Bahan komposit dengan logam cair. Bahan komposit berbahan dasar logam

Pengisi bubuk dimasukkan ke dalam matriks material komposit untuk mewujudkan sifat yang melekat pada bahan pengisi dalam sifat fungsional komposit. Dalam komposit bubuk, matriksnya sebagian besar adalah logam dan polimer. Komposit bubuk dengan matriks polimer mempunyai nama "plastik".

Komposit Matriks Logam

Komposit dengan matriks logam. Komposit bubuk dengan matriks logam diproduksi dengan pengepresan dingin atau panas dari campuran matriks dan bubuk pengisi, diikuti dengan sintering produk setengah jadi yang dihasilkan dalam lingkungan inert atau reduksi pada suhu sekitar 0,75 T hal logam matriks. Terkadang proses pengepresan dan sintering digabungkan. Menerima teknologi komposit bubuk ditelepon “metalurgi serbuk”. Metode metalurgi serbuk digunakan untuk memproduksi sermet dan paduan dengan sifat khusus.

Kermet adalah bahan komposit dengan matriks logam, yang pengisinya adalah partikel keramik terdispersi, misalnya karbida, oksida, borida, silisida, nitrida, dll. Kobalt, nikel, dan kromium terutama digunakan sebagai matriks. Cermet menggabungkan kekerasan, ketahanan panas, dan ketahanan panas keramik dengan ketangguhan tinggi dan konduktivitas termal logam. Oleh karena itu, cermet, tidak seperti keramik, tidak terlalu rapuh dan dapat menahan perubahan suhu yang besar tanpa kerusakan.

Paling aplikasi yang luas Cermet diperoleh dalam produksi alat pengerjaan logam. Paduan keras berbentuk bubuk disebut cermet untuk tujuan instrumental.

Pengisi bubuk dari paduan keras adalah karbida atau karbonitrida dengan jumlah 80% atau lebih. Tergantung pada jenis pengisi dan logam yang berfungsi sebagai matriks komposit, paduan keras bubuk dibagi menjadi empat kelompok:

1) WC-Co - tipe B K karbida tunggal;
2) WC-TiC-Co - TK tipe dua karbida,
3) WC-TiC-TaC-Co - TTK tipe tiga karbida;
4) TiC dan TiCN-(Ni + Mo) - paduan berdasarkan titanium karbida dan karbonitrida - bebas tungsten tipe TN dan KNT.

Paduan VK. Paduan ditandai dengan huruf VK dan angka yang menunjukkan kandungan kobalt. Misalnya komposisi paduan VK6 adalah: 94% WC dan 6% Co. Ketahanan panas paduan VK adalah sekitar 900°C. Paduan golongan ini mempunyai kekuatan yang paling besar dibandingkan dengan paduan keras lainnya.

paduan TK. Paduan ditandai dengan kombinasi huruf dan angka. Angka setelah T menunjukkan kandungan titanium karbida dalam paduan, dan setelah K - kobalt. Misalnya komposisi paduan T15K6: TiC - 15%, Co - 6%, sisanya 79% WC. Kekerasan paduan TK, karena masuknya titanium karbida yang lebih keras ke dalam komposisi pengisinya, lebih besar daripada kekerasan paduan VK. Mereka juga memiliki keunggulan dalam ketahanan panas - 1000 ° C, tetapi kekuatannya dengan kandungan kobalt yang sama adalah lebih rendah.

Paduan TTK (TT7K12, TT8K, TT20K9). Penunjukan paduan TTK mirip dengan TK. Angka setelah huruf kedua T menunjukkan kandungan total karbida TiC dan TaC.

Dengan ketahanan panas yang sama (1000°C), paduan TTK lebih unggul daripada paduan TK dengan kandungan kobalt yang sama baik dalam kekerasan maupun kekuatan. Efek terbesar dari paduan dengan tantalum karbida muncul pada beban siklik - umur kelelahan akibat benturan meningkat hingga 25 kali lipat. Oleh karena itu, paduan yang mengandung tantalum digunakan terutama untuk kondisi pemotongan parah dengan beban daya dan suhu tinggi.

Paduan TN, KNT. Ini adalah paduan keras bebas tungsten (TBHS) berdasarkan titanium karbida dan karbonitrida dengan pengikat nikel-molibdenum, bukan pengikat kobalt.

Dalam hal ketahanan panas, BVTS lebih rendah daripada paduan yang mengandung tungsten; ketahanan panas BVTS tidak melebihi 800°C. Kekuatan dan modulus elastisitasnya juga lebih rendah. Kapasitas panas dan konduktivitas termal BHTS lebih rendah dibandingkan paduan tradisional.

Meskipun relatif biaya rendah, meluasnya penggunaan BVTS untuk pembuatan alat pemotong menimbulkan masalah. Sangat disarankan untuk menggunakan paduan bebas tungsten untuk pembuatan alat ukur (blok pengukur, pengukur) dan alat menggambar.

