaux durcis par dispersion). La matrice métallique lie les fibres (particules dispersées) en un seul ensemble. Fibre (particules dispersées) plus un liant (matrice) qui composent
Riz. un
1 - matériau granulaire (durci par dispersion) (l / j- JE): 2 - matériau composite fibreux discret ; 3 - matériau composite fibreux continu ; 4 - pose continue des fibres ; 5 - empilement bidimensionnel de fibres; 6,7 - conditionnement en vrac de fibres
ou une autre composition, a reçu le nom matériaux composites(fig. 196).
Matériaux composites fibreux.
En figue. 196 montre les schémas de renforcement des matériaux composites fibreux. Les matériaux composites avec une charge fibreuse (durcisseur), selon le mécanisme d'action de renforcement, sont divisés en matériaux discrets, dans lesquels le rapport de la longueur de la fibre au diamètre est l / d "10-tL03, et avec une fibre continue, en dont l / d = co. Des fibres discrètes sont situées au hasard dans la matrice. Le diamètre des fibres va de fractions à des centaines de micromètres. Plus le rapport longueur/diamètre de la fibre est élevé, plus le degré de durcissement est élevé.
Souvent, le matériau composite est une structure en couches dans laquelle chaque couche est renforcée par un grand nombre de fibres continues parallèles. Chaque couche peut également être renforcée avec des fibres continues tissées dans un tissu, qui est la forme d'origine, en largeur et en longueur correspondant au matériau final. Souvent, les fibres sont tissées en structures tridimensionnelles.
Les matériaux composites diffèrent des alliages conventionnels par des valeurs plus élevées de résistance à la traction ultime et de limite d'endurance (de 50 à 100 %), module d'élasticité, coefficient de rigidité (Ely) et une tendance réduite à la formation de fissures. L'utilisation de matériaux composites augmente la rigidité de la structure tout en réduisant sa consommation de métal.
Tableau 44
Propriétés mécaniques des matériaux composites à base de métal
La résistance des matériaux composites (fibreux) est déterminée par les propriétés des fibres ; la matrice doit principalement redistribuer les contraintes entre les éléments de renforcement. Par conséquent, la résistance et le module d'élasticité des fibres doivent être significativement supérieurs à la résistance et au module d'élasticité de la matrice. Les fibres de renfort rigides absorbent les contraintes apparaissant dans la composition lors du chargement, lui confèrent résistance et rigidité dans le sens de l'orientation des fibres.
Le bore est utilisé pour durcir l'aluminium, le magnésium et leurs alliages (environ b = 2500 - * - 3500 MPa, E = 38h-420 GPa) et carbone (st v = 1400-g-3500 MPa, E 160-450 GPa), ainsi que des fibres de composés réfractaires (carbures, nitrures, borures et oxydes) à haute résistance et module d'élasticité. Ainsi, les fibres de carbure de silicium d'un diamètre de 100 microns ont st b = 2500- * t3500 MPa, E= 450 GPa. Les fils d'acier à haute résistance sont souvent utilisés comme fibres.
Pour le renforcement du titane et de ses alliages, on utilise du fil de molybdène, des fibres de saphir, du carbure de silicium et du borure de titane.
Une augmentation de la résistance à la chaleur des alliages de nickel est obtenue en les renforçant avec du fil de tungstène ou de molybdène. Les fibres métalliques sont également utilisées dans les cas où une conductivité thermique et électrique élevée est requise. Les durcisseurs prometteurs pour les matériaux composites fibreux à haute résistance et à module élevé sont les whiskers d'oxyde et de nitrure d'aluminium, de carbure et de nitrure de silicium, de carbure de bore, etc., ayant un b = 15 000-g-28 000 MPa et E= 400 - * - 600 GPa.
Tableau 44 montre les propriétés de certains composites fibreux.
Les matériaux composites à base de métal ont une résistance élevée (st b, a_x) et une résistance à la chaleur, tout en étant peu plastiques. Cependant, les fibres dans les composites réduisent la vitesse de propagation des fissures provenant de la matrice, et éliminent presque complètement les brusques
Riz. 197. Dépendance du module d'élasticité E (a) et résistance ultime o dans (b) matériau composite bore-aluminium le long de (/) et à travers (2) axe de renforcement à partir de la teneur volumétrique en fibre de bore
destruction fragile. Une caractéristique distinctive des matériaux composites fibreux uniaxiaux est l'anisotropie des propriétés mécaniques le long et à travers les fibres et une faible sensibilité aux concentrateurs de contraintes.
En figue. 197 montre la dépendance a c et E matériau composite bore-aluminium à partir de la teneur en fibres de bore le long (/) et à travers ( 2 ) axe de ferraillage. Plus le contenu volumétrique de fibres est élevé, plus a b, a_ t et E le long de l'axe d'armature. Cependant, il faut garder à l'esprit que la matrice ne peut transmettre des contraintes aux fibres que lorsqu'il existe une forte liaison à l'interface fibre-matrice de renfort. Pour éviter le contact entre les fibres, la matrice doit entourer complètement toutes les fibres, ce qui est obtenu avec une teneur d'au moins 15-20%.
La matrice et la fibre ne doivent pas interagir l'une avec l'autre (il ne doit pas y avoir de diffusion mutuelle) pendant la fabrication ou le fonctionnement, car cela peut conduire à une diminution de la résistance du matériau composite.
L'anisotropie des propriétés des matériaux composites fibreux est prise en compte dans la conception des pièces pour optimiser les propriétés en faisant correspondre le champ de résistance aux champs de contraintes.
Le renforcement des alliages d'aluminium, de magnésium et de titane avec des fibres réfractaires continues de bore, de carbure de silicium, de diborure de titane et d'oxyde d'aluminium augmente considérablement la résistance à la chaleur. Une caractéristique des matériaux composites est le faible taux de ramollissement dans le temps (Fig. 198, une) avec l'augmentation de la température.
Riz. 198. Résistance à long terme du matériau composite bore-aluminium contenant 50 % de fibres de bore par rapport à la résistance des alliages de titane (a) et résistance à long terme du matériau composite de nickel par rapport à la résistance des alliages durcissant par précipitation (b) :
/ - composite bore-aluminium; 2 - alliage de titane; 3 - matériau composite renforcé à la dispersion ; 4 - alliages à durcissement par précipitation
Le principal inconvénient des composites à renfort unidimensionnel et bidimensionnel est leur faible résistance au cisaillement intercalaire et à la rupture transversale. Les matériaux en renfort volumétrique sont dépourvus de cet inconvénient.
- Les matrices polymères, céramiques et autres sont largement utilisées.