Materiale të përbëra me metale të lëngëta. Materiale të përbëra me bazë metali

Mbushësi pluhur futet në matricën e materialit të përbërë në mënyrë që të zbatojë vetitë e qenësishme të substancës mbushëse në vetitë funksionale të përbërjes. Në përbërjet pluhur, matrica është kryesisht metale dhe polimere. Kompozitat pluhur me një matricë polimer kanë emrin "plastikë".

Kompozitat e Matricës Metal

Kompozita me matricë metalike. Kompozitat pluhur me një matricë metalike prodhohen nga shtypja e ftohtë ose e nxehtë e një përzierjeje pluhurash matricë dhe mbushëse, e ndjekur nga sinterizimi i produktit gjysëm të gatshëm që rezulton në një mjedis inert ose reduktues në temperatura rreth 0,75 T pl metal matricë. Ndonjëherë proceset e shtypjes dhe shkrirjes kombinohen. Teknologjia e pranimit përbërjet pluhur thirrur "metalurgjia e pluhurit". Metodat e metalurgjisë së pluhurit përdoren për prodhimin e qermave dhe lidhjeve me veti të veçanta.

Kermetët janë materiale të përbëra me matricë metalike, mbushësi i së cilës janë grimcat e shpërndara të qeramikës, p.sh., karbidet, oksidet, boridet, silicide, nitride etj. Si matricë përdoren kryesisht kobalti, nikeli dhe kromi. Cermetat kombinojnë fortësinë, rezistencën ndaj nxehtësisë dhe rezistencën ndaj nxehtësisë së qeramikës me qëndrueshmërinë e lartë dhe përçueshmërinë termike të metaleve. Prandaj, qeramika, ndryshe nga qeramika, janë më pak të brishta dhe mund t'i rezistojnë ndryshimeve të mëdha të temperaturës pa u shkatërruar.

Shumica aplikim të gjerë Cermetat merreshin në prodhimin e veglave të përpunimit të metaleve. Pluhur lidhjet e forta të quajtura qermeta për qëllime instrumentale.

Mbushësi pluhur i lidhjeve të forta është karbide ose karbonitride në një sasi prej 80% ose më shumë. Në varësi të llojit të mbushësit dhe metalit që shërben si matricë e përbërjes, lidhjet e forta pluhur ndahen në katër grupe:

1) WC-Co - një karbit tip B K;
2) WC-TiC-Co - tip TK me dy karabit,
3) WC-TiC-TaC-Co - tip TTK me tre karabit;
4) TiC dhe TiCN-(Ni + Mo) - aliazhe të bazuara në karbit titani dhe karbonitrid - lloji TN dhe KNT pa tungsten.

Lidhjet VK. Lidhjet shënohen me shkronjat VK dhe një numër që tregon përmbajtjen e kobaltit. Për shembull, përbërja e lidhjes VK6 është: 94% WC dhe 6% Co. Rezistenca ndaj nxehtësisë e lidhjeve VK është rreth 900°C. Lidhjet e këtij grupi kanë forcën më të madhe në krahasim me lidhjet e tjera të forta.

Lidhjet TK. Lidhjet përcaktohen nga një kombinim shkronjash dhe numrash. Numri pas T tregon përmbajtjen e karbitit të titanit në aliazh, dhe pas K - kobalt. Për shembull, përbërja e lidhjes T15K6: TiC - 15%, Co - 6%, pjesa tjetër, 79%, është WC. Fortësia e lidhjeve TK, për shkak të futjes së karbitit më të fortë të titanit në përbërjen e tij mbushëse, është më e madhe se fortësia e lidhjeve VK. Ata gjithashtu kanë një avantazh në rezistencën ndaj nxehtësisë - 1000°C, por forca e tyre me të njëjtën përmbajtje kobalti është më të ulëta.

Lidhjet TTK (TT7K12, TT8K, TT20K9). Emërtimi i lidhjeve TTK është i ngjashëm me TK. Numri pas shkronjës së dytë T tregon përmbajtjen totale të karbiteve TiC dhe TaC.

Me rezistencë të barabartë ndaj nxehtësisë (1000°C), lidhjet TTK janë superiore ndaj lidhjeve TK me të njëjtën përmbajtje kobalti si në fortësi ashtu edhe në forcë. Efekti më i madh i lidhjes me karabit tantal manifestohet nën ngarkesa ciklike - jeta e lodhjes nga ndikimi rritet deri në 25 herë. Prandaj, lidhjet që përmbajnë tantal përdoren kryesisht për kushte të rënda prerjeje me ngarkesa të larta të fuqisë dhe temperaturës.

Lidhjet TN, KNT. Këto janë lidhje të forta pa tungsten (TBHS) të bazuara në karbit titani dhe karbonitrid me një lidhës nikel-molibden dhe jo një lidhës kobalti.

Për sa i përket rezistencës ndaj nxehtësisë, BVTS janë inferiorë ndaj lidhjeve që përmbajnë tungsten; rezistenca ndaj nxehtësisë e BVTS nuk i kalon 800°C. Forca dhe moduli i elasticitetit të tyre janë gjithashtu më të ulëta. Kapaciteti termik dhe përçueshmëria termike e BHTS është më e ulët se ajo e lidhjeve tradicionale.

Pavarësisht nga relativisht çmim i ulët, përdorimi i gjerë i BVTS për prodhimin e veglave prerëse është problematik. Është më e këshillueshme që të përdoren lidhjet pa tungsten për prodhimin e veglave matëse (blloqe matës, matës) dhe mjetesh vizatimi.