Matriks logam juga digunakan untuk mengikat pengisi bubuk yang terbuat dari berlian dan kubik boron nitrida, yang secara kolektif disebut “bahan superhard” (SHM). Bahan komposit dengan filler STM digunakan sebagai alat pengolah.

Pilihan matriks untuk pengisi bubuk berlian dibatasi oleh rendahnya ketahanan panas berlian. Matriks harus menyediakan rezim termokimia untuk pengikatan butiran pengisi intan yang andal, tidak termasuk pembakaran atau grafitisasi intan. Perunggu timah paling banyak digunakan untuk mengikat pengisi berlian. Ketahanan panas yang lebih tinggi dan kelembaman kimia boron nitrida memungkinkan penggunaan bahan pengikat berbahan dasar besi, kobalt, dan paduan keras.

Perkakas dengan STM dibuat terutama dalam bentuk lingkaran, yang pengolahannya dilakukan dengan cara menggiling permukaan bahan yang diolah dengan lingkaran yang berputar. Roda abrasif berbahan dasar intan dan boron nitrida banyak digunakan untuk mengasah dan menyelesaikan alat pemotong.

Saat membandingkan alat abrasif berbahan dasar intan dan boron nitrida, perlu dicatat bahwa kedua kelompok ini tidak bersaing satu sama lain, namun memiliki bidang penerapan rasionalnya masing-masing. Hal ini ditentukan oleh perbedaan sifat fisik, mekanik dan kimianya.

Keunggulan intan sebagai bahan perkakas dibandingkan boron nitrida antara lain konduktivitas termalnya lebih tinggi dan koefisien muai panasnya lebih rendah. Namun, faktor penentunya adalah kemampuan difusi intan yang tinggi dalam kaitannya dengan paduan berbahan dasar besi - baja dan besi tuang dan, sebaliknya, kelembaman boron nitrida terhadap bahan-bahan tersebut.

Pada suhu tinggi, interaksi difusi aktif antara berlian dan paduan berbasis besi diamati. Pada suhu di bawah

Penerapan berlian di udara memiliki batasan suhu. Berlian mulai teroksidasi dengan kecepatan yang nyata pada suhu 400°C. Dengan lebih banyak suhu tinggi ia terbakar untuk melepaskan karbon dioksida. Hal ini juga membatasi kemampuan operasional alat berlian dibandingkan dengan alat yang berbahan dasar kubik boron nitrida. Oksidasi boron nitrida yang nyata di udara hanya terlihat setelah pemaparan selama satu jam pada suhu 1200°C.

Batas suhu kinerja berlian dalam lingkungan inert dibatasi oleh transformasinya menjadi bentuk karbon - grafit yang stabil secara termodinamika, yang dimulai ketika dipanaskan hingga 1000°C.

Area penerapan cermet lainnya yang luas adalah penggunaannya sebagai bahan konstruksi aplikasi suhu tinggi untuk objek teknologi baru.

Sifat pelayanan komposit serbuk dengan matriks logam ditentukan terutama oleh sifat bahan pengisi. Oleh karena itu, untuk material komposit bubuk dengan sifat khusus, klasifikasi yang paling umum adalah berdasarkan area aplikasi.

Bahan komposit terdiri dari matriks logam (biasanya Al, Mg, Ni dan paduannya), diperkuat dengan serat berkekuatan tinggi (bahan berserat) atau partikel tahan api yang terdispersi halus yang tidak larut dalam logam dasar (bahan yang diperkuat dispersi). Matriks logam mengikat serat (partikel yang tersebar) menjadi satu kesatuan. Serat (partikel terdispersi) ditambah bahan pengikat (matriks) yang menyusunnya

Beras. 196. Diagram struktur (a) dan perkuatan dengan serat kontinu (b) dari material komposit: 1 - material granular (diperkuat dispersi) (l/d = 1); 2 - bahan komposit berserat diskrit; 3 - bahan komposit serat kontinu; 4 - peletakan serat terus menerus; 5 - peletakan serat dua dimensi; 6.7 - peletakan serat volumetrik

atau komposisi lain disebut material komposit (Gbr. 196).

Bahan komposit serat. Pada Gambar. 196 menunjukkan diagram perkuatan untuk material komposit berserat. Menurut mekanisme kerja penguatnya, material komposit dengan bahan pengisi berserat (reinforcer) dibagi menjadi diskrit, dimana perbandingan panjang serat terhadap diameter, dan dengan serat kontinu, dimana serat diskrit ditempatkan secara acak dalam matriks. Diameter serat berkisar dari pecahan hingga ratusan mikrometer. Semakin besar perbandingan panjang dan diameter serat maka semakin tinggi derajat penguatannya.

