Sıvı metal içeren kompozit malzemeler. Metal bir taban üzerinde kompozit malzemeler

Toz dolgu maddesi, kompozitin fonksiyonel özelliklerinde dolgu malzemesinin doğasında bulunan özellikleri gerçekleştirmek için kompozit malzemenin matrisine eklenir. Toz kompozitlerde matris esas olarak metaller ve polimerlerdir. Polimer matrisli toz kompozitlerin adı "Plastik".

Metal matrisli kompozitler

ile kompozitler metal matris. Metal matrisli toz kompozitler, matris ve dolgu tozlarının bir karışımının soğuk veya sıcak preslenmesi ve ardından elde edilen yarı mamul ürünün yaklaşık 0.75°C'lik sıcaklıklarda inert veya indirgeyici bir ortamda sinterlenmesiyle elde edilir. T pl metal matris. Bazen presleme ve sinterleme işlemleri birleştirilir. Üretim teknolojisi toz kompozitler arandı "Toz metalurjisi". Toz metalurjisi, özel özelliklere sahip sermetler ve alaşımlar üretmek için kullanılır.

sermetler dolgu maddesi karbürler, oksitler, borürler, silisitler, nitrürler vb. gibi dağınık seramik parçacıkları olan metal matrisli kompozit malzemeler olarak adlandırılır. Matris olarak esas olarak kobalt, nikel ve krom kullanılır. Sermetler, seramiklerin sertliğini ve ısı direncini ve ısı direncini metallerin yüksek viskozitesi ve termal iletkenliği ile birleştirir. Bu nedenle sermetler, seramiğin aksine daha az kırılgandır ve büyük sıcaklık düşüşlerine tahribat olmadan dayanabilir.

Çoğu geniş uygulama sermetler metal işleme aletlerinin üretiminde elde edildi. Toz sert alaşımlar alet sermetleri denir.

Sert alaşımların toz dolgu maddesi, %80 veya daha fazla miktarda karbürler veya karbonitrürlerdir. Dolgu maddesinin tipine ve kompozitin matrisi olarak görev yapan metale bağlı olarak, toz haline getirilmiş sert alaşımlar dört gruba ayrılır:

1) WC-Co - tek karbür BK tipi;
2) WC-TiC-Co - iki karbür tipi TK,
3) WC-TiC-TaC-Co - üç karbür tipi TTK;
4) TiC ve TiCN- (Ni + Mo) - karbür ve titanyum karbonitrür bazlı alaşımlar - tungsten içermeyen tip TH ve KNT.

VK alaşımları. Alaşımlar, VK harfleri ve kobalt içeriğini gösteren bir sayı ile işaretlenmiştir. Örneğin, VK6 alaşımının bileşimi %94 WC ve %6 Co'dur. VK alaşımlarının ısı direnci yaklaşık 900 °C'dir. Bu grubun alaşımları, diğer sert alaşımlara kıyasla en yüksek dayanıma sahiptir.

TK alaşımları. Alaşımlar, harf ve sayıların bir kombinasyonu ile belirtilir. T'den sonraki sayı, K - kobalttan sonra alaşımdaki titanyum karbür içeriğini gösterir. Örneğin, T15K6 alaşımının bileşimi: TiC - %15, Co - %6, geri kalanı, %79 - WC. Dolgu maddesine daha sert bir titanyum karbürün eklenmesi nedeniyle TK alaşımlarının sertliği, VK alaşımlarının sertliğinden daha fazladır, ayrıca ısı direncinde - 1000 ° C'de bir avantaja sahiptirler, ancak güçleri eşit kobalt içeriği ile daha düşüktür.

Alaşımlar TTK (TT7K12, TT8K, TT20K9). TTK alaşımlarının tanımı TK'ye benzer. İkinci T harfinden sonraki sayı, TiC ve TaC karbürlerin toplam içeriğini gösterir.

Eşit ısı direnci (1000 °C) ile TTK alaşımları, hem sertlik hem de mukavemet açısından aynı kobalt içeriğine sahip TK alaşımlarını geride bırakır. Tantal karbür ile alaşımlamanın en büyük etkisi döngüsel yükler altında kendini gösterir - darbe yorulma ömrü 25 kata kadar artar. Bu nedenle, tantal içeren alaşımlar esas olarak yüksek güç ve sıcaklık yükleri ile zorlu kesme koşulları için kullanılır.

Alaşımlar TN, KNT. Bunlar, kobalt bağlayıcı değil, nikel-molibdenli titanyum karbür ve karbonitrid bazlı tungsten içermeyen sert alaşımlardır (BHTS).

Isı direnci açısından BVTS, tungsten içeren alaşımlardan daha düşüktür, BVTS'nin ısı direnci 800 ° C'yi geçmez. Mukavemetleri ve elastikiyet modülleri de daha düşüktür. BVTS'nin ısı kapasitesi ve termal iletkenliği, geleneksel alaşımlardan daha düşüktür.

nispeten olmasına rağmen düşük maliyetli BVTS'nin kesici takımların imalatında yaygın olarak kullanılması sorunludur. Ölçme (uç bloklar, mastarlar) ve çizim aletlerinin üretimi için tungsten içermeyen alaşımların kullanılması en uygunudur.

