|
| |
|
Главная Промышленность ТАБЛИЦА 13.3. Механические САП
дость, жаропрочность САП и уменьшается его пластичность (рис. 13.20). Высокая прочность САП объясняется большой дисперсностью оксидной фазы, малым расстоянием между ее частицами. Нерастворимость в алюминии и отсутствие склонности к коагуляции тонкодисперсных частиц AI2O3 обеспечивает стабильность структуры и высокую прочность при температурах до 500 °С. САП хорошо деформируется в горячем состоянии, хуже в холодном, легко обрабатывается резанием и удовлетворительно сваривается контактной, аргонодуговой сваркой. В настоящее время в основном применяют САП-1, САП-2 и САП-3, из них производят все виды полуфабрикатов: листы, профили, штамповые заготовки, трубы, фольгу. САП используют для деталей, работаю- 35 25 15 5 2 1* 6 8 Al,Dj,4o Рис. 13.20. Зависимость механических свойств САП от содержания AljOj  щих при температуре 300 -500 °С, от которых требуются высокая удельная прочность и коррозионная стойкость (поршневые штоки, лопатки компрессоров, лопасти вентиляторов и турбин в химической и нефтяной промышленности, конденсаторы, обмотки трансформаторов в электротехнике). Спеченные алюминиевые сплавы (САС) изготовляют в основном по той же технологии, что и САП-из порошков, полученных распылением сплавов заданных составов. Практическое значение имеют сплавы с низким температурным коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту линейного расширения стали, и высоким модулем упругости. Так, САС состава: 25-30% Si; 5-7% Ni; остальное Al - имеет а = (14,5 - 15,5) х X 1/°С; £= 100 ГПа. Эти сплавы заменяют более тяжелые стали при изготовлении отдельных деталей приборов. Механические свойства САС характеризуются достаточно высокой прочностью, твердостью (Cg = 260 МПа; НВ 1200) и низкой пластичностью (5 = = 1,5 1 %). Преимущества спекаемых алюминиевых сплавов по сравнению с обычными аналогичного состава-отсутствие литейных дефектов (ликвации, шлаковых включений и т. д.) и мелкозернистая структура с равномерным распределением фаз. Дисперсно-упрочненные компози- ционные материалы на никелевой основе. В качестве матрицы используют никель и его сплавы с хромом (~20%) со структурой твердых растворов. Сплавы с хромоникелевой матрицей обладают более высокой жаростойкостью. Упроч-нигелями служат частицы оксидов тория, гафния и др. Временное сопротивление в зависимости от объемного содержания упрочняющей фазы изменяется по кривой с максимумом. Наибольшее упрочнение достигается при содержании 3,5-4% HfOj; Ов = = 750 850 МПа; aj(pg) = 9 10 км; 5 = 8-12%. Легирование никелевой матрицы W, Ti, Al, обладающими переменной растворимостью в никеле, дополнительно упрочняет материалы в результате дисперсионного твердения матрицы, происходящего в процессе охлаждения с температур спекания. Методы получения этих материалов довольно сложны. Они сводятся к смешиванию порошков металлического хрома и легирующих элементов с заранее приготовленным (методом химического осаждения) порошком никеля, содержащим дисперсный оксид гафния или другого элемента. После холодного прессования смеси порошков проводят горячую экструзию брикетов. Волокнистые композиционные материалы. Структура и свойства. В волокнистых композиционных материалах упрочнителями служат волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений (В, С, AI2O3, SiC и др.), а также проволока из металлов и сплавов (Мо, W, Be, высокопрочная сталь и др.). Для армирования композиционных материалов используют непрерывные и дискретные волокна диаметром от долей до сотен микрометров. При упрочнении волокнами конечной длины нагрузка на них передается через матрицу с помощью касательных напряжений. В условиях прочного (без проскальзывания) соединения волокна с матрицей нагрузка на волокна при растяжении равна xxndl, где т-касательное напряжение, возникающее в матрице в месте контакта с волокном; d-диаметр волокна; /-длина волокна. С увеличением длины волокна повышается возникающее в нем напряжение. При определенной длине, названной критической, напряжение достигает максимального значения. Оно не меняется при дальнейшем увеличении длины волокна. Длина Определяется из равенства усилий в матрице на границе с волокном и в волокне с учетом симметричного распределения напряжений в нем:  20 3D IId Рис. 13.21. Теоретическая зависимость эффективности упрочнения композиционного материала от соотношения d упрочнителя /,р = аз/(2т);/,р/ = ае/(2т). Теоретические расчеты, подтвержденные практикой, показывают, что чем тоньше и длиннее волокно, а точнее, чем больше отношение длины к диаметру, тем выше степень упрочнения (а™/а") композиционного материала (рис. 13.21). В качестве матриц металлических композиционных материалов используют металлы: алюминий, магний и титан, жаропрочный никель и сплавы на их основе; для неметаллических-полимерные, углеродистые, керамические материалы. Свойства волокнистых композиционных материалов в большой степени зависят от схемы армирования (рис. 13.22). Ввиду значительного различия в свойствах волокон и матрицы при одноосном армировании физическим и механическим свойствам присуща анизотропия. При нагружении растяжением временное сопротивление и модуль упругости композиционных материалов достигают наибольших значений в направлении расположения волокон, наименьших - в поперечном направлении. Например, композиционный материал с матрицей из технического алюминия АД1, упрочненный волокнами бора, в направлении волокон имеет = КХЮ - 1200 МПа, а в поперечном-всего 60-90 МПа. Анизотропия 750- 500- 250-  Рис. 13.22. Схемы армирования (1 - 5) композиционных материалов и их влияние на напряжения при растяжении эпоксидных углепластиков свойств не наблюдается при двухосном армировании с взаимно перпендикулярным расположением упрочняющих волокон (см. рис. 13.22). Однако по сравнению с одноосным армированием прочность вдоль оси волокон умень-щается почти в 3 раза с 1000 до 350 МПа (рис. 13.23). Остаются низкими характеристики при сжатии и сдвиге. При нагружений материала вдоль волокон растяжением нагрузку в основном воспринимают высокопрочные волокна, а матрица служит средой для передачи усилий. Соотнощение нагрузки, воспринимаемой волокнами (Р") и матрицей (Р"), выражают через возникающие в них напряжения, соответственно, а» и а": рв/рм = а=Г»/[а"(1 - Г»)], Согласно закону Гука, напряжения можно выразить через модули упругости. Тогда Рв/рм = £;вЕвр/в/[£МЕм(1 р/в)]. При условии прочного (без про-скальзьшания) соединения волокон с матрицей в момент приложения нагрузки в них возникает одинаковая деформация, т. е. ев = ем. Следовательно, Рв/рм = £;вр/в/[£м(1 р/в)] т. е. чем выше модуль упругости волокон £" и больше их объем, тем в большей степени они воспринимают приложенную нагрузку. Объемная доля упрочнителя колеблется в широких пределах-от нескольких единиц до 80-90%. При этом композиционные материалы с ориентированными непрерывными волокнами содержат их, как правило, в количестве 60 - 80%. Содержание хаотически расположенных дискретных волокон и нитевидных кристаллов ограничивается 20-30%, поскольку различие в их длине и диаметре создает технологические трудности в получении плотноупакованных материалов. Модуль упругости композиционного материала сравнительно достоверно  где Гв объем волокон. Вдоль 20 25 3D 35 W Поперек 20 15 10 5 О Объемное содержание Ввлокна,/о Рис. 13.23. Зависимость временного сопротивления композиционных материалов ВКА-1 от содержания и ориентации волокон 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 |