Seringkali material komposit merupakan struktur berlapis di mana setiap lapisan diperkuat dengan sejumlah besar serat kontinu paralel. Setiap lapisan juga dapat diperkuat dengan serat kontinu yang ditenun menjadi kain yang mewakili bentuk aslinya, sesuai dengan lebar dan panjang bahan akhir. Seringkali serat dijalin menjadi struktur tiga dimensi.

Bahan komposit berbeda dari paduan konvensional dalam nilai kekuatan tarik dan batas daya tahan yang lebih tinggi (sebesar 50-100%), modulus elastisitas, koefisien kekakuan () dan penurunan kerentanan terhadap retak. Penggunaan material komposit meningkatkan kekakuan struktur sekaligus mengurangi konsumsi logam.

Tabel 44 (lihat pindaian) Sifat mekanik material komposit berbasis logam

Kekuatan bahan komposit (berserat) ditentukan oleh sifat seratnya; matriks pada dasarnya harus mendistribusikan kembali tekanan-tekanan di antara elemen-elemen penguat. Oleh karena itu, kekuatan dan modulus elastisitas serat harus jauh lebih besar daripada kekuatan dan modulus elastisitas matriks. Serat penguat yang kaku menyerap tekanan yang timbul pada komposisi selama pembebanan, sehingga memberikan kekuatan dan kekakuan terhadap arah orientasi serat.

Untuk memperkuat aluminium, magnesium dan paduannya, digunakan serat boron dan karbon, serta serat dari senyawa tahan api (karbida, nitrida, borida dan oksida) yang memiliki kekuatan tinggi dan modulus elastisitas. Jadi, serat silikon karbida dengan diameter 100 mikron memiliki kabel baja berkekuatan tinggi yang sering digunakan sebagai serat.

Untuk memperkuat titanium dan paduannya, digunakan kawat molibdenum, serat safir, silikon karbida, dan titanium borida.

Peningkatan ketahanan panas paduan nikel dicapai dengan memperkuatnya dengan kawat tungsten atau molibdenum. Serat logam juga digunakan jika diperlukan konduktivitas termal dan listrik yang tinggi. Penguat yang menjanjikan untuk material komposit berserat berkekuatan tinggi dan modulus tinggi adalah kumis dari aluminium oksida dan nitrida, silikon karbida dan nitrida, boron karbida, dll., yang memiliki

Di meja 44 menunjukkan sifat-sifat beberapa material komposit berserat.

Material komposit berbahan dasar logam memiliki kekuatan dan ketahanan panas yang tinggi, namun memiliki plastisitas yang rendah. Namun, serat dalam material komposit mengurangi laju perambatan retakan nukleasi dalam matriks dan hampir sepenuhnya menghilangkan retakan yang tiba-tiba

Beras. 197. Ketergantungan modulus elastisitas E (a) dan kekuatan tarik (b) material komposit boron-aluminium sepanjang (1) dan melintasi (2) sumbu tulangan pada kandungan volumetrik serat boron

patah getas. Ciri khas Bahan komposit berserat uniaksial dicirikan oleh sifat mekanik anisotropi di sepanjang dan melintasi serat dan sensitivitas rendah terhadap konsentrator tegangan.

Pada Gambar. Gambar 197 menunjukkan ketergantungan dan E material komposit boron-aluminium terhadap kandungan serat boron sepanjang (1) dan melintasi sumbu tulangan. Semakin tinggi kandungan volumetrik serat, semakin tinggi E sepanjang sumbu tulangan. Namun, harus diperhitungkan bahwa matriks dapat meneruskan tegangan ke serat hanya jika terdapat ikatan yang kuat pada antarmuka penguat serat-matriks. Untuk mencegah kontak antar serat, matriks harus mengelilingi seluruh serat sepenuhnya, yang dicapai bila kandungannya minimal 15-20%.

Matriks dan serat tidak boleh berinteraksi satu sama lain (tidak boleh ada difusi timbal balik) selama pembuatan atau pengoperasian, karena hal ini dapat menyebabkan penurunan kekuatan material komposit.

Anisotropi sifat material komposit serat diperhitungkan saat merancang bagian untuk mengoptimalkan sifat dengan mencocokkan medan resistansi dengan 6 medan tegangan.

Penguatan paduan aluminium, magnesium dan titanium dengan serat tahan api terus menerus dari boron, silikon karbida, titanium diborida dan aluminium oksida secara signifikan meningkatkan ketahanan panas. Ciri material komposit adalah rendahnya tingkat pelunakan seiring waktu (Gbr. 198, a) dengan meningkatnya suhu.

