Materiale compozite cu metale lichide. Materiale compozite pe o bază metalică

Umplutura pulbere este introdusă în matricea materialului compozit pentru a realiza proprietățile inerente materialului de umplutură în proprietățile funcționale ale compozitului. În compozitele sub formă de pulbere, matricea este în principal metale și polimeri. Compozitele pulbere cu o matrice polimerică au numele „Mase plastice”.

Compozite cu matrice metalică

Compozite cu matrice metalică. Compozitele sub formă de pulbere cu matrice metalică sunt obținute prin presarea la rece sau la cald a unui amestec de matrice și pulberi de umplutură, urmată de sinterizarea semifabricatului rezultat într-un mediu inert sau reducător la temperaturi de aproximativ 0,75 T pl matrice metalică. Uneori procesele de presare și sinterizare sunt combinate. Tehnologia de producție compozite pulbere sunt numite "Metalurgia pulberilor". Metalurgia pulberilor este folosită pentru a produce cermeturi și aliaje cu proprietăți deosebite.

Cermete numite materiale compozite cu o matrice metalică, al căror umplutură sunt particule dispersate de ceramică, cum ar fi carburi, oxizi, boruri, siliciuri, nitruri etc. Cobaltul, nichelul și cromul sunt utilizate în principal ca matrice. Cermeturile combină duritatea și rezistența la căldură și rezistența la căldură a ceramicii cu vâscozitatea ridicată și conductivitatea termică a metalelor. Prin urmare, cermeturile, spre deosebire de ceramică, sunt mai puțin fragile și sunt capabile să reziste la scăderi mari de temperatură fără distrugere.

Cel mai aplicare largă cermeturile au fost obținute în producția de scule de prelucrare a metalelor. Aliaje dure sub formă de pulbere se numesc cermet de scule.

Umplutura pulbere din aliaje dure sunt carburi sau carbonitruri într-o cantitate de 80% sau mai mult. În funcție de tipul de umplutură și de metalul care servește ca matrice a compozitului, aliajele dure sub formă de pulbere sunt împărțite în patru grupe:

1) WC-Co - tip monocarbură BK;
2) WC-TiC-Co - tip TK cu două carburi,
3) WC-TiC-TaC-Co - tip TTK cu trei carburi;
4) TiC și TiCN- (Ni + Mo) - aliaje pe bază de carbură și carbonitrură de titan - fără tungsten tip TH și KNT.

aliaje VK. Aliajele sunt marcate cu literele VK și un număr care arată conținutul de cobalt. De exemplu, compoziția aliajului VK6 este de 94% WC și 6% Co. Rezistența la căldură a aliajelor VK este de aproximativ 900 ° C. Aliajele din acest grup au cea mai mare rezistență în comparație cu alte aliaje dure.

aliaje TK. Aliajele sunt desemnate printr-o combinație de litere și numere. Numărul de după T indică conținutul de carbură de titan din aliaj, după K - cobalt. De exemplu, compoziția aliajului T15K6: TiC - 15%, Co - 6%, restul, 79% - WC. Duritatea aliajelor TK datorită introducerii carburii de titan mai dure în compoziția umpluturii sale este mai mare decât duritatea aliajelor VK. De asemenea, au un avantaj în rezistența la căldură - 1000 ° C, dar rezistența lor este mai mică cu un cobalt egal. conţinut.

Aliaje TTK (TT7K12, TT8K, TT20K9). Denumirea aliajelor TTK este similară cu TK. Numărul de după a doua literă T indică conținutul total de carburi TiC și TaC.

Cu rezistență la căldură egală (1000 ° C), aliajele TTK depășesc aliajele TK cu același conținut de cobalt atât ca duritate, cât și ca rezistență. Cel mai mare efect al alierei cu carbură de tantal se manifestă sub sarcini ciclice - durata de viață la oboseală la impact crește de până la 25 de ori. Prin urmare, aliajele care conțin tantal sunt utilizate în principal pentru condiții severe de tăiere cu sarcini mari de putere și temperatură.

Aliaje TN, KNT. Acestea sunt aliaje dure fără wolfram (BHTS) pe bază de carbură de titan și carbonitrură cu nichel-molibden, nu liant de cobalt.

În ceea ce privește rezistența la căldură, BVTS este inferior aliajelor care conțin tungsten, rezistența la căldură a BVTS nu depășește 800 ° C. Rezistența și modulul lor de elasticitate sunt, de asemenea, mai mici. Capacitatea termică și conductibilitatea termică a BVTS este mai mică decât cea a aliajelor tradiționale.

