Композиционные материалы

Композиционными материалами называют такие материалы, которые состоят из различных составных частей, не растворяющихся друг в друге. Обычно такие материалы представляют собой соединение высокопрочных, жаропрочных или особо жестких (высокомодульных) тонких порошков, волокон, непрерывных нитей, и полимерной, металлической или керамической матрицы, в которую эти жесткие элементы погружены, и которая связывает эти элементы в монолитное тело. Композиционные материалы могут быть дисперсноупрочненными, волокнистыми, слоистыми. По виду и расположению упрочняющих компонентов композиционные материалы подразделяются на группы с каркасной, матричной, слоистой и комбинированной структурой.

В зависимости от геометрии армирующих элементов композиционные материалы бывают изотропными или анизотропными. Если армирующий материал располагается в хаотическую ориентацию в пространстве и состоит из порошковых или коротковолокнистых элементов, то чаще всего такие композиционные материалы являются изотропными. В том случае, если композиционные материалы состоят из закономерно и единонаправленных волокон, соединенных матрицей, то такие материалы, являются анизотропными.

С примерами композиционных материалов с полимерной матрицей мы уже сталкивались выше (текстолит, гетинакс и др.).

Особую роль, как композиционных материалов с высокими показателями удельной прочности, играют сплавы с металлической матрицей, основу которых составляют чаще всего алюминий и алюминиевые, магниевые, никелевые сплавы и др.

Широко известны порошковые дисперсноупрочненные спеченные композиционные материалы, например, САП (спеченная алюминиевая пудра). Алюминиевая пудра представляет собой мельчайшие частицы алюминия, полученные методами размола алюминия в мельницах и естественно окисленные кислородом воздуха за счет высокой химической активности алюминия.

Для изготовления изделий такую пудру брикетируют с получением изделий заданной формы и размеров, а затем спекают при температуре 500 - 550 ºС. Материал получает высокую удельную прочность - до 400 - 450 МПа, которая позволяет использовать изделия при сравнительно высоких температурах - до 500 ºС.

Для получения волокнистых материалов (композитов) с алюминиевой матрицей используют волокна, нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений с бором, углеродом, а также окиси алюминия, карбида или нитрида кремния и др.

В ряде случаев в качестве волокон применяют проволоку из высокопрочной стали, вольфрама, молибдена, хрома, бериллия и др.

Положительными свойствами композиционных материалов с металлической матрицей являются: высокая термостойкость, более высокие, чем у порошковых композиционных материалов электро- и теплопроводность, негорючесть, устойчивость к эрозии, стабильность размеров во влажном состоянии и некоторые другие.

По сравнению с однородными литыми и деформируемыми традиционными металлическими металлами и сплавами композиционные материалы существенно (в несколько раз) имеют более высокие прочностные свойства и модули упругости, а также на порядок более высокие значения удельной прочности по отношению к удельному весу (таблица 9.2).

Таблица 9.2 - Физико-механические свойства КМ с металлической матрицей

Возрастающая потребность в материалах, обладающих высокими прочностными характеристиками, стимулирует работы по созданию композиционных материалов с металлической матрицей из алюминиевых сплавов, армированных высокопрочными волокнами, например, борными, углеродными и стальными.

Такие композиционные материалы являются наиболее перспективным классом машиностроительных материалов при постоянном ужесточении условий эксплуатации современных машин, при которых традиционные металлы и сплавы не удовлетворяют возрастающим требованиям, особенно в части удельных показателей прочности и жесткости.

Существует композиционные материалы типа КАС – алюминиевый сплав, армированный в одном направлении стальными волокнами. Такие КМ имеют высокую технологичность при производстве; относительно малую себестоимость; хорошую воспроизводимость характеристик при изготовлении изделий из композиционных материалов. Широкое применение КМ типа «алюминий – сталь» в промышленности сдерживается невысоким удельными характеристиками и анизотропией свойств.

Металлические композиционные материалы применяют в таких областях современной техники, где они должны работать при особо низких, высоких и сверхвысоких температурах, в агрессивных средах, при статических, динамических, знакопеременных нагрузках в условиях жестко-упругих конструкций.

Их применяют в авиационной, ракетной и космической технике. Из алюминиевых сплавов, армированных стальной проволокой, изготавливают тонкостенные топливные баки и другие корпусные детали. Использование таких материалов в изделиях авиационной техники уменьшает массу деталей равной прочности на 20-60 %. Композиции на основе алюминий-титан используют при изготовлении легких лопаток газотурбинных двигателей. Наиболее высокими качественными показателями для этого назначения отличаются композиционные материалы на никелевой и хромовой основе с армированием нитевидными кристаллами окиси алюминия.

Металлические композиционные материалы на основе свинца или его сплавов с оловом, армированные проволокой из нержавеющей стали, могут использоваться для изготовления подшипников, работающих без смазки.В электротехнике металлические композиционные материалы находят применение для изготовления проводов высоковольтных линий, износостойких контактов, сверхпроводников и др.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ

1. Перечислите методы исследований в металловедении. Укажите возможности каждого из методов.

2. Дайте определение металлического вещества. Раскройте сущность металлической связи. Назовите типичные свойства металлов.