Matrica metalike përdoret gjithashtu për të lidhur mbushësin pluhur të bërë nga diamanti dhe nitridi kub i borit, të cilat së bashku quhen "materiale super të forta" (SHM). Materiale të përbëra me mbushës STM përdoret si mjet përpunimi.

Zgjedhja e matricës për mbushësin e pluhurit të diamantit kufizohet nga rezistenca e ulët ndaj nxehtësisë së diamantit. Matrica duhet të sigurojë një regjim termokimik për lidhjen e besueshme të kokrrave mbushëse të diamantit, duke përjashtuar djegien ose grafitizimin e diamantit. Bronzet e kallajit përdoren më gjerësisht për të lidhur mbushësin e diamantit. Rezistenca më e lartë ndaj nxehtësisë dhe inertiteti kimik i nitridit të borit lejojnë përdorimin e lidhësve të bazuar në hekur, kobalt dhe aliazh të fortë.

Mjetet me STM bëhen kryesisht në formë rrathësh, përpunimi i të cilave kryhet duke bluar sipërfaqen e materialit që përpunohet me një rreth rrotullues. Rrotat gërryese të bazuara në diamant dhe nitrid bor përdoren gjerësisht për mprehjen dhe përfundimin e veglave prerëse.

Kur krahasojmë mjetet gërryese të bazuara në diamant dhe nitrid bor, duhet të theksohet se këto dy grupe nuk konkurrojnë me njëri-tjetrin, por kanë fushat e tyre të aplikimit racional. Kjo përcaktohet nga ndryshimet në vetitë e tyre fizike, mekanike dhe kimike.

Përparësitë e diamantit si material veglash ndaj nitridit të borit përfshijnë faktin se përçueshmëria e tij termike është më e lartë dhe koeficienti i tij i zgjerimit termik është më i ulët. Megjithatë, faktorët përcaktues janë aftësia e lartë e difuzionit të diamantit në lidhje me lidhjet me bazë hekuri - çeliqet dhe gizat dhe, përkundrazi, inertiteti i nitridit të borit ndaj këtyre materialeve.

Në temperatura të larta, vërehet ndërveprim aktiv i difuzionit midis diamantit dhe lidhjeve me bazë hekuri. Në temperaturat më poshtë

Zbatueshmëria e diamantit në ajër ka kufizime të temperaturës. Diamanti fillon të oksidohet me një shpejtësi të dukshme në një temperaturë prej 400°C. Me më shumë temperaturat e larta digjet për të lëshuar dioksid karboni. Kjo gjithashtu kufizon aftësitë operacionale mjete diamanti krahasuar me mjetet e bazuara në nitrid bor kub. Oksidimi i dukshëm i nitridit të borit në ajër vërehet vetëm pas një ore ekspozimi në një temperaturë prej 1200°C.

Kufiri i temperaturës së performancës së diamantit në një mjedis inert kufizohet nga shndërrimi i tij në një formë të qëndrueshme termodinamikisht të karbon-grafitit, i cili fillon kur nxehet në 1000°C.

Një fushë tjetër e gjerë e aplikimit për qermeta është përdorimi i tyre si material ndërtimor aplikime në temperaturë të lartë për objekte të teknologjisë së re.

Vetitë e shërbimit të përbërjeve pluhur me një matricë metalike përcaktohen kryesisht nga vetitë e mbushësit. Prandaj, për materialet e përbërë pluhur me një veti të veçantë, klasifikimi më i zakonshëm është sipas zonës së aplikimit.

Materialet e përbëra përbëhen nga një matricë metalike (zakonisht Al, Mg, Ni dhe lidhjet e tyre), të forcuara me fibra me rezistencë të lartë (materiale fibroze) ose grimca zjarrduruese të shpërndara imët që nuk treten në metalin bazë (materiale të forcuara me dispersion). Matrica metalike lidh fijet (grimcat e shpërndara) në një tërësi të vetme. Fibër (grimca të shpërndara) plus një lidhës (matricë) që përbën

Oriz. 196. Diagrami i konstruksionit (a) dhe armatura me fibra të vazhdueshme (b) të materialeve të përbëra: 1 - material granular (i përforcuar në dispersion) (l/d = 1); 2 - material i përbërë fijor diskret; 3 - material i përbërë me fibra të vazhdueshme; 4 - shtrimi i vazhdueshëm i fibrave; 5 - shtrimi i fibrave dy-dimensionale; 6.7 - shtrimi vëllimor i fibrave

ose një përbërje tjetër quhen materiale të përbëra (Fig. 196).

Materialet e përbëra me fibra. Në Fig. 196 tregon diagramet e përforcimit për materialet e përbëra fibroze. Sipas mekanizmit të veprimit përforcues, materialet e përbëra me një mbushës fijor (përforcues) ndahen në diskrete, në të cilat raporti i gjatësisë së fibrës me diametrin dhe me fibër të vazhdueshme, në të cilën fibrat diskrete ndodhen rastësisht në matricë. Diametri i fibrës varion nga fraksionet në qindra mikrometra. Sa më i madh të jetë raporti i gjatësisë me diametrin e fibrës, aq më e lartë është shkalla e forcimit.