Beras. 198. Kekuatan jangka panjang material komposit boron-aluminium yang mengandung 50% serat boron, dibandingkan dengan kekuatan paduan titanium (a) dan kekuatan jangka panjang material komposit nikel dibandingkan dengan kekuatan paduan pengerasan dispersi (b ): 1 - komposit boron-aluminium; 2 - paduan titanium; 3 - material komposit yang diperkuat dispersi; 4 - paduan pengerasan presipitasi

Kerugian utama material komposit dengan tulangan satu dan dua dimensi adalah rendahnya ketahanan terhadap geser antarlapis dan keruntuhan melintang. Bahan dengan tulangan volumetrik tidak memiliki kelemahan ini.

Material komposit yang diperkuat dispersi. Berbeda dengan material komposit berserat, pada material komposit perkuatan dispersi, matriks merupakan elemen penahan beban utama, dan partikel terdispersi menghambat pergerakan dislokasi di dalamnya. Kekuatan tinggi dicapai dengan ukuran partikel 10-500 nm dengan jarak rata-rata antara 100-500 nm dan distribusi seragam dalam matriks. Kekuatan dan ketahanan panas, tergantung pada kandungan volumetrik fase penguatan, tidak mematuhi hukum aditif. Kandungan optimal fase kedua bervariasi untuk logam yang berbeda, namun biasanya tidak melebihi

Penggunaan senyawa tahan api yang stabil (oksida thorium, hafnium, yttrium, senyawa kompleks oksida dan logam tanah jarang) yang tidak larut dalam logam matriks sebagai fase penguatan memungkinkan mempertahankan kekuatan material yang tinggi hingga . Dalam hal ini, bahan seperti itu sering digunakan karena tahan panas. Material komposit yang diperkuat dispersi dapat diperoleh berdasarkan sebagian besar logam dan paduan yang digunakan dalam teknologi.

Paduan berbahan dasar aluminium yang paling banyak digunakan adalah SAP (sintered aluminium powder). SAP terdiri dari aluminium dan serpihan terdispersi. Partikel-partikel tersebut secara efektif menghambat pergerakan dislokasi sehingga meningkatkan kekuatan

paduan Konten dalam SAP bervariasi dari dan ke Dengan peningkatan konten, konten meningkat dari 300 ke ke dan perpanjangan relatif menurun dari 8 menjadi 3%. Kepadatan bahan-bahan ini sama dengan kepadatan aluminium, mereka tidak kalah dengan ketahanan korosi dan bahkan dapat menggantikan titanium dan baja tahan korosi ketika beroperasi dalam kisaran suhu. lebih unggul dari paduan aluminium tempa. Kekuatan jangka panjang untuk paduan di adalah

Bahan yang diperkuat dispersi nikel memiliki prospek yang bagus. Paduan berbahan dasar nikel dengan 2-3 vol memiliki ketahanan panas tertinggi. torium dioksida atau hafnium dioksida. Matriks paduan ini biasanya berupa larutan padat. Paduan (nikel, diperkuat dengan torium dioksida), (nikel, diperkuat dengan hafnium dioksida) dan (matriks, diperkuat dengan torium oksida) banyak digunakan. Paduan ini memiliki ketahanan panas yang tinggi. Pada suhu, paduan memiliki paduan.Material komposit yang diperkuat dispersi, seperti bahan berserat, tahan terhadap pelunakan seiring dengan meningkatnya suhu dan durasi pemaparan pada suhu tertentu (lihat Gambar 198).

Area penerapan material komposit tidak terbatas. Mereka digunakan dalam penerbangan untuk bagian-bagian pesawat dengan muatan tinggi (kulit, spar, rusuk, panel, dll.) dan mesin (bilah kompresor dan turbin, dll.), dalam teknologi luar angkasa untuk struktur daya perangkat yang terkena pemanasan, untuk elemen pengaku, panel, dalam industri otomotif untuk meringankan bodi, pegas, rangka, panel bodi, bemper, dll., dalam industri pertambangan (alat pengeboran, suku cadang gabungan, dll.), dalam teknik sipil (bentang jembatan, elemen struktur prefabrikasi tinggi -bangunan bertingkat, dll) dan di bidang perekonomian nasional lainnya.

Penggunaan material komposit memberikan lompatan kualitatif baru dalam meningkatkan tenaga mesin, instalasi tenaga dan transportasi, serta mengurangi bobot mesin dan perangkat.

Teknologi produksi produk setengah jadi dan produk dari material komposit sudah cukup berkembang.

Bahan komposit dengan matriks non-logam

Bahan komposit dengan matriks non-logam telah banyak digunakan. Bahan polimer, karbon dan keramik digunakan sebagai matriks non-logam. Matriks polimer yang paling banyak digunakan adalah epoksi, fenol-formaldehida, dan poliamida.