În ciuda relativ cost scăzut, utilizarea pe scară largă a BVTS pentru fabricarea sculelor de tăiere este problematică. Cel mai indicat este să folosiți aliaje fără wolfram pentru fabricarea instrumentelor de măsurare (blocuri de capăt, calibre) și de desen.

Matricea metalică este, de asemenea, utilizată pentru a lipi umplutura de pulbere din diamant și nitrură de bor cubică, care sunt denumite în mod colectiv materiale superhard (STM). Materiale compozite cu umplutură STM este folosit ca instrument de prelucrare.

Alegerea matricei pentru umplutura cu pulbere de diamant este limitată de rezistența scăzută la căldură a diamantului. Matricea ar trebui să ofere un regim termochimic pentru lipirea fiabilă a granulelor de umplutură de diamant, excluzând arderea sau grafitizarea diamantului. Bronzurile de staniu sunt cele mai utilizate pe scară largă pentru a lega materiale de umplutură cu diamante. Rezistența mai mare la căldură și inerția chimică a nitrurii de bor fac posibilă utilizarea lianților pe bază de fier, cobalt și aliaj dur.

Instrumentul cu STM este realizat în principal sub formă de cercuri, a căror prelucrare se realizează prin șlefuirea suprafeței materialului prelucrat cu un cerc rotativ. Roțile abrazive pe bază de diamant și nitrură de bor sunt utilizate pe scară largă pentru ascuțirea și finisarea sculelor de tăiere.

Când se compară sculele abrazive pe bază de diamant și nitrură de bor, trebuie remarcat faptul că aceste două grupuri nu concurează între ele, ci au propriile lor zone de utilizare rațională. Acest lucru este determinat de diferențele dintre proprietățile lor fizice, mecanice și chimice.

Avantajele diamantului ca material de sculă față de nitrura de bor includ faptul că conductivitatea sa termică este mai mare, iar coeficientul de dilatare termică este mai scăzut. Factorul determinant este însă capacitatea mare de difuzie a diamantului în raport cu aliajele pe bază de fier - oțeluri și fonte și, dimpotrivă, inerția nitrurii de bor față de aceste materiale.

La temperaturi ridicate, se observă o interacțiune activă de difuzie a diamantului cu aliajele pe bază de fier. La temperaturi sub os

Adecvarea unui diamant în aer are limitări de temperatură. Diamantul începe să se oxideze într-un ritm vizibil la o temperatură de 400 ° C. Cu mai mult temperaturi mari arde cu eliberarea de dioxid de carbon. De asemenea, limitează capacitățile operaționale. unealtă cu diamant comparativ cu o unealtă bazată pe nitrură de bor cubică. O oxidare notabilă a nitrurii de bor în aer se observă numai după o oră de expunere la o temperatură de 1200 ° C.

Limita de temperatură a performanței diamantului într-un mediu inert este limitată de transformarea sa într-o formă stabilă termodinamic de carbon - grafit, care începe atunci când este încălzită la 1000 ° C.

Un alt domeniu larg de aplicare pentru cermet este utilizarea lor ca material structural desemnare de temperatură înaltă pentru obiectele de tehnologie nouă.

Proprietățile de serviciu ale compozitelor sub formă de pulbere cu o matrice metalică sunt determinate în principal de proprietățile umpluturii. Prin urmare, pentru materialele compozite pulbere cu o proprietate specială, cea mai comună clasificare este după domeniul de aplicare.

Materialele compozite constau dintr-o matrice metalică (de obicei Al, Mg, Ni și aliajele acestora), armată cu fibre de înaltă rezistență (materiale fibroase) sau particule refractare fin dispersate care nu se dizolvă în metalul de bază (materiale întărite prin dispersie). Matricea metalică leagă fibrele (particulele dispersate) într-un singur întreg. Fibre (particule dispersate) plus un liant (matrice) care formează

Orez. 196. Schema structurii (a) și armăturii cu fibre continue (b) a materialelor compozite: 1 - material granular (călit prin dispersie) (l / d = 1); 2 - material compozit fibros discret; 3 - material compozit continuu fibros; 4 - așezarea continuă a fibrelor; 5 - așezarea bidimensională a fibrelor; 6.7 - ambalare în vrac a fibrelor

sau o altă compoziție, numită materiale compozite (Fig. 196).