Shpesh materiali i përbërë është një strukturë me shtresa në të cilën çdo shtresë është e përforcuar me një numër të madh fibrash paralele të vazhdueshme. Çdo shtresë mund të përforcohet gjithashtu me fibra të vazhdueshme të endura në një pëlhurë që përfaqëson formën origjinale, që përputhet me gjerësinë dhe gjatësinë e materialit përfundimtar. Shpesh fijet janë të endura në struktura tre-dimensionale.

Materialet e përbëra ndryshojnë nga lidhjet konvencionale në vlera më të larta të rezistencës në tërheqje dhe kufirit të qëndrueshmërisë (me 50-100%), modulit elastik, koeficientit të ngurtësisë () dhe një ndjeshmëri të reduktuar ndaj plasaritjes. Përdorimi i materialeve të përbëra rrit ngurtësinë e strukturës duke reduktuar njëkohësisht konsumin e saj metalik.

Tabela 44 (shih skanimin) Vetitë mekanike të materialeve të përbëra me bazë metali

Forca e materialeve të përbëra (fibroze) përcaktohet nga vetitë e fibrave; matrica duhet kryesisht të rishpërndajë sforcimet ndërmjet elementëve përforcues. Prandaj, forca dhe moduli elastik i fibrave duhet të jetë dukshëm më i madh se forca dhe moduli elastik i matricës. Fijet e ngurtë përforcuese perceptojnë streset që lindin në përbërje gjatë ngarkimit, duke i dhënë asaj forcë dhe ngurtësi në drejtim të orientimit të fibrës.

Për të forcuar aluminin, magnezin dhe lidhjet e tyre, përdoren fibra bor dhe karboni, si dhe fibra nga komponimet zjarrduruese (karbide, nitride, boride dhe okside) që kanë forcë të lartë dhe modul elastik. Kështu, fibrat e karbitit të silikonit me një diametër prej 100 mikron kanë tela çeliku me rezistencë të lartë që përdoren shpesh si fibra.

Për përforcimin e titanit dhe lidhjeve të tij përdoren tela molibden, fibra safiri, karabit silikoni dhe boridi i titanit.

Rritja e rezistencës ndaj nxehtësisë së lidhjeve të nikelit arrihet duke i përforcuar me tel tungsteni ose molibden. Fijet metalike përdoren edhe në rastet kur kërkohet përçueshmëri e lartë termike dhe elektrike. Forcues premtues për materialet e përbërë fibroze me rezistencë të lartë dhe me modul të lartë janë mustaqet nga oksidi dhe nitridi i aluminit, karabit dhe nitridi i silikonit, karabit bor, etj., që kanë

Në tabelë 44 tregon vetitë e disa materialeve të përbëra fibroze.

Materialet e përbëra me bazë metali kanë rezistencë të lartë dhe rezistencë ndaj nxehtësisë, ndërsa në të njëjtën kohë kanë plasticitet të ulët. Megjithatë, fibrat në materialet e përbëra zvogëlojnë shpejtësinë e përhapjes së plasaritjeve të bërthamës në matricë dhe eliminojnë pothuajse plotësisht të papriturat.

Oriz. 197. Varësia e modulit elastik E (a) dhe qëndrueshmërisë në tërheqje (b) të materialit të përbërë bor-alumin përgjatë (1) dhe përgjatë (2) boshtit të armaturës nga përmbajtja vëllimore e fibrës së borit

frakturë e brishtë. Tipar dallues Materialet e përbëra fibroze njëaksiale karakterizohen nga anizotropia e vetive mekanike përgjatë dhe përgjatë fibrave dhe ndjeshmëri e ulët ndaj përqendruesve të stresit.

Në Fig. 197 tregon varësinë dhe E të materialit të përbërë bor-alumin nga përmbajtja e fibrës së borit përgjatë (1) dhe përgjatë boshtit të përforcimit. Sa më e lartë të jetë përmbajtja vëllimore e fibrave, aq më e lartë është E përgjatë boshtit të përforcimit. Megjithatë, duhet të merret parasysh se matrica mund të transmetojë stres tek fibrat vetëm nëse ka një lidhje të fortë në ndërfaqen përforcuese fibër-matricë. Për të parandaluar kontaktin midis fibrave, matrica duhet të rrethojë plotësisht të gjitha fibrat, gjë që arrihet kur përmbajtja e saj është të paktën 15-20%.

Matrica dhe fibra nuk duhet të ndërveprojnë me njëra-tjetrën (nuk duhet të ketë difuzion të ndërsjellë) gjatë prodhimit ose funksionimit, pasi kjo mund të çojë në një ulje të forcës së materialit të përbërë.

Anizotropia e vetive të materialeve të përbëra me fibra merret parasysh gjatë projektimit të pjesëve për të optimizuar vetitë duke përputhur fushën e rezistencës me 6 fusha tensioni.

Përforcimi i lidhjeve të aluminit, magnezit dhe titanit me fibra të vazhdueshme zjarrduruese të borit, karbitit të silikonit, diboridit të titanit dhe oksidit të aluminit rrit ndjeshëm rezistencën ndaj nxehtësisë. Një tipar i materialeve të përbëra është shkalla e ulët e zbutjes me kalimin e kohës (Fig. 198, a) me rritjen e temperaturës.

Oriz. 198. Fortësia afatgjatë e materialit të përbërë bor-alumini që përmban 50% fibër bor, në krahasim me forcën e lidhjeve të titanit (a) dhe forcën afatgjatë të materialit të përbërë të nikelit në krahasim me forcën e lidhjeve dispersion-forcuese (b ): 1 - kompozit bor-alumin; 2 - aliazh titani; 3 - material kompozit i përforcuar me dispersion; 4 - lidhjet e ngurtësimit të reshjeve

Disavantazhi kryesor i materialeve të përbëra me përforcim një dhe dy-dimensional është rezistenca e ulët ndaj prerjes ndërshtresore dhe dështimit tërthor. Materialet me përforcim vëllimor nuk e kanë këtë pengesë.