Matriks karbon kokas atau pirokarbon diperoleh dari polimer sintetik yang mengalami pirolisis. Matriks mengikat komposisi, memberinya bentuk. Penguatnya adalah serat: kaca, karbon, boron, organik, berbahan dasar kristal kumis (oksida, karbida, borida, nitrida, dan lain-lain), serta logam (kabel), yang memiliki kekuatan dan kekakuan tinggi.

Sifat-sifat material komposit bergantung pada komposisi komponen, kombinasinya, rasio kuantitatif dan kekuatan ikatan antar komponen.

Bahan penguat dapat berupa serat, helai, benang, pita, kain berlapis-lapis.

Kandungan pengeras pada bahan berorientasi adalah 60-80 vol.%, pada bahan non-orientasi (dengan serat dan kumis diskrit) - 20-30 vol.%. Semakin tinggi kekuatan dan modulus elastisitas serat maka semakin tinggi pula kekuatan dan kekakuan material komposit tersebut. Sifat-sifat matriks menentukan kekuatan geser dan tekan komposisi serta ketahanan terhadap kegagalan lelah.

Berdasarkan jenis perkuatannya, material komposit diklasifikasikan menjadi serat kaca, serat karbon dengan serat karbon, serat boron dan serat organofiber.

Pada bahan berlapis, serat, benang, pita yang diresapi dengan bahan pengikat diletakkan sejajar satu sama lain pada bidang peletakan. Lapisan datar dirangkai menjadi pelat. Sifatnya anisotropik. Agar material dapat bekerja pada suatu produk, penting untuk memperhitungkan arah beban kerja. Dimungkinkan untuk membuat bahan dengan sifat isotropik dan anisotropik. Serat dapat diletakkan pada sudut yang berbeda, memvariasikan sifat material komposit. Kekakuan lentur dan torsional material bergantung pada urutan peletakan lapisan pada ketebalan bungkusan.

Penguat dari tiga, empat atau lebih benang digunakan.

Struktur yang paling banyak digunakan adalah struktur tiga benang yang saling tegak lurus. Penguat dapat ditempatkan pada arah aksial, radial, dan melingkar.

Bahan tiga dimensi dapat memiliki ketebalan berapa pun dalam bentuk balok atau silinder. Kain berukuran besar meningkatkan kekuatan kupas dan kekuatan geser dibandingkan dengan kain laminasi. Sebuah sistem empat benang dibangun dengan menguraikan tulangan sepanjang diagonal kubus. Struktur empat ulir adalah keseimbangan dan telah meningkatkan kekakuan geser pada bidang utama.

Namun, membuat material empat arah lebih sulit daripada membuat material tiga arah.

KARAKTERISTIK DAN KLASIFIKASI UMUM

Bahan logam dan non-logam yang digunakan secara tradisional sebagian besar telah mencapai batas kekuatan strukturalnya. Pada saat yang sama, perkembangan teknologi modern membutuhkan penciptaan bahan yang dapat bekerja dengan andal dalam kombinasi kompleks medan gaya dan suhu, ketika terkena lingkungan agresif, radiasi, vakum tinggi, dan tekanan tinggi. Seringkali persyaratan bahan bisa saling bertentangan. Masalah ini dapat diatasi dengan menggunakan material komposit.

Bahan komposit(CM) atau komposit adalah sistem heterogen tiga dimensi yang terdiri dari komponen-komponen yang saling tidak dapat larut yang sifatnya sangat berbeda, strukturnya memungkinkan seseorang untuk memanfaatkan keunggulan masing-masing komponen tersebut.

Manusia meminjam prinsip membangun CM dari alam. Bahan komposit yang khas adalah batang pohon, batang tumbuhan, tulang manusia dan hewan.

CM memungkinkan Anda memiliki kombinasi sifat heterogen tertentu: kekuatan dan kekakuan spesifik yang tinggi, ketahanan panas, ketahanan aus, sifat pelindung panas, dll. Kisaran sifat CM tidak dapat diperoleh dengan menggunakan bahan konvensional. Penggunaannya memungkinkan terciptanya desain baru yang sebelumnya tidak dapat diakses.

Berkat CM, lompatan kualitatif baru menjadi mungkin dalam meningkatkan tenaga mesin, mengurangi bobot mesin dan struktur, serta meningkatkan efisiensi bobot kendaraan dan kendaraan luar angkasa.

Karakteristik penting dari bahan yang beroperasi pada kondisi ini adalah kekuatan spesifik σ dalam /ρ dan kekakuan spesifik E/ρ, dimana σ in adalah resistansi sementara, E- modulus elastisitas normal, ρ – kepadatan bahan.