Metal matris, topluca süper sert malzemeler (STM) olarak adlandırılan elmas ve kübik bor nitrürden yapılmış toz dolguyu yapıştırmak için de kullanılır. Kompozit malzemeler STM dolgulu bir işleme aracı olarak kullanılır.

Elmas tozu dolgu için matris seçimi, elmasın düşük ısı direnci ile sınırlıdır. Matris, yanma veya elmas grafitizasyonu hariç, elmas dolgu tanelerinin güvenilir şekilde bağlanması için bir termokimyasal rejim sağlamalıdır. Kalay bronzları en yaygın olarak elmas dolgu maddesini bağlamak için kullanılır. Bor nitrürün daha yüksek ısı direnci ve kimyasal inertliği, demir, kobalt ve sert alaşım bazlı bağlayıcıların kullanılmasını mümkün kılar.

STM'li alet, esas olarak, işlenmiş malzemenin yüzeyinin dönen bir daire ile taşlanmasıyla gerçekleştirilen daireler şeklinde yapılır. Elmas ve bor nitrür bazlı aşındırıcı diskler, kesici takımların bilenmesi ve bitirilmesi için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Elmas ve bor nitrür bazlı aşındırıcı aletler karşılaştırıldığında, bu iki grubun birbiriyle rekabet etmediğini, ancak kendi akılcı kullanım alanlarına sahip olduğuna dikkat edilmelidir. Bu, fiziksel, mekanik ve kimyasal özelliklerindeki farklılıklar tarafından belirlenir.

Bir alet malzemesi olarak elmasın bor nitrür üzerindeki avantajları, termal iletkenliğinin daha yüksek ve termal genleşme katsayısının daha düşük olması gerçeğini içerir. Bununla birlikte, belirleyici faktör, demir bazlı alaşımlar - çelikler ve dökme demirler ile ilgili olarak elmasın yüksek difüzyon kapasitesi ve aksine, bor nitrürün bu malzemelere karşı eylemsizliğidir.

Yüksek sıcaklıklarda, elmasın demir bazlı alaşımlarla aktif bir difüzyon etkileşimi gözlenir. os'nin altındaki sıcaklıklarda

Bir elmasın havada uygunluğunun sıcaklık sınırlamaları vardır. Elmas, 400 °C sıcaklıkta gözle görülür bir oranda oksitlenmeye başlar. Devamı yüksek sıcaklıklar karbondioksit salınımı ile yanar. Aynı zamanda operasyonel yetenekleri de sınırlar. elmas aracı kübik bor nitrür bazlı bir aletle karşılaştırıldığında. Havadaki bor nitrürün gözle görülür bir oksidasyonu, yalnızca 1200 ° C sıcaklıkta bir saatlik maruziyetten sonra gözlenir.

Elmasın inert bir ortamda performansının sıcaklık sınırı, 1000 ° C'ye ısıtıldığında başlayan termodinamik olarak kararlı bir karbon - grafit formuna dönüşümü ile sınırlıdır.

Sermetler için bir başka geniş uygulama alanı, sermet olarak kullanımlarıdır. yapısal malzeme yeni teknoloji nesneleri için yüksek sıcaklık tanımı.

Metal matrisli toz kompozitlerin hizmet özellikleri, esas olarak dolgu maddesinin özelliklerine göre belirlenir. Bu nedenle, özel bir özelliğe sahip toz kompozit malzemeler için en yaygın sınıflandırma uygulama alanına göredir.

Kompozit malzemeler, yüksek mukavemetli liflerle (lifli malzemeler) veya ana metalde çözünmeyen ince dağılmış refrakter parçacıklarla (dağılımla sertleştirilmiş malzemeler) takviye edilmiş bir metal matristen (genellikle Al, Mg, Ni ve alaşımları) oluşur. Metal matris, lifleri (dağılmış parçacıklar) tek bir bütün halinde bağlar. Fiber (dağılmış parçacıklar) artı oluşturan bir bağlayıcı (matris)

Pirinç. 196. Kompozit malzemelerin yapısının (a) ve sürekli elyaf takviyesinin (b) şeması: 1 - granüler (dağılımla sertleştirilmiş) malzeme (l / d = 1); 2 - ayrı lifli kompozit malzeme; 3 - sürekli lifli kompozit malzeme; 4 - liflerin sürekli döşenmesi; 5 - iki boyutlu liflerin döşenmesi; 6.7 - liflerin toplu ambalajlanması

veya kompozit malzemeler adı verilen başka bir bileşim (Şekil 196).

Lifli kompozit malzemeler.İncirde. 196, lifli kompozit malzemelerin takviye şemalarını göstermektedir. Lifli dolgulu (sertleştirici) kompozit malzemeler, takviye edici etki mekanizmasına göre, lif uzunluğunun çapa oranının ve ayrı liflerin matriste rastgele yerleştirildiği sürekli lifli ayrı olanlara ayrılır. Liflerin çapı, kesirlerden yüzlerce mikrometreye kadardır. Fiberin uzunluğunun çapına oranı ne kadar büyük olursa, sertleşme derecesi o kadar yüksek olur.

