|
| |
|
Главная Промышленность ТАБЛИЦА 13.4. Механические свойства одноосно-армированных композиционных материалов с металлической матрнпей
подсчитывают, исходя из свойств и объемного содержания волокон и матрицы: £™ = £-F»-t-£"(l - V). Например, модуль упругости композиционного материала с алюминиевой матрицей (£ = 70 ГПа), упрочненного 50 об.% волокон бора (£ = 420 ГПа), равен 70 0.5 - 420-0,5 = 245 ГПа, что хорошо согласуется с модулем упругости реального композиционного материала ВКА-1 (£ = 240 ГПа, табл. 13.4). Временное сопротивление композиционных материалов изменяется в зависимости от объемного содержания наполнителя также по закону аддитивности (рис. 13.24). Исключение составляют материалы с очень малым (< 5 %) или очень большим (>80%) содержанием волокна. Временное сопротивление композиционного материала подсчитывают по формуле: = aFV а(1 - А где Ов и сгв-соответственно временное сопротивление волокна и матрицы. Малые значения прочности и жесткости композиционных материалов в направлении, перпендикулярном расположению волокон, при растяжении объясняются тем, что в этом случае, также как при сжатии и сдвиге, они определяются свойствами матрицы. Большую роль играет матрица в сопротивлении композиционных материалов усталост- ному разрушению, которое начинается с матрицы. Гетерогенная структура, поверхности раздела между волокном и матрицей затрудняют процесс распространения трещины в направлении, пер-пендикуляриок} оси волокон. В связи с этим композиционные материалы характеризуются высокими значениями предела выносливости. Так, по пределу выносливости композиционные материалы на алюминиевой основе превосходят лучшие алюминиевые сплавы в 3-4 раза. При изготовлении деталей из композиционных материалов волокна ориентируют так, чтобы с максимальной выгодой использовать их свойства с учетом действующих в конструкции нагрузок. Прочность композиционных материалов в большой степени зависит от проч-  80 V/o Рис. 13.24. Схема изменения прочности волокнистого материала в зависимости от содержания упрочнителя ности сцепления волокон с матрицей. Для их качественного соединения необходимо прежде всего обеспечивать хороший контакт (без загрязнений, газовых и других включений) по всей поверхности соединений. Композиционные материалы относятся в основном к термодинамически неравновесным системам, что является главной причиной диффузионных процессов и химических реакций, происходящих на границе раздела между волокном и матрицей. Эти процессы протекают при изготовлении композиционных материа-;юв и при их использовании. Некоторое взаимодействие между компонентами необходимо для обеспечения прочной связи между ними, передачи напряжений. Для металлических композиционных материалов прочная связь между волокном и матрицей осуществляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого слоя (1-2 мкм) интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей нет взаимодействия, то на волокна наносят специальные покрытия для его обеспечения, но прослойки образующейся при этом фазы должны быть очень тонкими (рис. 13.25). Связь между компонентами в композиционных материалах на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии (см. с. 261). Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные, ке- рамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением, поверх-постной обработкой волокон, называемой вискеризацией. Вискеризация-это выращивание монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендикулярно их длине. Полученные таким образом «мохнатые» волокна бора называют «борсию>. Вискеризация способствует повышению сдвиговых характеристик, модуля упругости и прочности при сжатии без снижения свойств вдоль оси волокна. Так, увеличение объемного содержания нитевидных кристаллов до 4-8% повышает сдвиговую прочность в 1,5-2 раза, модуль упругости и прочность при сжатии на 40-50%. На поверхности соединения компонентов не должно происходить химических реакций, приводящих к повреждению волокон, ухудшению их свойств и свойств композиционного материала. При сильном взаимодействии компонентов временное сопротивление волокон и композиционного материала в целом значительно снижается. Например, временное сопротивление волокон карбида кремния в композиционном материале с титановой матрицей в результате такого взаимодействия снизилось с 320 до 210 МПа, что вызвало снижение временного сопротивления композиционного материала на 30%. Для уменьшения взаимодействия применяют    Рис. 13.25. Структура излома композиционного материала ВКА-1 легирование как матриц, так и волокон, защитные покрытия волокон, низкотемпературные и высокоскоростные способы изготовления композиционных материалов. Кроме того, прочность сцепления между компонентами зависит от их механической совместимости, на которую влияет разница в пластических свойствах, в коэффициентах Пуассона и линейного расширения, модулей упругости. Механическая несовместимость приводит к возникновению остаточных напряжений на границе раздела компонентов, которые при достижении определенной величины вызывают нарушение связи между компонентами. Виды и свойства упрочнителей. Физические и механические свойства волокон и нитевидных кристаллов представлены в табл. 13.5. Из металлических упрочнителей широко применяют стальную проволоку, которая является наиболее дешевым и технологичным упрочнителем. В на-стояшее время в основном используют проволоку из коррозионно-стойких сталей аустенитного, аустенитно-мартен-ситного и мартенситного классов. Большая степень пластической деформации при получении проволоки обусловливает большую плотность структурных дефектов и высокие прочностные характеристики. Например, проволока из стали ВНС9 (18Х15Н5АМЗ) диаметром 0,16-0,3 мм имеет = = 3500-4000 МПа. Высокая температура рекристаллизации обеспечивает стальной проволоке хорошую прочность, тфи высокой температуре особенно из сталей аустенитного класса. При изготовлении композиционных ма- ТАБЛИЦА 13.5. Свойства волокон в нитевидных монокристаллов
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 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