Paduan berkekuatan tinggi, pada umumnya, memiliki keuletan yang rendah, sensitivitas yang tinggi terhadap konsentrator tegangan, dan ketahanan yang relatif rendah terhadap perkembangan retak lelah. Meskipun material komposit juga memiliki keuletan yang rendah, material tersebut kurang sensitif terhadap pemicu tegangan dan lebih tahan terhadap kegagalan lelah. Hal ini dijelaskan oleh mekanisme pembentukan retakan yang berbeda pada baja dan paduan berkekuatan tinggi. Pada baja berkekuatan tinggi, retakan, setelah mencapai ukuran kritis, kemudian berkembang dengan kecepatan yang progresif.

Mekanisme berbeda berlaku pada material komposit. Sebuah retakan, yang bergerak di dalam matriks, menemui hambatan pada antarmuka serat-matriks. Serat menghambat perkembangan retakan, dan kehadirannya dalam matriks plastik menyebabkan peningkatan ketangguhan patah.

Dengan demikian, sistem komposit menggabungkan dua sifat berlawanan yang diperlukan untuk bahan struktural - kekuatan tinggi karena serat berkekuatan tinggi dan ketangguhan patah yang cukup karena matriks plastik dan mekanisme disipasi energi patah.

CM terdiri dari bahan dasar matriks yang relatif plastis dan komponen yang lebih keras dan tahan lama, yaitu bahan pengisi. Sifat CM bergantung pada sifat basa, bahan pengisi dan kekuatan ikatan antar keduanya.

Matriks mengikat komposisi menjadi monolit, memberinya bentuk dan berfungsi untuk mentransfer beban eksternal ke penguat pengisi. Tergantung pada bahan dasarnya, CM dibedakan dengan matriks logam, atau bahan komposit logam (MCM), dengan bahan komposit polimer - polimer (PCM) dan dengan bahan komposit keramik - keramik (CCM).

Peran utama dalam memperkuat CM dimainkan oleh pengisi, yang sering disebut penguat. Mereka memiliki kekuatan, kekerasan, dan modulus elastisitas yang tinggi. Berdasarkan jenis bahan pengisi penguatnya, CM dibedakan menjadi dispersi menguat,berserat Dan berlapis(Gbr. 28.2).

Beras. 28.2. Skema struktur material komposit: A) penyebaran menguat; B) berserat; V) berlapis

Partikel tahan api kecil yang terdistribusi secara merata dari karbida, oksida, nitrida, dll. dimasukkan secara artifisial ke dalam CM yang diperkuat dispersi, yang tidak berinteraksi dengan matriks dan tidak larut di dalamnya hingga suhu leleh fase. Semakin kecil partikel pengisi dan semakin kecil jarak antar partikel, semakin kuat CM. Berbeda dengan CM berserat, dalam CM yang diperkuat dispersi, elemen penahan beban utama adalah matriks. Kumpulan partikel pengisi yang terdispersi memperkuat material dengan menahan pergerakan dislokasi akibat pembebanan, yang membuat deformasi plastis menjadi sulit. Resistensi efektif terhadap pergerakan dislokasi tercipta hingga suhu leleh matriks, yang menyebabkan CM yang diperkuat dispersi dibedakan oleh ketahanan panas yang tinggi dan ketahanan mulur.

Penguat pada material komposit berserat dapat berupa serat dengan berbagai bentuk: benang, pita, jaring dengan tenunan berbeda. Penguatan CM berserat dapat dilakukan menurut skema uniaksial, biaksial, dan triaksial (Gbr. 28.3, A).

Kekuatan dan kekakuan bahan tersebut ditentukan oleh sifat serat penguat yang memikul beban utama. Penguatan memberikan peningkatan kekuatan yang lebih besar, namun penguatan dispersi secara teknologi lebih mudah diterapkan.

Material komposit berlapis (Gbr. 28.3, B) terdiri dari lapisan bahan pengisi dan matriks yang berselang-seling (tipe "sandwich"). Lapisan pengisi pada CM tersebut dapat memiliki orientasi yang berbeda. Dimungkinkan untuk menggunakan lapisan pengisi secara bergantian yang terbuat dari bahan berbeda dengan sifat mekanik berbeda. Untuk komposisi berlapis biasanya digunakan bahan nonlogam.

Beras. 28.3. Skema penguatan serat ( A) dan berlapis ( B) bahan komposit

BAHAN KOMPOSIT YANG DISPERSE-RESTROENED

Selama penguatan dispersi, partikel menghalangi proses geser dalam matriks. Efektivitas pengerasan, dengan interaksi minimal dengan matriks, bergantung pada jenis partikel, konsentrasi volumenya, dan keseragaman distribusi dalam matriks. Partikel fase tahan api yang terdispersi seperti Al 2 O 3, SiO 2, BN, SiC, yang memiliki kepadatan rendah dan modulus elastisitas tinggi, digunakan. CM biasanya diproduksi dengan metalurgi serbuk, keuntungan penting di antaranya adalah isotropi sifat dalam arah yang berbeda.