Çoğu zaman kompozit malzeme, her bir katmanın çok sayıda paralel sürekli fiberle takviye edildiği katmanlı bir yapıdır. Her katman, aynı zamanda, nihai malzemeye karşılık gelen genişlik ve uzunlukta orijinal şekil olan bir kumaşa dokunan sürekli liflerle de güçlendirilebilir. Çoğu zaman, lifler üç boyutlu yapılar halinde dokunur.

Kompozit malzemeler, daha yüksek nihai çekme mukavemeti ve dayanıklılık limiti (% 50-100), elastik modül, sertlik katsayısı () ve çatlak oluşumuna karşı azaltılmış eğilim açısından geleneksel alaşımlardan farklıdır. Kompozit malzeme kullanımı yapının rijitliğini arttırırken metal tüketimini azaltır.

Tablo 44 (taramaya bakın) Metal bazlı kompozitlerin mekanik özellikleri

Kompozit (lifli) malzemelerin mukavemeti, liflerin özelliklerine göre belirlenir; matris, esas olarak, takviye elemanları arasındaki gerilmeleri yeniden dağıtmalıdır. Bu nedenle, liflerin mukavemeti ve elastik modülü, matrisin mukavemetinden ve elastik modülünden önemli ölçüde daha büyük olmalıdır. Sert takviye lifleri, yükleme sırasında bileşimde ortaya çıkan gerilimleri emer, bileşime lif yönü yönünde mukavemet ve sertlik kazandırır.

Alüminyum, magnezyum ve alaşımlarını güçlendirmek için yüksek mukavemetli ve elastik modüllü refrakter bileşiklerden (karbürler, nitrürler, boritler ve oksitler) gelen liflerin yanı sıra bor ve karbon lifleri kullanılır. Bu nedenle, 100 mikron çapında silisyum karbür lifler genellikle yüksek mukavemetli çelik tel lifleri olarak kullanılır.

Titanyum ve alaşımlarının güçlendirilmesi için molibden tel, safir lifler, silisyum karbür ve titanyum borür kullanılır.

Nikel alaşımlarının ısı direncinde bir artış, onları tungsten veya molibden tel ile güçlendirerek elde edilir. Metal lifler ayrıca yüksek ısı ve elektrik iletkenliğinin gerekli olduğu durumlarda da kullanılmaktadır. Yüksek mukavemetli ve yüksek modüllü lifli kompozit malzemeler için umut verici sertleştiriciler, alüminyum oksit ve nitrür, silisyum karbür ve nitrür, bor karbür vb.

Tablo 44, bazı lifli kompozitlerin özelliklerini göstermektedir.

Metal bazlı kompozit malzemeler yüksek mukavemet ve ısı direncine sahiptir, aynı zamanda düşük plastiktir. Bununla birlikte, kompozitlerdeki lifler, matristen kaynaklanan çatlakların yayılma hızını azaltır ve ani çatlakları neredeyse tamamen ortadan kaldırır.

Pirinç. 197. Boron-alüminyum kompozit malzemenin elastisite modülünün E (a) ve nihai direncinin (b) bor lifinin hacimsel içeriğine (1) ve (2) boyunca takviye eksenine bağımlılığı

kırılgan yıkım. Ayırt edici özellik tek eksenli lifli kompozit malzemeler, lifler boyunca ve lifler boyunca mekanik özelliklerin anizotropisi ve stres yoğunlaştırıcılara karşı düşük hassasiyettir.

İncirde. 197, boron-alüminyum kompozit malzemenin (1) boyunca ve donatı ekseni boyunca boron fiber içeriğine bağımlılığını ve E'sini göstermektedir. Liflerin hacimsel içeriği ne kadar yüksek olursa, takviye ekseni boyunca o kadar yüksek ve E. Bununla birlikte, matrisin, yalnızca takviye edici elyaf-matris ara yüzeyinde güçlü bir bağ olduğunda elyaflara stres iletebileceği akılda tutulmalıdır. Lifler arasındaki teması önlemek için matris, en az %15-20'lik bir içerikle elde edilen tüm lifleri tamamen çevrelemelidir.

Matris ve fiber, kompozit malzemenin mukavemetinde bir azalmaya yol açabileceğinden, imalat veya operasyon sırasında birbirleriyle etkileşime girmemelidir (karşılıklı difüzyon olmamalıdır).

Direnç alanını 6 stres alanıyla eşleştirerek özellikleri optimize etmek için parçalar tasarlanırken lifli kompozit malzemelerin özelliklerinin anizotropisi dikkate alınır.

Alüminyum, magnezyum ve titanyum alaşımlarının bor, silisyum karbür, titanyum diborid ve alüminyum oksitten oluşan sürekli refrakter liflerle güçlendirilmesi, ısı direncini önemli ölçüde artırır. Kompozit malzemelerin bir özelliği, artan sıcaklıkla zamanla düşük yumuşama hızıdır (Şekil 198, a).

Pirinç. 198. Titanyum alaşımlarının mukavemetine kıyasla %50 boron fiber içeren bor-alüminyum kompozit malzemenin uzun vadeli mukavemeti (a) ve nikel kompozit malzemenin uzun vadeli mukavemeti, çökelme ile sertleşen alaşımların mukavemetine (b) kıyasla : 1 - boron-alüminyum kompozit; 2 - titanyum alaşımı; 3 - dispersiyonla güçlendirilmiş kompozit malzeme; 4 - dispersiyonla sertleşen alaşımlar

Bir ve iki boyutlu takviyeli kompozit malzemelerin ana dezavantajı, tabakalar arası kesme ve enine kırılmaya karşı düşük dirençtir. Hacimsel donatıdaki malzemeler bu dezavantajdan yoksundur.