Materiale compozite fibroase.În fig. 196 prezintă schemele de armare a materialelor compozite fibroase. Materialele compozite cu umplutură fibroasă (întăritor), conform mecanismului de acțiune de armare, sunt împărțite în unele discrete, în care raportul dintre lungimea fibrei și diametrul și cu fibră continuă, în care fibrele discrete sunt situate aleatoriu în matrice. Diametrul fibrelor este de la fracțiuni la sute de micrometri. Cu cât raportul dintre lungime și diametrul fibrei este mai mare, cu atât este mai mare gradul de întărire.

Adesea, materialul compozit este o structură stratificată în care fiecare strat este întărit cu un număr mare de fibre paralele continue. Fiecare strat poate fi, de asemenea, armat cu fibre continue țesute într-o țesătură, care este forma originală, în lățime și lungime corespunzătoare materialului final. Adesea, fibrele sunt țesute în structuri tridimensionale.

Materialele compozite diferă de aliajele convenționale prin valori mai mari ale rezistenței la tracțiune și limită de anduranță (cu 50-100%), modul elastic, coeficient de rigiditate () și tendința redusă de formare de fisuri. Utilizarea materialelor compozite crește rigiditatea structurii, reducând în același timp consumul de metal.

Tabelul 44 (vezi scanarea) Proprietățile mecanice ale compozitelor pe bază de metal

Rezistența materialelor compozite (fibroase) este determinată de proprietățile fibrelor; matricea ar trebui să redistribuie în principal tensiunile între elementele de armătură. Prin urmare, rezistența și modulul elastic al fibrelor trebuie să fie semnificativ mai mari decât rezistența și modulul elastic al matricei. Fibrele rigide de armare absorb tensiunile care apar în compoziție în timpul încărcării, îi conferă rezistență și rigiditate în direcția de orientare a fibrei.

Fibrele de bor și carbon sunt folosite pentru a întări aluminiul, magneziul și aliajele acestora, precum și fibrele din compuși refractari (carburi, nitruri, boruri și oxizi) cu rezistență și modul de elasticitate ridicat. Deci, fibrele de carbură de siliciu cu un diametru de 100 de microni sunt adesea folosite ca fibre de sârmă de oțel de înaltă rezistență.

Pentru armarea titanului și a aliajelor sale, se utilizează sârmă de molibden, fibre de safir, carbură de siliciu și borură de titan.

O creștere a rezistenței la căldură a aliajelor de nichel se realizează prin întărirea acestora cu sârmă de wolfram sau molibden. Fibrele metalice sunt folosite și în cazurile în care este necesară o conductivitate termică și electrică ridicată. Întăritorii promițători pentru materialele compozite fibroase de înaltă rezistență și modul înalt sunt mustații de oxid și nitrură de aluminiu, carbură și nitrură de siliciu, carbură de bor etc.

Masa 44 prezintă proprietățile unor compozite fibroase.

Materialele compozite pe bază de metal au rezistență ridicată și rezistență la căldură, în același timp sunt plastice reduse. Cu toate acestea, fibrele din compozite reduc rata de propagare a fisurilor care provin din matrice și elimină aproape complet

Orez. 197. Dependența modulului de elasticitate E (a) și a rezistenței finale (b) a materialului compozit bor-aluminiu de-a lungul (1) și peste (2) axei armăturii de conținutul volumetric al fibrei de bor

distrugere fragilă. Trăsătură distinctivă Materialele compozite fibroase uniaxiale sunt anizotropie a proprietăților mecanice de-a lungul și peste fibre și sensibilitate scăzută la concentratorii de tensiuni.

În fig. 197 prezintă dependența și E a materialului compozit bor-aluminiu de conținutul de fibre de bor de-a lungul (1) și de-a lungul axei armăturii. Cu cât conținutul volumetric de fibre este mai mare, cu atât este mai mare și E de-a lungul axei armăturii. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere faptul că matricea poate transmite tensiuni fibrelor numai atunci când există o legătură puternică la interfața de armare fibră-matrice. Pentru a preveni contactul dintre fibre, matricea trebuie să înconjoare complet toate fibrele, ceea ce se realizează cu un conținut de cel puțin 15-20%.

Matricea și fibra nu ar trebui să interacționeze între ele (nu ar trebui să existe difuzie reciprocă) în timpul producției sau al funcționării, deoarece acest lucru poate duce la o scădere a rezistenței materialului compozit.

Anizotropia proprietăților materialelor fibroase compozite este luată în considerare la proiectarea pieselor pentru optimizarea proprietăților prin potrivirea câmpului de rezistență cu 6 câmpuri de tensiuni.

Întărirea aliajelor de aluminiu, magneziu și titan cu fibre refractare continue de bor, carbură de siliciu, diborură de titan și oxid de aluminiu crește semnificativ rezistența la căldură. O caracteristică a materialelor compozite este rata scăzută de înmuiere în timp (Fig. 198, a) odată cu creșterea temperaturii.