Materiale të përbëra të përforcuara nga dispersioni. Ndryshe nga materialet e përbëra fibroze, në materialet e përbëra të forcuara me dispersion, matrica është elementi kryesor mbajtës i ngarkesës dhe grimcat e shpërndara pengojnë lëvizjen e dislokimeve në të. Fortësia e lartë arrihet me një madhësi grimcash 10-500 nm me një distancë mesatare ndërmjet tyre 100-500 nm dhe shpërndarje uniforme të tyre në matricë. Forca dhe rezistenca ndaj nxehtësisë, në varësi të përmbajtjes vëllimore të fazave të forcimit, nuk i binden ligjit të aditivitetit. Përmbajtja optimale e fazës së dytë ndryshon për metale të ndryshme, por zakonisht nuk e kalon

Përdorimi i përbërjeve zjarrduruese të qëndrueshme (oksidet e toriumit, hafniumit, itrit, komponimet komplekse të oksideve dhe metaleve të tokës së rrallë) që janë të patretshme në metalin e matricës si faza forcuese lejon ruajtjen e forcës së lartë të materialit deri në . Në këtë drejtim, materiale të tilla shpesh përdoren si rezistente ndaj nxehtësisë. Materialet e përbëra të përforcuara me dispersion mund të përftohen në bazë të shumicës së metaleve dhe lidhjeve të përdorura në teknologji.

Lidhjet më të përdorura me bazë alumini janë SAP (pluhur alumini i sinteruar). SAP përbëhet nga alumini dhe thekon të shpërndara.Grimcat pengojnë në mënyrë efektive lëvizjen e dislokimeve dhe në këtë mënyrë rrisin forcën

aliazh Përmbajtja në SAP ndryshon nga dhe në Me rritjen e përmbajtjes, rritet nga 300 në në dhe zgjatja relative zvogëlohet përkatësisht nga 8 në 3%. Dendësia e këtyre materialeve është e barabartë me densitetin e aluminit, ato nuk janë inferiore ndaj tij për sa i përket rezistencës ndaj korrozionit dhe madje mund të zëvendësojnë titanin dhe çeliqet rezistente ndaj korrozionit kur veprojnë në intervalin e temperaturës. Për sa i përket forcës afatgjatë, ato janë superiore ndaj lidhjeve të aluminit të farkëtuar. Forca afatgjatë për lidhjet në është

Materialet e përforcuara me dispersion nikel kanë perspektiva të mëdha. Lidhjet me bazë nikelit me 2-3 vëllime kanë rezistencën më të lartë ndaj nxehtësisë. dioksid toriumi ose dioksid hafniumi. Matrica e këtyre lidhjeve është zakonisht një tretësirë e ngurtë.Përdoren gjerësisht aliazhet (nikeli, i përforcuar nga dioksidi i toriumit), (nikeli, i përforcuar nga dioksidi i hafniumit) dhe (matrica, i përforcuar nga oksidi i toriumit). Këto lidhje kanë rezistencë të lartë ndaj nxehtësisë. Në temperaturë, aliazhi ka një aliazh Materialet e përbëra të forcuara me dispersion, si ato fibroze, janë rezistente ndaj zbutjes me rritjen e temperaturës dhe kohëzgjatjes së ekspozimit në një temperaturë të caktuar (shih Fig. 198).

Fushat e aplikimit të materialeve të përbëra nuk janë të kufizuara. Ato përdoren në aviacion për pjesë të avionëve me ngarkesë të lartë (lëkurë, spars, brinjë, panele, etj.) dhe motorë (kompresorë dhe tehe turbinash, etj.), në teknologjinë hapësinore për strukturat e fuqisë së pajisjeve që i nënshtrohen ngrohjes, për ngurtësuesit e elementeve, panele, në industrinë e automobilave për të lehtësuar trupat, sustat, kornizat, panelet e trupit, parakolpët, etj., në industrinë e minierave (veglat e shpimit, pjesët e kombinateve, etj.), në inxhinierinë civile (hapësirat e urave, elementët e strukturave të parafabrikuara të larta -ndërtesa të ngritura etj.) dhe në fusha të tjera të ekonomisë kombëtare.

Përdorimi i materialeve të përbëra ofron një hap të ri cilësor në rritjen e fuqisë së motorëve, fuqisë dhe instalimeve të transportit dhe uljen e peshës së makinerive dhe pajisjeve.

Teknologjia për prodhimin e produkteve gjysëm të gatshme dhe produkteve nga materialet e përbëra është mjaft e zhvilluar.

Materialet e përbëra përbëhen nga një matricë metalike (zakonisht Al, Mg, Ni dhe lidhjet e tyre), të forcuara me fibra me rezistencë të lartë (materiale fibroze) ose grimca zjarrduruese të shpërndara imët që nuk treten në metalin bazë (materiale të forcuara me dispersion). Matrica metalike lidh fijet (grimcat e shpërndara) në një tërësi të vetme. Fibra (grimcat e shpërndara) plus një lidhës (matricë) që përbëjnë një ose një përbërje tjetër quhen materiale të përbëra.