Dispersiyonla güçlendirilmiş kompozit malzemeler. Lifli kompozit malzemelerin aksine, dispersiyonla sertleştirilmiş kompozit malzemelerde matris, yükü taşıyan ana unsurdur ve dağılmış partiküller, içindeki dislokasyonların hareketini engeller. Aralarında ortalama 100-500 nm mesafe bulunan 10-500 nm'lik bir parçacık boyutu ve matris içindeki düzgün dağılımları ile yüksek mukavemet elde edilir. Güçlendirme fazlarının hacimsel içeriğine bağlı olarak mukavemet ve ısı direnci, toplama yasasına uymaz. Farklı metaller için ikinci fazın optimal içeriği aynı değildir, ancak genellikle

Matris metalinde çözünmeyen stabil refrakter bileşiklerin (toryum oksitleri, hafniyum, itriyum oksitleri, oksitlerin kompleks bileşikleri ve nadir toprak metalleri) güçlendirme fazları olarak kullanılması, malzemenin yüksek mukavemetinin korunmasını sağlar. Bu bağlamda, bu tür malzemeler genellikle ısıya dayanıklı malzemeler olarak kullanılmaktadır. Dispersiyonla sertleştirilmiş kompozit malzemeler, teknolojide kullanılan çoğu metal ve alaşım temelinde elde edilebilir.

Alüminyum bazlı en yaygın kullanılan alaşımlar - SAP (sinterlenmiş alüminyum tozu). SAP, alüminyum ve dağılmış pullardan oluşur Partiküller, çıkıkların hareketini etkili bir şekilde engeller ve böylece gücü arttırır

alaşım. SAP'deki içerik ve arasında değişir.İçerik arttıkça 300'den for'a yükselir ve buna bağlı olarak uzama %8'den %3'e düşer. Bu malzemelerin yoğunluğu alüminyumun yoğunluğuna eşittir, korozyon direncinde ondan daha düşük değildirler ve sıcaklık aralığında çalışırken titanyum ve korozyona dayanıklı çeliklerin yerini bile alabilirler.Uzun vadeli mukavemette dövmeden üstündürler. alüminyum alaşımları. Alaşımlar için uzun vadeli mukavemet

Nikel dispersiyonla sertleştirilmiş malzemelerin büyük umutları var. 2-3 hacme sahip nikel bazlı alaşımlar. toryum dioksit veya hafniyum dioksit. Bu alaşımların matrisi genellikle katı bir çözeltidir.Alaşımlar (toryum dioksit ile sertleştirilmiş nikel), (hafniyum dioksit ile sertleştirilmiş nikel) ve (toryum oksit ile sertleştirilmiş matris) yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu alaşımlar yüksek ısı direncine sahiptir. Sıcaklıkta, alaşım bir alaşıma sahiptir Dispersiyonla sertleştirilmiş kompozit malzemelerin yanı sıra lifli olanlar, artan sıcaklık ve belirli bir sıcaklıkta maruz kalma süresi ile yumuşamaya karşı dirençlidir (bkz. Şekil 198).

Kompozit malzemelerin uygulama alanları sınırlı değildir. Havacılıkta yüksek yüklü uçak parçaları (kaplamalar, kirişler, kaburgalar, paneller vb.) ve motorlar (kompresör ve türbin kanatları vb.) için, uzay teknolojisinde ısıtmaya maruz kalan araçların güç yapılarının birimleri için, elemanlar için kullanılırlar. sertlik, paneller, otomotiv endüstrisinde gövdeleri, yayları, çerçeveleri, gövde panellerini, tamponları vb. hafifletmek için, madencilik endüstrisinde (delme aletleri, biçerdöver parçaları vb.), inşaat mühendisliğinde (köprü açıklıkları, prefabrik elemanlar yüksek -yüksek binalar vb.) ve ulusal ekonominin diğer alanlarında.

Kompozit malzemelerin kullanımı, motorların, güç ve taşıma tesisatlarının gücünü artırmada ve makine ve cihazların ağırlığını azaltmada yeni bir niteliksel sıçrama sağlar.

Yarı mamul ürünler ve kompozit malzemelerden ürünler üretme teknolojisi iyi gelişmiştir.

Kompozit malzemeler, yüksek mukavemetli liflerle (lifli malzemeler) veya ana metalde çözünmeyen ince dağılmış refrakter parçacıklarla (dağılımla sertleştirilmiş malzemeler) takviye edilmiş bir metal matristen (genellikle Al, Mg, Ni ve alaşımları) oluşur. Metal matris, lifleri (dağılmış parçacıklar) tek bir bütün halinde bağlar. Belirli bir bileşimi oluşturan lif (dağılmış parçacıklar) artı bir bağlayıcı (matris) kompozit malzemeler olarak adlandırılır.

Metalik olmayan matris kompozitler

Metalik olmayan matrisli kompozit malzemeler yaygın olarak kullanılmaktadır. Metalik olmayan matrisler olarak polimer, karbon ve seramik malzemeler kullanılmaktadır. Polimer matrislerden en yaygın olanları epoksi, fenol-formaldehit ve poliamiddir.