Orez. 198. Rezistența pe termen lung a materialului compozit bor-aluminiu care conține 50% fibre de bor în comparație cu rezistența aliajelor de titan (a) și rezistența pe termen lung a materialului compozit cu nichel în comparație cu rezistența aliajelor de întărire prin precipitare (b) : 1 - compozit bor-aluminiu; 2 - aliaj de titan; 3 - material compozit întărit cu dispersie; 4 - aliaje de dispersie-călire

Principalul dezavantaj al materialelor compozite cu armătură unidimensională și bidimensională este rezistența scăzută la forfecare interstrat și rupere transversală. Materialele din armarea volumetrică sunt lipsite de acest dezavantaj.

Materiale compozite întărite prin dispersie. Spre deosebire de materialele compozite fibroase, în materialele compozite întărite prin dispersie, matricea este elementul principal care poartă sarcina, iar particulele dispersate inhibă mișcarea dislocațiilor în ea. Rezistența ridicată este obținută cu o dimensiune a particulei de 10-500 nm, cu o distanță medie între ele de 100-500 nm și distribuția lor uniformă în matrice. Rezistența și rezistența la căldură, în funcție de conținutul volumetric al fazelor de întărire, nu respectă legea aditivității. Conținutul optim al celei de-a doua faze pentru diferite metale nu este același, dar de obicei nu depășește

Utilizarea ca faze de întărire a compușilor refractari stabili (oxizi de toriu, hafniu, ytriu, compuși complecși de oxizi și metale din pământuri rare), care nu se dizolvă în metalul matricei, permite menținerea rezistenței ridicate a materialului până la. În acest sens, astfel de materiale sunt adesea folosite ca materiale rezistente la căldură. Materialele compozite întărite prin dispersie pot fi obținute pe baza majorității metalelor și aliajelor utilizate în tehnologie.

Cele mai utilizate aliaje pe bază de aluminiu - SAP (pulbere de aluminiu sinterizat). SAP constă din aluminiu și fulgi dispersați Particulele inhibă eficient mișcarea luxațiilor și, prin urmare, cresc rezistența

aliaj. Conținutul în SAP variază de la și la. Pe măsură ce conținutul crește, acesta crește de la 300 la pentru și alungirea, în mod corespunzător, scade de la 8 la 3%. Densitatea acestor materiale este egală cu densitatea aluminiului, nu sunt inferioare acestuia ca rezistență la coroziune și chiar pot înlocui titanul și oțelurile rezistente la coroziune atunci când funcționează în intervalul de temperatură.În rezistență pe termen lung, sunt superioare forjate. aliaje de aluminiu. Rezistența pe termen lung pentru aliaje la is

Materialele întărite prin dispersie de nichel au perspective mari. Aliaje pe bază de nichel cu 2-3 vol. dioxid de toriu sau dioxid de hafniu. Matricea acestor aliaje este de obicei o soluție solidă.Sunt utilizate pe scară largă aliajele (nichel întărit cu dioxid de toriu), (nichel întărit cu dioxid de hafniu) și (matrice întărită cu oxid de toriu). Aceste aliaje au o rezistență ridicată la căldură. La temperatură, aliajul are un aliaj Materialele compozite întărite prin dispersie, precum și cele fibroase, sunt rezistente la înmuiere odată cu creșterea temperaturii și a duratei de expunere la o temperatură dată (vezi Fig. 198).

Domeniile de aplicare ale materialelor compozite nu sunt limitate. Ele sunt utilizate în aviație pentru piese de aeronave foarte încărcate (piei, lăți, nervuri, panouri etc.) și motoare (pale de compresor și turbine etc.), în tehnologia spațială pentru unitățile de structuri de putere ale vehiculelor expuse la încălzire, pentru elemente. rigiditate, panouri, în industria auto pentru a ușura caroserii, arcuri, cadre, panouri de caroserie, bare de protecție etc., în industria minieră (unelte de foraj, piese pentru combine etc.), în construcții civile (trave de poduri, elemente prefabricate înalte). -cladiri de ridicare etc.) si in alte domenii ale economiei nationale.

Utilizarea materialelor compozite oferă un nou salt calitativ în creșterea puterii motoarelor, a puterii și a instalațiilor de transport, precum și în reducerea greutății mașinilor și dispozitivelor.

Tehnologia de producere a semifabricatelor și a produselor din materiale compozite este bine dezvoltată.