Dalam industri, CM yang diperkuat dispersi biasanya digunakan pada bahan dasar aluminium dan, lebih jarang, pada bahan dasar nikel. Perwakilan khas dari jenis material komposit ini adalah material seperti SAP (bubuk aluminium sinter), yang terdiri dari matriks aluminium yang diperkuat oleh partikel aluminium oksida yang tersebar. Serbuk aluminium diperoleh dengan menyemprotkan logam cair, diikuti dengan penggilingan di ball mill hingga ukuran sekitar 1 mikron dengan adanya oksigen. Dengan bertambahnya waktu penggilingan, bubuk menjadi lebih halus dan kandungan aluminium oksidanya meningkat. Teknologi lebih lanjut untuk produksi produk dan produk setengah jadi dari SAP mencakup pengepresan dingin, pra-sintering, pengepresan panas, penggulungan atau ekstrusi billet aluminium yang disinter dalam bentuk produk jadi yang dapat dikenakan perlakuan panas tambahan.

Paduan tipe SAP mengalami deformasi yang memuaskan dalam keadaan panas, dan paduan dengan 6–9% Al 2 O 3 - bahkan pada suhu suhu kamar. Dari jumlah tersebut, gambar dingin dapat digunakan untuk menghasilkan foil dengan ketebalan hingga 0,03 mm. Bahan-bahan ini mudah dipotong dan memiliki ketahanan korosi yang tinggi.

Nilai SAP yang digunakan di Rusia mengandung 6–23% Al 2 O 3 . Ada SAP-1 dengan kandungan 6–9, SAP-2 dengan 9–13, SAP-3 dengan 13–18% Al 2 O 3. Dengan meningkatnya konsentrasi volume aluminium oksida, kekuatan material komposit meningkat. Pada suhu ruangan, karakteristik kekuatan SAP-1 adalah sebagai berikut: σ in = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 adalah sebagai berikut : σ in = 420 MPa, σ 0,2 = 340 MPa.

Bahan seperti SAP memiliki ketahanan panas yang tinggi dan lebih unggul dari semua paduan aluminium tempa. Bahkan pada suhu 500 °C σ-nya setidaknya 60–110 MPa. Ketahanan panas disebabkan oleh efek penghambatan partikel terdispersi pada proses rekristalisasi. Karakteristik kekuatan paduan tipe SAP sangat stabil. Uji kekuatan jangka panjang paduan tipe SAP-3 selama 2 tahun hampir tidak berpengaruh terhadap tingkat sifat baik pada suhu kamar maupun saat dipanaskan hingga 500 °C. Pada suhu 400 °C, kekuatan SAP 5 kali lebih tinggi dibandingkan kekuatan paduan aluminium yang menua.

Paduan tipe SAP digunakan dalam teknologi penerbangan untuk pembuatan suku cadang dengan kekuatan spesifik tinggi dan ketahanan terhadap korosi, beroperasi pada suhu hingga 300–500 °C. Batang piston, bilah kompresor, cangkang elemen bahan bakar, dan pipa penukar panas dibuat darinya.

CM diproduksi menggunakan metalurgi serbuk menggunakan partikel silikon karbida SiC yang terdispersi. Senyawa kimia SiC memiliki sejumlah sifat positif: titik leleh tinggi (lebih dari 2650 °C), kekuatan tinggi (sekitar 2000 MPa) dan modulus elastisitas (> 450 GPa), kepadatan rendah (3200 kg/m3) dan ketahanan korosi yang baik. . Produksi bubuk silikon abrasif telah dikuasai oleh industri.

Paduan aluminium dan bubuk SiC dicampur, dipadatkan terlebih dahulu di bawah tekanan rendah, kemudian dipres panas dalam wadah baja dalam ruang hampa pada suhu leleh paduan matriks, yaitu dalam keadaan padat-cair. Benda kerja yang dihasilkan mengalami deformasi sekunder untuk mendapatkan produk setengah jadi dengan bentuk dan ukuran yang diperlukan: lembaran, batang, profil, dll.

Bahan komposit terdiri dari matriks logam(biasanya A1, Mg, Ni dan paduannya), diperkuat dengan serat berkekuatan tinggi (bahan berserat) atau partikel tahan api yang tersebar halus, tidak larut dalam logam dasar (bahan yang diperkuat dispersi). Matriks logam mengikat serat (partikel yang tersebar) menjadi satu kesatuan. Serat (partikel terdispersi) ditambah bahan pengikat (matriks) yang menyusunnya

Beras. 1

1 - bahan granular (diperkuat dispersi). (l/h- SAYA): 2 - bahan komposit berserat diskrit; 3 - bahan komposit serat kontinu; 4 - peletakan serat terus menerus; 5 - penempatan serat dua dimensi; 6,7 - peletakan serat volumetrik

atau komposisi lain, mendapat nama bahan komposit(Gbr. 196).