Kömürleşmiş veya pirokarbon matrisler, pirolize tabi tutulan sentetik polimerlerden üretilir. Matris, kompozisyonu bağlayarak ona şekil verir. Güçlendiriciler liflerdir: filamentli kristallere (oksitler, karbürler, boritler, nitrürler ve diğerleri) dayalı cam, karbon, borik, organik ve ayrıca yüksek mukavemet ve sertliğe sahip metal (teller).

Kompozit malzemelerin özellikleri, bileşenlerin bileşimine, bunların kombinasyonuna, nicel oranına ve aralarındaki bağ kuvvetine bağlıdır.

Takviye malzemeleri lifler, halatlar, ipler, bantlar, çok katmanlı kumaşlar şeklinde olabilir.

Yönlendirilmiş malzemelerdeki sertleştirici içeriği hacimce %60-80'dir, Yönsüz olarak (ayrık lifler ve bıyıklarla) - hacimce %20-30'dur. Liflerin mukavemeti ve elastik modülü ne kadar yüksek olursa, kompozit malzemenin mukavemeti ve sertliği de o kadar yüksek olur. Matrisin özellikleri, bileşimin kesme ve basınç mukavemetini ve yorulma arızasına karşı direnci belirler.

Sertleştirici tipine göre kompozit malzemeler cam elyafı, karbon elyaflı karbon elyaf, bor elyaf ve organik elyaf olarak sınıflandırılır.

Katmanlı malzemelerde, bir bağlayıcı ile emprenye edilmiş lifler, iplikler, bantlar, döşeme düzleminde birbirine paralel olarak döşenir. Düz katmanlar plakalar halinde toplanır. Özellikler anizotropik olarak elde edilir. Malzemenin üründe çalışabilmesi için hareket eden yüklerin yönünü dikkate almak önemlidir. Hem izotropik hem de anizotropik özelliklere sahip malzemeler oluşturabilirsiniz. Kompozitlerin özelliklerini değiştirerek lifleri farklı açılarda yerleştirmek mümkündür. Malzemenin bükülme ve burulma sertliği, tabakaların paketin kalınlığı boyunca istiflenme sırasına bağlıdır.

Üç, dört veya daha fazla telden sertleştiricilerin istiflenmesi kullanılır.

Birbirine dik üç ipliğin yapısı en büyük uygulamaya sahiptir. Güçlendiriciler eksenel, radyal ve çevresel yönlerde yerleştirilebilir.

Üç boyutlu malzemeler, bloklar, silindirler şeklinde herhangi bir kalınlıkta olabilir. Hacimli kumaşlar, katmanlı kumaşlara kıyasla soyulma mukavemetini ve kesme mukavemetini arttırır. Dört telli sistem, sertleştiricinin küpün köşegenleri boyunca genişletilmesiyle oluşturulur. Dört telin yapısı dengededir, ana düzlemlerde artan kesme sertliğine sahiptir.

Ancak, dört yönlü malzeme oluşturmak, üç yönlü malzeme oluşturmaktan daha zordur.

GENEL AÇIKLAMA VE SINIFLANDIRMA

Geleneksel olarak kullanılan metalik ve metalik olmayan malzemeler, yapısal dayanım sınırlarına büyük ölçüde ulaşmıştır. Aynı zamanda, modern teknolojinin gelişimi, agresif ortamlara, radyasyona, derin vakuma ve yüksek basınçlara maruz kaldığında karmaşık bir kuvvet ve sıcaklık alanları kombinasyonunda güvenilir bir şekilde çalışan malzemelerin oluşturulmasını gerektirir. Çoğu zaman, malzeme gereksinimleri çelişkili olabilir. Bu sorun kompozit malzemeler kullanılarak çözülebilir.

Kompozit malzeme(CM) veya kompozit, yapısı her birinin avantajlarının kullanılmasına izin veren, çok farklı özelliklere sahip, karşılıklı olarak çözünmeyen bileşenlerden oluşan toplu heterojen bir sistem olarak adlandırılır.

İnsan, KM inşa etme ilkesini doğadan ödünç aldı. Tipik kompozit malzemeler ağaç gövdeleri, bitki gövdeleri, insan ve hayvan kemikleridir.

CM, farklı özelliklerin belirli bir kombinasyonuna sahip olmayı mümkün kılar: yüksek özgül mukavemet ve sertlik, ısı direnci, aşınma direnci, ısı koruma özellikleri, vb. CM özelliklerinin spektrumu, geleneksel malzemeler kullanılarak elde edilemez. Kullanımları, daha önce erişilemeyen, temelde yeni tasarımlar oluşturmayı mümkün kılar.

CM sayesinde motor gücünü artırmada, makine ve yapıların kütlesini azaltmada ve araçların ve havacılık araçlarının ağırlık verimliliğini artırmada yeni bir niteliksel sıçrama mümkün oldu.

Bu koşullar altında çalışan malzemelerin önemli özellikleri, özgül mukavemet σ w / ρ ve özgül sertliktir. E/ ρ, burada σ - geçici direnç, E normal elastikiyet modülüdür, ρ malzemenin yoğunluğudur.