Materialele compozite constau dintr-o matrice metalică (de obicei Al, Mg, Ni și aliajele acestora), armată cu fibre de înaltă rezistență (materiale fibroase) sau particule refractare fin dispersate care nu se dizolvă în metalul de bază (materiale întărite prin dispersie). Matricea metalică leagă fibrele (particulele dispersate) într-un singur întreg. Fibrele (particule dispersate) plus un liant (matrice) care alcătuiesc o anumită compoziție se numesc materiale compozite.

Compozite cu matrice nemetalice

Materialele compozite cu o matrice nemetalica sunt utilizate pe scara larga. Materialele polimerice, carbon și ceramice sunt utilizate ca matrici nemetalice. Dintre matricele polimerice, cele mai răspândite sunt epoxidice, fenol-formaldehidă și poliamidă.

Matricele carbonizate sau pirocarbonizate sunt produse din polimeri sintetici supuși pirolizei. Matricea leagă compoziția, dându-i formă. Întăritorii sunt fibre: sticlă, carbon, borice, organice, pe bază de cristale filamentare (oxizi, carburi, boruri, nitruri și altele), precum și metale (sârme) cu rezistență și rigiditate ridicate.

Proprietățile materialelor compozite depind de compoziția componentelor, combinația lor, raportul cantitativ și rezistența legăturii dintre ele.

Materialele de armare pot fi sub formă de fibre, frânghii, fire, benzi, țesături multistrat.

Conținutul de întăritor în materiale orientate este de 60-80 vol.%, în neorientate (cu fibre și mustăți discrete) - 20-30 vol.%. Cu cât rezistența și modulul elastic al fibrelor sunt mai mari, cu atât rezistența și rigiditatea materialului compozit sunt mai mari. Proprietățile matricei determină rezistența la forfecare și compresiune a compoziției și rezistența la rupere prin oboseală.

După tipul de întăritor, materialele compozite sunt clasificate în fibră de sticlă, fibră de carbon cu fibră de carbon, fibră de bor și fibră organică.

În materialele stratificate, fibrele, firele, benzile impregnate cu un liant sunt așezate paralel între ele în planul de așezare. Straturile plate sunt colectate în plăci. Proprietățile se obțin anizotrope. Pentru ca materialul să funcționeze în produs, este important să se țină cont de direcția sarcinilor care acționează. Puteți crea materiale atât cu proprietăți izotrope, cât și cu proprietăți anizotrope. Este posibilă așezarea fibrelor în unghiuri diferite, variind proprietățile compozitelor. Rigiditățile la încovoiere și la torsiune ale materialului depind de ordinea stivuirii straturilor de-a lungul grosimii pachetului.

Se folosește stivuirea întăritorilor din trei, patru sau mai multe fire.

Structura a trei fire reciproc perpendiculare are cea mai mare aplicație. Întăritorii pot fi amplasați în direcții axiale, radiale și circumferențiale.

Materialele tridimensionale pot fi de orice grosime sub formă de blocuri, cilindri. Țesăturile voluminoase măresc rezistența la exfoliere și rezistența la forfecare în comparație cu țesăturile stratificate. Sistemul cu patru fire este construit prin extinderea întăritorului de-a lungul diagonalelor cubului. Structura celor patru fire este în echilibru, are o rigiditate crescută la forfecare în planurile principale.

Cu toate acestea, crearea a patru materiale direcționale este mai dificilă decât a crea trei materiale direcționale.

DESCRIERE GENERALĂ ȘI CLASIFICARE

Materialele metalice și nemetalice utilizate în mod tradițional și-au atins în mare măsură limita de rezistență structurală. În același timp, dezvoltarea tehnologiei moderne necesită crearea de materiale care să funcționeze fiabil într-o combinație complexă de câmpuri de forță și temperatură, atunci când sunt expuse la medii agresive, radiații, vid profund și presiuni ridicate. Adesea, cerințele pentru materiale pot fi contradictorii. Această problemă poate fi rezolvată prin utilizarea materialelor compozite.

Material compozit(CM) sau compozitul este un sistem eterogen tridimensional format din componente insolubile reciproc, care diferă foarte mult în proprietăți, a căror structură permite utilizarea avantajelor fiecăreia dintre ele.

Omul a împrumutat principiul construirii KM din natură. Materialele compozite tipice sunt trunchiurile copacilor, tulpinile de plante, oasele umane și animale.

CM fac posibilă o combinație dată de proprietăți diferite: rezistență și rigiditate specifică ridicate, rezistență la căldură, rezistență la uzură, proprietăți de protecție termică etc. Spectrul de proprietăți CM nu poate fi obținut folosind materiale convenționale. Utilizarea lor face posibilă crearea de modele inaccesibile anterior, fundamental noi.