Bahan komposit serat.

Pada Gambar. 196 menunjukkan diagram perkuatan untuk material komposit berserat. Bahan komposit dengan pengisi berserat (reinforcer) menurut mekanisme kerja penguatnya dibagi menjadi bahan diskrit, dimana perbandingan panjang serat terhadap diameter l/d « 10-tL03, dan dengan serat kontinu, dimana l/d = bersama. Serat-serat diskrit tersusun secara acak dalam matriks. Diameter serat berkisar dari pecahan hingga ratusan mikrometer. Semakin besar perbandingan panjang dan diameter serat maka semakin tinggi derajat penguatannya.

Bahan komposit berbeda dari paduan konvensional dalam nilai kekuatan tarik dan batas daya tahan yang lebih tinggi (sebesar 50-100%), modulus elastisitas, dan koefisien kekakuan. (Ely) dan mengurangi kerentanan terhadap retak. Penggunaan material komposit meningkatkan kekakuan struktur sekaligus mengurangi konsumsi logam.

Tabel 44

Sifat mekanik material komposit berbahan dasar logam

Untuk memperkuat aluminium, magnesium dan paduannya digunakan senyawa boron (o = 2500-*-3500 MPa, E = 38h-420 GPa) dan karbon (st v = 1400-g-3500 MPa, E Serat 160-450 GPa), serta serat dari senyawa tahan api (karbida, nitrida, borida, dan oksida) yang memiliki kekuatan dan modulus elastisitas tinggi. Jadi, serat silikon karbida dengan diameter 100 μm memiliki suhu = 2500-*t3500 MPa, E= 450 IPK. Kawat yang terbuat dari baja berkekuatan tinggi sering digunakan sebagai serat.

Untuk memperkuat titanium dan paduannya, digunakan kawat molibdenum, serat safir, silikon karbida, dan titanium borida.

Peningkatan ketahanan panas paduan nikel dicapai dengan memperkuatnya dengan kawat tungsten atau molibdenum. Serat logam juga digunakan jika diperlukan konduktivitas termal dan listrik yang tinggi. Penguat yang menjanjikan untuk material komposit berserat berkekuatan tinggi dan modulus tinggi adalah kumis yang terbuat dari aluminium oksida dan nitrida, silikon karbida dan nitrida, boron karbida, dll., yang memiliki b = 15.000-g-28.000 MPa dan E= 400-*-600 IPK.

Di meja 44 menunjukkan sifat-sifat beberapa material komposit berserat.

Material komposit berbahan dasar logam memiliki kekuatan (st, a_ x) yang tinggi dan tahan panas, serta plastisitasnya rendah. Namun, serat dalam material komposit mengurangi laju perambatan retakan nukleasi dalam matriks dan hampir sepenuhnya menghilangkan retakan yang tiba-tiba

Beras. 197. Ketergantungan modulus elastisitas E(a) dan kekuatan tarik o pada (b) material komposit boron-aluminium sepanjang (/) dan melintang (2) sumbu penguatan tergantung pada kandungan volumetrik serat boron

patah getas. Ciri khas material komposit berserat uniaksial adalah sifat mekanik anisotropi di sepanjang dan melintasi serat serta sensitivitas yang rendah terhadap konsentrator tegangan.

Pada Gambar. 197 menunjukkan ketergantungan a dalam dan E material komposit boron-aluminium dari kandungan serat boron sepanjang (/) dan melintang ( 2 ) sumbu penguatan. Semakin tinggi kandungan volume serat maka semakin tinggi pula a b, a_ t dan E sepanjang sumbu tulangan. Namun, harus diperhitungkan bahwa matriks dapat meneruskan tegangan ke serat hanya jika terdapat ikatan yang kuat pada antarmuka penguat serat-matriks. Untuk mencegah kontak antar serat, matriks harus mengelilingi seluruh serat sepenuhnya, yang dicapai bila kandungannya minimal 15-20%.

Anisotropi sifat material komposit berserat diperhitungkan saat merancang bagian untuk mengoptimalkan sifat dengan mencocokkan bidang resistansi dengan bidang tegangan.

Beras. 198. Kekuatan jangka panjang material komposit boron-aluminium yang mengandung 50% serat boron dibandingkan dengan kekuatan paduan titanium (a) dan kekuatan jangka panjang material komposit nikel dibandingkan dengan kekuatan paduan pengerasan dispersi (b) :

/ - komposit boron-aluminium; 2 - paduan titanium; 3 - material komposit yang diperkuat dispersi; 4 - paduan pengerasan dispersi

Kerugian utama material komposit dengan tulangan satu dan dua dimensi adalah rendahnya ketahanan terhadap geser antarlapis dan patah melintang. Bahan dengan tulangan volumetrik tidak memiliki kelemahan ini.