Yüksek mukavemetli alaşımlar, kural olarak, düşük sünekliğe, stres yoğunlaştırıcılara karşı yüksek hassasiyete ve yorulma çatlağı yayılmasına karşı nispeten düşük dirence sahiptir. Kompozit malzemeler de düşük sünekliğe sahip olabilse de, stres yoğunlaştırıcılara karşı çok daha az hassastırlar ve yorulma hatasına daha iyi direnç gösterirler. Bunun nedeni, yüksek mukavemetli çelikler ve alaşımlardaki farklı çatlak oluşum mekanizmalarıdır. Yüksek mukavemetli çeliklerde, kritik boyuta ulaşan bir çatlak, ilerleyen bir oranda daha da gelişir.

Kompozitlerde farklı bir mekanizma çalışır. Matris içinde hareket eden çatlak, matris-fiber arayüzünde bir engelle karşılaşır. Lifler, çatlakların gelişmesini engeller ve plastik matris içindeki varlıkları, kırılma tokluğunda bir artışa yol açar.

Bu nedenle, kompozit sistem, yapısal malzemeler için gerekli olan iki zıt özelliği birleştirir - yüksek mukavemetli lifler nedeniyle yüksek mukavemet ve plastik matris nedeniyle yeterli kırılma tokluğu ve enerji dağıtma yıkım mekanizması.

CM'ler, nispeten plastik bir matris temel malzemesinden ve dolgu maddeleri olan daha sert ve daha güçlü bileşenlerden oluşur. CM özellikleri, bazın özelliklerine, dolgu maddelerine ve aralarındaki bağ kuvvetine bağlıdır.

Matris, bileşimi bir monolit halinde bağlar, ona bir şekil verir ve dış yükleri dolgu maddelerinden yapılan takviyeye aktarmaya hizmet eder. Temel malzemeye bağlı olarak, CM'ler bir metal matris veya metal kompozit malzemeler (MCM), polimer - polimer kompozit malzemeler (PCM) ve seramik - seramik kompozit malzemeler (CMC) ile ayırt edilir.

Dolgu maddeleri, genellikle sertleştiriciler... Yüksek mukavemet, sertlik ve elastisite modülüne sahiptirler. Takviye dolgu maddelerinin türüne göre, CM alt bölümlere ayrılır. dispersiyonla güçlendirilmiş,lifli ve katmanlı(şek. 28.2).

Pirinç. 28.2. Kompozit malzemelerin yapısal diyagramları: a) dağılma ile güçlendirilmiş; B) lifli; v) katmanlı

Matris ile etkileşime girmeyen ve fazların erime noktasına kadar içinde çözünmeyen ince, düzgün dağılmış refrakter karbürler, oksitler, nitrürler vb. partikülleri, dispersiyonla güçlendirilmiş CM'lere yapay olarak dahil edilir. Dolgu parçacıkları ne kadar ince ve aralarındaki mesafe ne kadar küçükse, CM o kadar güçlü olur. Lifli, dispersiyonla güçlendirilmiş kompozit malzemelerin aksine, ana taşıyıcı eleman matristir. Dağınık dolgu parçacıkları topluluğu, plastik deformasyonu zorlaştıran yükleme sırasında yerinden çıkma hareketine karşı direnç nedeniyle malzemeyi güçlendirir. Dislokasyon hareketine karşı etkili direnç, matrisin erime sıcaklığına kadar oluşturulur, bu nedenle dağılımla güçlendirilmiş CM'ler yüksek ısı direnci ve sürünme direnci ile ayırt edilir.

Lifli CM'deki takviye, çeşitli şekillerde lifler olabilir: iplikler, şeritler, farklı dokuma ağları. Lifli CM'nin güçlendirilmesi, tek eksenli, iki eksenli ve üç eksenli bir şemaya göre gerçekleştirilebilir (Şekil 28.3, a).

Bu tür malzemelerin mukavemeti ve sertliği, ana yükü taşıyan takviye liflerinin özellikleri ile belirlenir. Takviye, mukavemette daha büyük bir artış sağlar, ancak dağınık sertleştirmenin uygulanması teknolojik olarak daha kolaydır.

Lamine kompozit malzemeler (Şekil 28.3, B) değişen dolgu ve matris malzemesi katmanlarından ("sandviç" tipi) alınır. Bu tür CM'lerdeki dolgu katmanları farklı yönlere sahip olabilir. Farklı mekanik özelliklere sahip farklı malzemelerden yapılmış dolgu katmanlarının alternatif kullanımı mümkündür. Metalik olmayan malzemeler tipik olarak katmanlı bileşimler için kullanılır.

Pirinç. 28.3. Lifli için takviye şemaları ( a) ve katmanlı ( B) kompozit malzemeler

DAĞITILMIŞ KOMPOZİT MALZEMELER

Dağınık sertleşme ile parçacıklar matristeki kayma işlemlerini engeller. Matris ile minimum etkileşime tabi olan sertleştirmenin etkinliği, parçacıkların tipine, hacim konsantrasyonlarına ve matris içindeki dağılımın tekdüzeliğine bağlıdır. Al 2 O 3, SiO 2, BN, SiC gibi düşük yoğunluklu ve yüksek elastisite modülüne sahip dağılmış refrakter faz parçacıkları kullanılır. CM genellikle önemli bir avantajı özelliklerin çeşitli yönlerde izotropisi olan toz metalurjisi ile elde edilir.