Datorită CM, a devenit posibil un nou salt calitativ în creșterea puterii motorului, reducerea masei mașinilor și structurilor și creșterea eficienței în greutate a vehiculelor și vehiculelor aerospațiale.

Caracteristicile importante ale materialelor care funcționează în aceste condiții sunt rezistența specifică σ w / ρ și rigiditatea specifică E/ ρ, unde σ in - rezistență temporară, E este modulul de elasticitate normală, ρ este densitatea materialului.

Aliajele de înaltă rezistență, de regulă, au ductilitate scăzută, sensibilitate ridicată la concentratoarele de tensiuni și rezistență relativ scăzută la propagarea fisurilor de oboseală. Deși materialele compozite pot avea, de asemenea, o ductilitate scăzută, ele sunt mult mai puțin sensibile la concentratoarele de tensiuni și rezistă mai bine la eșecurile prin oboseală. Acest lucru se datorează mecanismelor diferite de formare a fisurilor în oțelurile și aliajele de înaltă rezistență. În oțelurile de înaltă rezistență, o fisură, care a atins o dimensiune critică, se dezvoltă în continuare într-un ritm progresiv.

Un mecanism diferit funcționează în compozite. Fisura, care se deplasează în matrice, întâlnește un obstacol la interfața matrice-fibră. Fibrele inhibă dezvoltarea fisurilor, iar prezența lor în matricea plastică duce la o creștere a tenacității la rupere.

Astfel, sistemul compozit combină două proprietăți opuse necesare materialelor structurale - rezistență ridicată datorită fibrelor de înaltă rezistență și tenacitate la rupere suficientă datorită matricei plastice și mecanismului de disipare a energiei de rupere.

CM-urile constau dintr-un material de bază de matrice relativ plastic și componente mai dure și mai puternice care sunt materiale de umplutură. Proprietățile CM depind de proprietățile bazei, materiale de umplutură și rezistența aderării dintre ele.

Matricea leagă compoziția într-un monolit, îi dă formă și servește la transferul sarcinilor externe pe armătura din materiale de umplutură. În funcție de materialul de bază, CM se disting cu o matrice metalică, sau materiale compozite metalice (MCM), cu materiale compozite polimer - polimer (PCM) și cu materiale compozite ceramică - ceramică (CMC).

Filler, adesea numite întăritori... Au rezistență mare, duritate și modul de elasticitate. După tipul de umpluturi de armare, CM se subdivizează în întărită prin dispersie,fibrosși stratificată(fig. 28.2).

Orez. 28.2. Diagrame structurale ale materialelor compozite: A) întărită în dispersie; b) fibros; v) stratificat

Particulele refractare fine, uniform distribuite de carburi, oxizi, nitruri etc., care nu interacționează cu matricea și nu se dizolvă în ea până la punctul de topire al fazelor, sunt introduse artificial în CM-uri întărite prin dispersie. Cu cât particulele de umplutură sunt mai fine și distanța dintre ele este mai mică, cu atât CM este mai puternică. Spre deosebire de fibrele, în materialele compozite întărite prin dispersie, principalul element portant este matricea. Ansamblul particulelor de umplutură dispersate întărește materialul datorită rezistenței la mișcarea de dislocare în timpul încărcării, ceea ce complică deformarea plastică. Rezistența eficientă la mișcarea de dislocare este creată până la temperatura de topire a matricei, datorită căreia CM-urile întărite prin dispersie se disting prin rezistență ridicată la căldură și rezistență la fluaj.

Armatura in CM fibroasa poate fi fibre de diverse forme: fire, panglici, ochiuri de diferite tesaturi. Armarea CM fibroasă poate fi realizată conform unei scheme uniaxiale, biaxiale și triaxiale (Fig. 28.3, A).

Rezistența și rigiditatea unor astfel de materiale este determinată de proprietățile fibrelor de armare care poartă sarcina principală. Armarea oferă o creștere mai mare a rezistenței, dar călirea dispersată este mai ușor de implementat din punct de vedere tehnologic.

Materiale compozite laminate (Fig.28.3, b) sunt recrutate din straturi alternative de material de umplutură și matrice (tip „sandwich”). Straturile de umplere din astfel de CM pot avea orientări diferite. Este posibilă utilizarea alternativă a straturilor de umplutură din diferite materiale cu proprietăți mecanice diferite. Materialele nemetalice sunt utilizate de obicei pentru compozițiile stratificate.