Materiale të përbëra me matricë jometalike

Materialet e përbëra me një matricë jometalike kanë gjetur aplikim të gjerë. Materialet polimer, karboni dhe qeramika përdoren si matrica jometalike. Matricat polimere më të përdorura janë epoksi, fenol-formaldehidi dhe poliamidi.

Matricat e karbonit të koksuar ose pirokarbonike përftohen nga polimere sintetike që i nënshtrohen pirolizës. Matrica lidh përbërjen, duke i dhënë formë. Forcuesit janë fijet: qelqi, karboni, bor, organik, me bazë kristalet e mustaqeve (okside, karbide, boride, nitride dhe të tjera), si dhe metal (tela), të cilët kanë forcë dhe ngurtësi të lartë.

Vetitë e materialeve të përbëra varen nga përbërja e përbërësve, kombinimi i tyre, raporti sasior dhe forca e lidhjes ndërmjet tyre.

Materialet përforcuese mund të jenë në formën e fibrave, fijeve, fijeve, shiritave, pëlhurave me shumë shtresa.

Përmbajtja e ngurtësuesit në materialet e orientuara është 60-80 vol.%, në materialet jo të orientuara (me fibra diskrete dhe mustaqe) - 20-30 vol.%. Sa më e lartë të jetë forca dhe moduli elastik i fibrave, aq më e lartë është forca dhe ngurtësia e materialit të përbërë. Vetitë e matricës përcaktojnë rezistencën në prerje dhe shtypje të përbërjes dhe rezistencën ndaj dështimit të lodhjes.

Në bazë të llojit të përforcimit, materialet e përbëra klasifikohen në fibra qelqi, fibra karboni me fibra karboni, fibra bori dhe fibra organike.

Në materialet e shtresuara, fijet, fijet, shiritat e ngopur me një lidhës vendosen paralelisht me njëri-tjetrin në rrafshin e shtrimit. Shtresat e sheshta janë mbledhur në pllaka. Vetitë janë anizotropike. Që materiali të funksionojë në një produkt, është e rëndësishme të merret parasysh drejtimi i ngarkesave që veprojnë. Është e mundur të krijohen materiale me veti izotropike dhe anizotropike. Fijet mund të vendosen në kënde të ndryshme, duke ndryshuar vetitë e materialeve të përbëra. Ngurtësitë përkulëse dhe rrotulluese të materialit varen nga rendi në të cilin shtresat janë shtruar përgjatë trashësisë së paketimit.

Përdoren përforcues të tre, katër ose më shumë fijeve.

Struktura më e përdorur është një strukturë me tre fije pingule reciproke. Përforcuesit mund të vendosen në drejtimet boshtore, radiale dhe rrethore.

Materialet tredimensionale mund të jenë të çdo trashësie në formën e blloqeve ose cilindrave. Pëlhurat e mëdha rrisin forcën e lëvozhgës dhe forcën e prerjes në krahasim me pëlhurat e laminuara. Një sistem me katër fije është ndërtuar duke zbërthyer përforcimin përgjatë diagonaleve të kubit. Struktura e katër fijeve është ekuilibër dhe ka një ngurtësi prerëse të rritur në rrafshet kryesore.

Megjithatë, krijimi i katër materialeve të drejtimit është më i vështirë sesa krijimi i tre materialeve të drejtimit.

KARAKTERISTIKAT E PËRGJITHSHME DHE KLASIFIKIMI

Materialet metalike dhe jometalike të përdorura tradicionalisht kanë arritur kryesisht kufijtë e tyre të forcës strukturore. Në të njëjtën kohë, zhvillimi i teknologjisë moderne kërkon krijimin e materialeve që funksionojnë në mënyrë të besueshme në një kombinim kompleks të fushave të forcës dhe temperaturës, kur ekspozohen ndaj mjediseve agresive, rrezatimit, vakumit të lartë dhe presioneve të larta. Shpesh, kërkesat për materialet mund të jenë kontradiktore. Ky problem mund të zgjidhet duke përdorur materiale të përbëra.

Materiali i përbërë(CM) ose i përbërë është një sistem heterogjen tre-dimensional i përbërë nga komponentë të pazgjidhshëm reciprokisht që ndryshojnë shumë në veti, struktura e të cilave lejon që dikush të përfitojë nga avantazhet e secilit prej tyre.

Njeriu e huazoi parimin e ndërtimit të CM nga natyra. Materialet tipike të përbëra janë trungjet e pemëve, kërcellet e bimëve, kockat e njeriut dhe të kafshëve.

CM-të ju lejojnë të keni një kombinim të caktuar të vetive heterogjene: forcë dhe ngurtësi specifike të lartë, rezistencë ndaj nxehtësisë, rezistencë ndaj konsumit, veti mbrojtëse ndaj nxehtësisë, etj. Gama e vetive të CM-ve nuk mund të merret duke përdorur materiale konvencionale. Përdorimi i tyre bën të mundur krijimin e modeleve më parë të paarritshme, thelbësisht të reja.

Falë CM, një hap i ri cilësor është bërë i mundur në rritjen e fuqisë së motorit, uljen e peshës së makinerive dhe strukturave dhe rritjen e efikasitetit të peshës së automjeteve dhe mjeteve të hapësirës ajrore.

Karakteristikat e rëndësishme të materialeve që veprojnë në këto kushte janë forca specifike σ në /ρ dhe ngurtësia specifike E/ρ, ku σ në është rezistenca e përkohshme, E- moduli i elasticitetit normal, ρ – dendësia e materialit.