Endüstride, alüminyum üzerinde dispersiyonla güçlendirilmiş CM'ler ve daha az sıklıkla nikel bazlar kullanılır. Bu tip kompozit malzemelerin tipik temsilcileri, dağılmış alüminyum oksit parçacıkları ile güçlendirilmiş bir alüminyum matristen oluşan SAP (sinterlenmiş alüminyum tozu) gibi malzemelerdir. Alüminyum tozu, erimiş metalin püskürtülmesi ve ardından oksijen varlığında bilyalı değirmenlerde yaklaşık 1 mikron boyutuna öğütülmesiyle elde edilir. Öğütme süresinin artmasıyla toz daha ince hale gelir ve içindeki alüminyum oksit içeriği artar. SAP'den ürünlerin ve yarı bitmiş ürünlerin üretimi için daha ileri teknoloji, ek ısıl işleme tabi tutulabilen bitmiş ürünler biçiminde sinterlenmiş alüminyum kütüğün soğuk presleme, ön sinterleme, sıcak presleme, haddeleme veya ekstrüzyonunu içerir.

SAP tipi alaşımlar, sıcak durumda tatmin edici bir şekilde deforme olur ve% 6–9 Al 2 O 3 içeren alaşımlar - ve oda sıcaklığı... Onlardan, 0,03 mm kalınlığa kadar folyo elde etmek için soğuk çekme kullanılabilir. Bu malzemeler iyi işlenmiş ve korozyona karşı oldukça dayanıklıdır.

Rusya'da kullanılan SAP markaları %6–23 Al 2 O 3 içerir. 6-9 içerikli SAP-1, 9-13 içerikli SAP-2, %13-18 Al2O3 içerikli SAP-3 arasında ayrım yapın. Alüminyum oksitin hacim konsantrasyonunun artmasıyla kompozit malzemelerin mukavemeti artar. Oda sıcaklığında SAP-1'in mukavemet özellikleri aşağıdaki gibidir: σ b = 280 MPa, σ 0.2 = 220 MPa; SAP-3 aşağıdaki gibidir: σ b = 420 MPa, σ 0.2 = 340 MPa.

SAP tipi malzemeler yüksek ısı direncine sahiptir ve tüm dövme alüminyum alaşımlarını geride bırakır. 500 ° C sıcaklıkta bile, σ'ları en az 60-110 MPa'dır. Isı direnci, dağılmış parçacıkların yeniden kristalleşme süreci üzerindeki engelleyici etkisi ile açıklanmaktadır. SAP tipi alaşımların mukavemet özellikleri çok kararlıdır. SAP-3 alaşımlarının 2 yıl boyunca uzun süreli dayanım testleri, hem oda sıcaklığında hem de 500 ° C'ye ısıtıldığında özelliklerin seviyesi üzerinde pratik olarak hiçbir etkiye sahip değildi. 400 °C'de SAP'nin mukavemeti, yaşlanan alüminyum alaşımlarının mukavemetinden 5 kat daha fazladır.

SAP alaşımları, havacılık teknolojisinde, 300–500 ° C'ye kadar sıcaklıklarda çalışan, yüksek özgül mukavemet ve korozyon direncine sahip parçaların üretimi için kullanılır. Piston kollarının, kompresör kanatlarının, yakıt elemanlarının muhafazalarının ve ısı eşanjör borularının yapımında kullanılırlar.

Toz metalurjisi yöntemiyle, dağılmış silisyum karbür SiC parçacıkları kullanılarak CM elde edilir. Kimyasal bileşik SiC bir dizi olumlu özelliğe sahiptir: yüksek erime noktası (2650 ° C'nin üzerinde), yüksek mukavemet (yaklaşık 2000 MPa) ve elastik modül (»450 GPa), düşük yoğunluk (3200 kg / m3) ve iyi korozyon direnci . Aşındırıcı silikon tozlarının üretimi endüstri tarafından yönetilmektedir.

Alüminyum alaşımı ve SiC tozları karıştırılır, düşük basınç altında ön sıkıştırmaya tabi tutulur, ardından çelik kaplarda vakum içinde matris alaşımının erime sıcaklığında, yani katı-sıvı halde sıcak preslenir. Ortaya çıkan iş parçası, gerekli şekil ve boyutta yarı mamul ürünler elde etmek için ikincil deformasyona tabi tutulur: levhalar, çubuklar, profiller, vb.

Kompozit malzemeler bir metal matristen oluşur(daha sık A1, Mg, Ni ve alaşımları), yüksek mukavemetli lifler (lifli malzemeler) veya ince refrakter parçacıklar ile güçlendirilmiş, ana metalde çözülmez (dağılımla sertleştirilmiş malzemeler). Metal matris, lifleri (dağılmış parçacıklar) tek bir bütün halinde bağlar. Fiber (dağılmış parçacıklar) artı oluşturan bir bağlayıcı (matris)

Pirinç. bir

1 - granüler (dağılımla sertleştirilmiş) malzeme (l / d- BENCE): 2 - ayrık lifli kompozit malzeme; 3 - sürekli lifli kompozit malzeme; 4 - liflerin sürekli döşenmesi; 5 - liflerin iki boyutlu istiflenmesi; 6,7 - liflerin toplu ambalajlanması

veya başka bir kompozisyon, adını aldı kompozit malzemeler(şek. 196).