Orez. 28.3. Scheme de armare pentru fibroase ( A) și stratificat ( b) materiale compozite

MATERIALE COMPOZATE DISPERSE

Cu întărire dispersată, particulele blochează procesele de alunecare în matrice. Eficacitatea întăririi, supusă unei interacțiuni minime cu matricea, depinde de tipul particulelor, de concentrația lor în volum, precum și de uniformitatea distribuției în matrice. Se folosesc particule dispersate de faze refractare precum Al2O3, SiO2, BN, SiC, având o densitate scăzută și un modul mare de elasticitate. CM se obține de obicei prin metalurgia pulberilor, un avantaj important al căruia este izotropia proprietăților în diferite direcții.

În industrie, se folosesc de obicei CM-uri întărite cu dispersie pe aluminiu și, mai rar, baze de nichel. Reprezentanții tipici ai acestui tip de materiale compozite sunt materiale precum SAP (pulbere de aluminiu sinterizată), care constă dintr-o matrice de aluminiu întărită cu particule dispersate de oxid de aluminiu. Pulberea de aluminiu se obține prin pulverizarea metalului topit, urmată de măcinarea în mori cu bile până la o dimensiune de aproximativ 1 micron în prezența oxigenului. Odată cu creșterea duratei de măcinare, pulberea devine mai fină și crește conținutul de oxid de aluminiu din ea. O altă tehnologie pentru producția de produse și semifabricate de la SAP include presarea la rece, presinterizarea, presarea la cald, laminarea sau extrudarea unei țagle de aluminiu sinterizat sub formă de produse finite care pot fi supuse unui tratament termic suplimentar.

Aliajele de tip SAP sunt deformate satisfăcător în stare fierbinte, iar aliajele cu 6–9% Al 2 O 3 - și la temperatura camerei... Din ele se poate folosi tragerea la rece pentru a obține folie cu o grosime de până la 0,03 mm. Aceste materiale sunt bine prelucrate și foarte rezistente la coroziune.

Mărcile SAP utilizate în Rusia conțin 6–23% Al 2 O 3. Se face distincția între SAP-1 cu un conținut de 6-9, SAP-2 - cu 9-13, SAP-3 - cu 13-18% Al 2 O 3. Odată cu creșterea concentrației în volum a oxidului de aluminiu, rezistența materialelor compozite crește. La temperatura camerei, caracteristicile de rezistență ale SAP-1 sunt următoarele: σ b = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 sunt următoarele: σ b = 420 MPa, σ 0,2 = 340 MPa.

Materialele de tip SAP au o rezistență ridicată la căldură și depășesc toate aliajele de aluminiu forjat. Chiar și la o temperatură de 500 ° C, σ lor este de cel puțin 60-110 MPa. Rezistența la căldură se explică prin efectul inhibitor al particulelor dispersate asupra procesului de recristalizare. Caracteristicile de rezistență ale aliajelor de tip SAP sunt foarte stabile. Testele de rezistență pe termen lung ale aliajelor SAP-3 timp de 2 ani nu au avut practic niciun efect asupra nivelului de proprietăți atât la temperatura camerei, cât și atunci când sunt încălzite la 500 ° C. La 400 ° C, rezistența SAP este de 5 ori mai mare decât rezistența aliajelor de aluminiu îmbătrânite.

Aliajele SAP sunt utilizate în tehnologia aviației pentru fabricarea pieselor cu rezistență specifică ridicată și rezistență la coroziune, funcționând la temperaturi de până la 300–500 ° C. Acestea sunt folosite pentru a face tije de piston, palete de compresor, carcase ale elementelor de combustibil și tuburi schimbătoare de căldură.

Prin metoda metalurgiei pulberilor, CM se obține folosind particule dispersate de carbură de siliciu SiC. Compusul chimic SiC are o serie de proprietăți pozitive: punct de topire ridicat (peste 2650 ° C), rezistență ridicată (aproximativ 2000 MPa) și modul elastic (»450 GPa), densitate scăzută (3200 kg / m 3) și rezistență bună la coroziune . Producția de pulberi abrazive de siliciu a fost stăpânită de industrie.

Pulberile de aliaj de aluminiu și SiC sunt amestecate, supuse compactării preliminare la presiune joasă, apoi presarii la cald în recipiente de oțel în vid la temperatura de topire a aliajului matrice, adică în stare solid-lichid. Piesa de prelucrat rezultată este supusă unei deformări secundare pentru a obține semifabricate de forma și dimensiunea cerute: table, tije, profile etc.