Lidhjet me forcë të lartë, si rregull, kanë duktilitet të ulët, ndjeshmëri të lartë ndaj përqendruesve të stresit dhe rezistencë relativisht të ulët ndaj zhvillimit të çarjeve të lodhjes. Megjithëse materialet e përbëra mund të kenë gjithashtu duktilitet të ulët, ato janë shumë më pak të ndjeshme ndaj faktorëve që rritin stresin dhe janë më rezistent ndaj dështimit të lodhjes. Kjo shpjegohet me mekanizma të ndryshëm të formimit të çarjeve në çeliqet dhe lidhjet me rezistencë të lartë. Në çeliqet me rezistencë të lartë, një çarje, pasi ka arritur një madhësi kritike, zhvillohet më pas me një ritëm progresiv.

Një mekanizëm i ndryshëm funksionon në materialet e përbëra. Një çarje, duke lëvizur në matricë, ndeshet me një pengesë në ndërfaqen matricë-fibër. Fijet pengojnë zhvillimin e çarjeve dhe prania e tyre në matricën plastike çon në një rritje të rezistencës ndaj thyerjes.

Kështu, sistemi i përbërë kombinon dy veti të kundërta të nevojshme për materialet strukturore - forcë të lartë për shkak të fibrave me forcë të lartë dhe rezistencë të mjaftueshme ndaj thyerjes për shkak të matricës plastike dhe mekanizmit të shpërndarjes së energjisë së thyerjes.

CM-të përbëhen nga një material bazë matricë relativisht plastik dhe komponentë më të fortë dhe më të qëndrueshëm, të cilët janë mbushës. Vetitë e CM varen nga vetitë e bazës, mbushësit dhe forca e lidhjes ndërmjet tyre.

Matrica e lidh përbërjen në një monolit, i jep formë dhe shërben për të transferuar ngarkesa të jashtme në përforcimin e mbushësit. Në varësi të materialit bazë, CM-të dallohen me matricë metalike, ose materiale kompozite metalike (MCM), me materiale kompozite polimer - polimer (PCM) dhe me materiale kompozite qeramike - qeramike (CCM).

Roli kryesor në forcimin e CM-ve luhet nga mbushësit, të quajtur shpesh forcuesit. Ata kanë forcë të lartë, fortësi dhe modul elastik. Bazuar në llojin e mbushësve përforcues, CM-të ndahen në dispersioni u forcua,fibroze Dhe shtresore(Fig. 28.2).

Oriz. 28.2. Skemat e strukturës së materialeve të përbëra: A) dispersioni i përforcuar; b) fibroze; V) shtresore

Grimcat zjarrduruese të vogla, të shpërndara në mënyrë të barabartë të karbiteve, oksideve, nitrideve, etj., futen artificialisht në CM të forcuara nga dispersioni, të cilat nuk ndërveprojnë me matricën dhe nuk treten në të deri në temperaturën e shkrirjes së fazave. Sa më të vogla të jenë grimcat mbushëse dhe sa më e vogël të jetë distanca midis tyre, aq më i fortë është CM. Ndryshe nga ato fibroze, në CM-të e përforcuara me dispersion elementi kryesor mbajtës i ngarkesës është matrica. Një grup grimcash mbushëse të shpërndara forcon materialin duke i rezistuar lëvizjes së dislokimeve nën ngarkim, gjë që e bën më të vështirë deformimin plastik. Rezistenca efektive ndaj lëvizjes së dislokimeve krijohet deri në temperaturën e shkrirjes së matricës, për shkak të së cilës CM-të e forcuara nga dispersioni dallohen nga rezistencë e lartë ndaj nxehtësisë dhe rezistencë ndaj zvarritjes.

Përforcimi në materialet e përbëra fibroze mund të jenë fibra të formave të ndryshme: fije, shirita, rrjeta të endjeve të ndryshme. Përforcimi i CM fibroze mund të kryhet sipas një skeme njëaksiale, biaksiale dhe triaksiale (Fig. 28.3, A).

Forca dhe ngurtësia e materialeve të tilla përcaktohet nga vetitë e fibrave përforcuese që mbajnë ngarkesën kryesore. Përforcimi jep një rritje më të madhe të forcës, por forcimi i dispersionit është teknologjikisht më i lehtë për t'u zbatuar.

Materialet e përbëra me shtresa (Fig. 28.3, b) janë të përbëra nga shtresa të alternuara të materialit mbushës dhe matricës (lloji "sanduiç"). Shtresat mbushëse në CM të tilla mund të kenë orientime të ndryshme. Është e mundur të përdoren në mënyrë alternative shtresat e mbushësit të bëra nga materiale të ndryshme me veti mekanike të ndryshme. Për kompozimet me shtresa, zakonisht përdoren materiale jo metalike.

Oriz. 28.3. Skemat e përforcimit të fibrave ( A) dhe me shtresa ( b) materiale të përbëra

MATERIALE TË PËRBËRSHME TË SHPËRNDARJE-RESTROENUARA

Gjatë forcimit të dispersionit, grimcat bllokojnë proceset e rrëshqitjes në matricë. Efektiviteti i ngurtësimit, që i nënshtrohet ndërveprimit minimal me matricën, varet nga lloji i grimcave, përqendrimi i tyre në vëllim, si dhe uniformiteti i shpërndarjes në matricë. Përdoren grimca të shpërndara të fazave zjarrduruese si Al 2 O 3, SiO 2, BN, SiC, të cilat kanë një densitet të ulët dhe një modul të lartë elastik. CM-të zakonisht prodhohen nga metalurgjia pluhur, një avantazh i rëndësishëm i së cilës është izotropia e vetive në drejtime të ndryshme.