Lifli kompozit malzemeler.

İncirde. 196, lifli kompozit malzemelerin takviye şemalarını göstermektedir. Takviye edici etki mekanizmasına göre lifli dolgulu (sertleştiricili) kompozit malzemeler, lif uzunluğunun çapa oranının l / d “10-tL03 ve sürekli lifli olduğu ayrı olanlara ayrılır. hangi l / d = co. Ayrık lifler matriste rastgele yer alır. Liflerin çapı, kesirlerden yüzlerce mikrometreye kadardır. Fiberin uzunluğunun çapına oranı ne kadar büyük olursa, sertleşme derecesi o kadar yüksek olur.

Kompozit malzemeler, daha yüksek nihai çekme mukavemeti ve dayanıklılık limiti (% 50-100), elastik modül, sertlik katsayısı gibi geleneksel alaşımlardan farklıdır. (Ely) ve çatlak oluşumu için azaltılmış bir eğilim. Kompozit malzeme kullanımı yapının rijitliğini arttırırken metal tüketimini azaltır.

Tablo 44

Metal bazlı kompozit malzemelerin mekanik özellikleri

Bor, alüminyum, magnezyum ve alaşımlarını sertleştirmek için kullanılır (yaklaşık b = 2500 - * - 3500 MPa, E = 38h-420 GPa) ve karbon (st v = 1400-g-3500 MPa, E 160-450 GPa) lifler ve ayrıca yüksek mukavemet ve elastikiyet modülüne sahip refrakter bileşiklerden (karbürler, nitrürler, boritler ve oksitler) lifler. Yani 100 mikron çapında silisyum karbür lifler st b = 2500- * t3500 MPa'ya sahiptir, E= 450 GPa. Yüksek mukavemetli çelik teller genellikle elyaf olarak kullanılır.

Titanyum ve alaşımlarının güçlendirilmesi için molibden tel, safir lifler, silisyum karbür ve titanyum borür kullanılır.

Nikel alaşımlarının ısı direncinde bir artış, onları tungsten veya molibden tel ile güçlendirerek elde edilir. Metal lifler ayrıca yüksek ısı ve elektrik iletkenliğinin gerekli olduğu durumlarda da kullanılmaktadır. Yüksek mukavemetli ve yüksek modüllü lifli kompozit malzemeler için umut verici sertleştiriciler, b = 15.000-g-28.000 MPa'ya sahip alüminyum oksit ve nitrür, silisyum karbür ve nitrür, bor karbür vb. E= 400 - * - 600 GPa.

Tablo 44, bazı lifli kompozitlerin özelliklerini göstermektedir.

Metal bazlı kompozit malzemeler yüksek mukavemete (st b, a_x) ve ısı direncine sahiptir, aynı zamanda düşük plastiktir. Bununla birlikte, kompozitlerdeki lifler, matristen kaynaklanan çatlakların yayılma hızını azaltır ve ani çatlakları neredeyse tamamen ortadan kaldırır.

Pirinç. 197. Elastikiyet modülünün bağımlılığı (a) ve (b) boron-alüminyum kompozit malzemede (/) boyunca ve boyunca nihai direnç (2) bor lifinin hacimsel içeriğinden takviye ekseni

kırılgan yıkım. Tek eksenli lifli kompozit malzemelerin ayırt edici bir özelliği, lifler boyunca ve boyunca mekanik özelliklerin anizotropisi ve stres yoğunlaştırıcılara karşı düşük hassasiyettir.

İncirde. 197, a c bağımlılığını gösterir ve E(/) boyunca ve () boyunca bor fiber içeriğinden boron-alüminyum kompozit malzeme 2 ) takviye ekseni. Liflerin hacimsel içeriği ne kadar yüksek olursa, a b, a_ t ve E takviye ekseni boyunca. Bununla birlikte, matrisin, yalnızca takviye edici elyaf-matris ara yüzeyinde güçlü bir bağ olduğunda elyaflara stres iletebileceği akılda tutulmalıdır. Lifler arasındaki teması önlemek için matris, en az %15-20'lik bir içerikle elde edilen tüm lifleri tamamen çevrelemelidir.

Direnç alanını stres alanlarıyla eşleştirerek özellikleri optimize etmek için parçaların tasarımında lifli kompozit malzemelerin özelliklerinin anizotropisi dikkate alınır.

Alüminyum, magnezyum ve titanyum alaşımlarının bor, silisyum karbür, titanyum diborid ve alüminyum oksitten oluşan sürekli refrakter liflerle güçlendirilmesi, ısı direncini önemli ölçüde artırır. Kompozit malzemelerin bir özelliği, zamanla düşük yumuşama hızıdır (Şekil 198, a) artan sıcaklık ile.

/ - boron-alüminyum kompozit; 2 - titanyum alaşımı; 3 - dispersiyonla güçlendirilmiş kompozit malzeme; 4 - çökelme sertleştirme alaşımları

Bir ve iki boyutlu takviyeli kompozitlerin ana dezavantajı, tabakalar arası kesme ve enine kırılmaya karşı düşük dirençtir. Hacimsel donatıdaki malzemeler bu dezavantajdan yoksundur.