Materialele compozite constau dintr-o matrice metalică(mai des A1, Mg, Ni și aliajele acestora), armat cu fibre de înaltă rezistență (materiale fibroase) sau particule fine refractare, nu se dizolvă în metalul de bază (materiale întărite prin dispersie). Matricea metalică leagă fibrele (particulele dispersate) într-un singur întreg. Fibre (particule dispersate) plus un liant (matrice) care formează

Orez. unu

1 - material granular (întărit prin dispersie). (l/d- eu): 2 - material compozit fibros discret; 3 - material compozit continuu fibros; 4 - așezarea continuă a fibrelor; 5 - stivuirea bidimensională a fibrelor; 6,7 - ambalare în vrac a fibrelor

sau altă compoziție, a primit numele materiale compozite(fig. 196).

Materiale compozite fibroase.

În fig. 196 prezintă schemele de armare a materialelor compozite fibroase. Materialele compozite cu umplutură fibroasă (întăritor), conform mecanismului de acțiune de armare, sunt împărțite în unele discrete, în care raportul dintre lungimea fibrei și diametrul este l / d „10-tL03, iar cu fibră continuă, în care l / d = co. Fibrele discrete sunt localizate aleatoriu în matrice. Diametrul fibrelor este de la fracțiuni la sute de micrometri. Cu cât raportul dintre lungime și diametrul fibrei este mai mare, cu atât este mai mare gradul de întărire.

Materialele compozite diferă de aliajele convenționale prin valori mai mari ale rezistenței la tracțiune și limită de anduranță (cu 50-100%), modul elastic, coeficient de rigiditate (Ely)și o tendință redusă de formare de fisuri. Utilizarea materialelor compozite crește rigiditatea structurii, reducând în același timp consumul de metal.

Tabelul 44

Proprietățile mecanice ale materialelor compozite pe bază de metal

Borul este utilizat pentru întărirea aluminiului, magneziului și aliajelor acestora (aproximativ b = 2500 - * - 3500 MPa, E = 38h-420 GPa) și carbon (st v = 1400-g-3500 MPa, E 160-450 GPa), fibre, precum și fibre din compuși refractari (carburi, nitruri, boruri și oxizi) cu rezistență și modul de elasticitate ridicat. Deci, fibrele de carbură de siliciu cu un diametru de 100 microni au st b = 2500- * t3500 MPa, E= 450 GPa. Firele de oțel de înaltă rezistență sunt adesea folosite ca fibre.

Pentru armarea titanului și a aliajelor sale, se utilizează sârmă de molibden, fibre de safir, carbură de siliciu și borură de titan.

Masa 44 prezintă proprietățile unor compozite fibroase.

Materialele compozite pe bază de metal au rezistență ridicată (st b, a_x) și rezistență la căldură, în același timp sunt plastice scăzute. Cu toate acestea, fibrele din compozite reduc rata de propagare a fisurilor care provin din matrice și elimină aproape complet

Orez. 197. Dependenţa modulului de elasticitate E (a)și rezistența finală o în (b) materialul compozit bor-aluminiu de-a lungul (/) și transversal (2) axa de armare din continutul volumetric al fibrei de bor

distrugere fragilă. O caracteristică distinctivă a materialelor compozite fibroase uniaxiale este anizotropia proprietăților mecanice de-a lungul și de-a lungul fibrelor și sensibilitatea scăzută la concentratorii de tensiuni.

În fig. 197 arată dependenţa a c şi E material compozit bor-aluminiu din conținutul de fibre de bor de-a lungul (/) și de-a lungul ( 2 ) axa de armare. Cu cât conținutul volumetric al fibrelor este mai mare, cu atât a b, a_ t și mai mare E de-a lungul axei de armare. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere faptul că matricea poate transmite tensiuni fibrelor numai atunci când există o legătură puternică la interfața de armare fibră-matrice. Pentru a preveni contactul dintre fibre, matricea trebuie să înconjoare complet toate fibrele, ceea ce se realizează cu un conținut de cel puțin 15-20%.

Anizotropia proprietăților materialelor fibroase compozite este luată în considerare la proiectarea pieselor pentru a optimiza proprietățile prin potrivirea câmpului de rezistență la câmpurile de tensiuni.

/ - compozit bor-aluminiu; 2 - aliaj de titan; 3 - material compozit întărit cu dispersie; 4 - aliaje de întărire prin precipitare

Principalul dezavantaj al compozitelor cu armătură uni și bidimensională este rezistența scăzută la forfecare interstrat și rupere transversală. Materialele din armarea volumetrică sunt lipsite de acest dezavantaj.