Në industri, CM-të e përforcuara me dispersion përdoren zakonisht në baza alumini dhe, më rrallë, në baza nikel. Përfaqësues tipikë të këtij lloji të materialeve të përbëra janë materiale të tilla si SAP (pluhur alumini i sinteruar), të cilat përbëhen nga një matricë alumini e forcuar nga grimcat e shpërndara të oksidit të aluminit. Pluhuri i aluminit përftohet duke spërkatur metalin e shkrirë, i ndjekur nga bluarja në mullinj me top në një madhësi prej rreth 1 mikron në prani të oksigjenit. Me rritjen e kohës së bluarjes, pluhuri bëhet më i imët dhe përmbajtja e tij e oksidit të aluminit rritet. Teknologjia e mëtejshme për prodhimin e produkteve dhe produkteve gjysëm të gatshme nga SAP përfshin presimin e ftohtë, parasinterimin, shtypjen e nxehtë, rrotullimin ose nxjerrjen e një bilete alumini të sinteruar në formën e produkteve të gatshme që mund t'i nënshtrohen trajtimit shtesë të nxehtësisë.

Lidhjet e tipit SAP deformohen në mënyrë të kënaqshme në gjendje të nxehtë, dhe lidhjet me 6–9% Al 2 O 3 - edhe në temperatura e dhomës. Prej tyre, vizatimi i ftohtë mund të përdoret për të prodhuar fletë metalike deri në 0,03 mm të trashë. Këto materiale janë të lehta për t'u prerë dhe kanë rezistencë të lartë korrozioni.

Notat SAP të përdorura në Rusi përmbajnë 6–23% Al 2 O 3 . Ka SAP-1 me përmbajtje 6–9, SAP-2 me 9–13, SAP-3 me 13–18% Al 2 O 3. Me rritjen e përqendrimit vëllimor të oksidit të aluminit, forca e materialeve të përbëra rritet. Në temperaturën e dhomës, karakteristikat e forcës së SAP-1 janë si më poshtë: σ in = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 janë si më poshtë: σ në = 420 MPa, σ 0,2 = 340 MPa.

Materialet si SAP kanë rezistencë të lartë ndaj nxehtësisë dhe janë superiore ndaj të gjitha lidhjeve të aluminit të farkëtuar. Edhe në një temperaturë prej 500 °C σ e tyre është të paktën 60-110 MPa. Rezistenca ndaj nxehtësisë shpjegohet me efektin frenues të grimcave të shpërndara në procesin e rikristalizimit. Karakteristikat e forcës së lidhjeve të tipit SAP janë shumë të qëndrueshme. Testet afatgjata të forcës së lidhjeve të tipit SAP-3 për 2 vjet nuk patën praktikisht asnjë efekt në nivelin e vetive si në temperaturën e dhomës ashtu edhe kur nxehen në 500 °C. Në 400 °C, forca e SAP është 5 herë më e lartë se forca e lidhjeve të vjetruara të aluminit.

Lidhjet e tipit SAP përdoren në teknologjinë e aviacionit për prodhimin e pjesëve me forcë specifike të lartë dhe rezistencë ndaj korrozionit, që funksionojnë në temperatura deri në 300–500 °C. Prej tyre bëhen shufra pistoni, tehe kompresori, predha të elementeve të karburantit dhe tubat e shkëmbyesit të nxehtësisë.

CM prodhohet duke përdorur metalurgjinë pluhur duke përdorur grimca të shpërndara të karabit të silikonit SiC. Përbërja kimike SiC ka një sërë vetish pozitive: pikë e lartë shkrirjeje (më shumë se 2650 °C), forcë e lartë (rreth 2000 MPa) dhe modul elastik (> 450 GPa), densitet të ulët (3200 kg/m3) dhe rezistencë të mirë ndaj korrozionit. . Prodhimi i pluhurave të silikonit gërryes është zotëruar nga industria.

Lidhja e aluminit dhe pluhurat SiC përzihen, ngjeshen paraprakisht nën presion të ulët, pastaj shtypen me presion të nxehtë në kontejnerë çeliku në vakum në temperaturën e shkrirjes së lidhjes së matricës, d.m.th. në një gjendje të ngurtë-të lëngshme. Pjesa e punës që rezulton i nënshtrohet deformimit dytësor për të marrë produkte gjysëm të gatshme të formës dhe madhësisë së kërkuar: fletë, shufra, profile, etj.

Materialet e përbëra përbëhen nga një matricë metalike(zakonisht A1, Mg, Ni dhe lidhjet e tyre), të përforcuara me fibra me qëndrueshmëri të lartë (materiale fibroze) ose grimca zjarrduruese të shpërndara imët, i pazgjidhshëm në metalin bazë (materiale të forcuara me dispersion). Matrica metalike lidh fijet (grimcat e shpërndara) në një tërësi të vetme. Fibër (grimca të shpërndara) plus një lidhës (matricë) që përbën

Oriz. 1

1 - material granular (i përforcuar me dispersion). (l/d- Unë): 2 - material kompozit fijor diskret; 3 - material i përbërë me fibra të vazhdueshme; 4 - shtrimi i vazhdueshëm i fibrave; 5 - vendosja e fibrave dydimensionale; 6,7 - shtrimi vëllimor i fibrave

ose përbërje tjetër, mori emrin materiale të përbëra(Fig. 196).

Materialet e përbëra me fibra.

Në Fig. 196 tregon diagramet e përforcimit për materialet e përbëra fibroze. Materialet e përbëra me mbushës fijor (përforcues) sipas mekanizmit të veprimit përforcues ndahen në diskrete, në të cilat raporti i gjatësisë së fibrës me diametrin l/d « 10-tL03, dhe me fibër të vazhdueshme, në të cilën l/d = bashkë. Fijet diskrete janë rregulluar rastësisht në matricë. Diametri i fibrës varion nga fraksionet në qindra mikrometra. Sa më i madh të jetë raporti i gjatësisë me diametrin e fibrës, aq më e lartë është shkalla e forcimit.

Materialet e përbëra ndryshojnë nga lidhjet konvencionale në vlera më të larta të rezistencës në tërheqje dhe kufirit të qëndrueshmërisë (nga 50-100%), modulit elastik dhe koeficientit të ngurtësisë. (Ely) dhe reduktuar ndjeshmërinë ndaj plasaritjes. Përdorimi i materialeve të përbëra rrit ngurtësinë e strukturës duke reduktuar njëkohësisht konsumin e saj metalik.

Tabela 44

Vetitë mekanike të materialeve të përbëra me bazë metali

Për të forcuar aluminin, magnezin dhe lidhjet e tyre, përdoren përbërjet e borit (rreth = 2500-*-3500 MPa, E = 38h-420 GPa) dhe karboni (st v = 1400-g-3500 MPa, E 160-450 GPa) fibra, si dhe fibra nga komponime zjarrduruese (karbide, nitride, boride dhe okside) me forcë të lartë dhe modul elastik. Kështu, fibrat e karbitit të silikonit me një diametër prej 100 μm kanë një temperaturë prej = 2500-*t3500 MPa, E= 450 GPa. Teli i bërë nga çeliqet me rezistencë të lartë përdoret shpesh si fije.

Për përforcimin e titanit dhe lidhjeve të tij përdoren tela molibden, fibra safiri, karabit silikoni dhe boridi i titanit.

Rritja e rezistencës ndaj nxehtësisë së lidhjeve të nikelit arrihet duke i përforcuar me tel tungsteni ose molibden. Fijet metalike përdoren edhe në rastet kur kërkohet përçueshmëri e lartë termike dhe elektrike. Forcues premtues për materialet kompozite fibroze me qëndrueshmëri të lartë dhe me modul të lartë janë mustaqet e bëra nga oksidi dhe nitridi i aluminit, karbidi dhe nitridi i silikonit, karabidi i borit, etj., që kanë një b = 15,000-g-28,000 MPa dhe E= 400-*-600 GPa.

Në tabelë 44 tregon vetitë e disa materialeve të përbëra fibroze.

Materialet e përbëra me bazë metali kanë qëndrueshmëri të lartë (st, a_ x) dhe rezistencë ndaj nxehtësisë, ndërsa në të njëjtën kohë kanë një plasticitet të ulët. Megjithatë, fibrat në materialet e përbëra zvogëlojnë shpejtësinë e përhapjes së plasaritjeve të bërthamës në matricë dhe eliminojnë pothuajse plotësisht të papriturat.

Oriz. 197. Varësia e modulit të elasticitetit E(a) dhe qëndrueshmëria në tërheqje o në (b) materiali i përbërë bor-alumin përgjatë (/) dhe përtej (2) boshti i përforcimit në varësi të përmbajtjes vëllimore të fibrës së borit

frakturë e brishtë. Një tipar dallues i materialeve të përbëra fibroze njëaksiale është anizotropia e vetive mekanike përgjatë dhe nëpër fibra dhe ndjeshmëria e ulët ndaj përqendruesve të stresit.

Në Fig. 197 tregon varësinë a në dhe E material i përbërë bor-alumin nga përmbajtja e fibrës së borit përgjatë (/) dhe përgjatë ( 2 ) boshti i armaturës. Sa më e lartë të jetë përmbajtja vëllimore e fibrave, aq më e lartë është a b, a_ t dhe E përgjatë boshtit të armaturës. Megjithatë, duhet të merret parasysh se matrica mund të transmetojë stres tek fibrat vetëm nëse ka një lidhje të fortë në ndërfaqen përforcuese fibër-matricë. Për të parandaluar kontaktin midis fibrave, matrica duhet të rrethojë plotësisht të gjitha fibrat, gjë që arrihet kur përmbajtja e saj është të paktën 15-20%.

Anizotropia e vetive të materialeve të përbëra fibroze merret parasysh kur projektohen pjesë për të optimizuar vetitë duke përputhur fushën e rezistencës me fushat e stresit.

Oriz. 198. Fortësia afatgjatë e materialit të përbërë bor-alumini që përmban 50% fibër bori në krahasim me forcën e lidhjeve të titanit (a) dhe forcën afatgjatë të materialit të përbërë të nikelit në krahasim me forcën e lidhjeve të ngurtësimit me dispersion (b) :

/ - kompozit bor-alumin; 2 - aliazh titani; 3 - material kompozit i përforcuar me dispersion; 4 - lidhjet dispersion-forcuese

Disavantazhi kryesor i materialeve të përbëra me përforcim një dhe dy-dimensional është rezistenca e ulët ndaj prerjes ndërshtresore dhe thyerjes tërthore. Materialet me përforcim vëllimor nuk e kanë këtë pengesë.