3. Приведите характеристики механических свойств металлов и сплавов. Укажите методы их определения и используемые для этого приборы и оборудование.

4. Охарактеризуйте кристаллические решетки ОЦК, ГЦК, ГПУ. Изобразите элементарную ячейку, укажите основные плоскости, определите координационное число, число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку.

5. Назовите виды точечных дефектов. Приведите схемы их в простейшей кристаллической системе. Укажите их влияние на свойства металлов.

6. Дайте понятие дислокации. Виды дислокаций в металлах. Их роль в пластической деформации. Влияние плотности дислокаций на механические свойства металлов.

7. Поверхностные дефекты в структуре металлов. Понятие зеренной и субзеренной структуры.

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ЖИДКОСТЬ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И АЛЛОТРОПИЧЕСКОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ

8. Строение металлической жидкости. Дайте понятие ближнего и дальнего порядка.

9. Изобразите термическую кривую кристаллизации чистого металла. Объясните причину образования площадки на кривой при температуре кристаллизации.

10. Охарактеризуйте физический смысл понятия "степень переохлаждения". Укажите, от чего она зависит, как влияет на структуру кристаллизующегося металла.

11. Дайте определение критического зародыша. Укажите факторы, оказывающие влияние на его величину.

12. Поясните, как влияет скорость охлаждения при кристаллизации на структуру металла. Укажите причины этого влияния.

13. Назовите кристаллизационные параметры Таммана. Укажите, от чего они зависят, и как влияют на структуру кристаллизующегося металла.

14. Рассмотрите причины дендритного роста кристалла при кристаллизации металлов и сплавов.

15. Опишите строение слитка. Нарисуйте схему его макроструктуры, укажите основные структурные зоны и характерные дефекты слитка.

16. Покажите, что такое аллотропическое превращение, и чем оно отличается от кристаллизации и плавления металлической жидкости.

ФАЗОВОЕ И СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ СПЛАВОВ. ДИАГРАММЫ ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ

17. Укажите, что такое твердый раствор внедрения, замещения, вычитания. Покажите, в каких случаях такие твердые растворы образуются. Привести примеры.

18. Укажите особенности строения упорядоченных твердых растворов.

19. Дайте характеристику фаз внедрения, и укажите, чем они отличаются от твердых растворов внедрения.

20. Покажите, что такое электронные соединения. Укажите их виды. Приведите примеры. Дайте понятие электронной концентрации.

21. Дайте характеристику сигма-фаз (условия образования, основные свойства, примеры).

22. Дайте характеристику фаз Лавеса (условия образования, основные свойства, примеры).

23. Дайте характеристику химических соединений с нормальной валентностью (условия образования, основные свойства, примеры).

24. Дайте определения понятий: система, компонент, фаза.

25. Укажите, что такое структурная составляющая, и чем она отличается от фазовой составляющей.

26. Рассмотрите правило фаз Гиббса. Поясните его применение для анализа фазового равновесия. Приведите примеры.

27. Рассмотрите правило коноды и его применение для анализа фазовой диаграммы.

28. Рассмотрите правило рычага и его применение для определения количества фаз и структурных составляющих на фазовой диаграмме.

29. Рассмотрите применение термического анализа для построения диаграммы фазового равновесия.

30. Определите на концентрационном треугольнике АВС тройной диаграммы фазового равновесия положение сплава с содержанием компонентов А - 20 %; В - 30 %; С - 50 %, или другого соотношения между компонентами при их сумме 100 %.

31. Проведите на концентрационном треугольнике системы АВС линию, соответствую содержанию компонента А = 20 % (или иному содержанию того или другого компонента).

32. Проведите на концентрационном треугольнике системы АВС линию, соответствую постоянному соотношению между компонентами В:С = 1:2 (или ином соотношении).

33. На заданной диаграмме фазового равновесия выбрать один из указанных в задании сплавов, построить для него термическую кривую, рассмотреть и описать процессы формирования структуры при кристаллизации:

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ: ФАЗОВОЕ И СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ

34. На диаграмме железо-углерод для заданного сплава построить кривую охлаждения, описать фазовые превращения, протекающие при формировании структуры сплавов, нарисовать конечные структуры:

Сплав с содержанием углерода, %: 0,01; 0,16; 0,2; 0,4; 0,8; 1,2; 3,0; 4,3; 5,0

35. Расшифруйте марки железоуглеродистых сплавов, укажите характерные особенности состава и свойств сплавов, методы получения:

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

36. Расшифруйте марки легированных сталей, укажите характерные особенности состава и свойств сталей, методы получения:

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

37. Назовите цели (назначение) операций предварительной термической обработки, ее технологические параметры, формирующиеся структуры сплавов после данной операции термической обработки, типичные свойства сплавов:

38. Назовите цели (назначение) операций окончательной термической обработки, ее технологические параметры, формирующиеся структуры сплавов после данной операции термической обработки, типичные свойства сплавов:

СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

39. Расшифруйте марки цветных сплавов, укажите характерные особенности состава и свойств сплавов, методы получения:

ПОРОШКОВЫЕ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

40. Укажите области применения порошковых материалов на основе железа, меди.

41. Укажите области применения пористых порошковых материалов на основе порошков нержавеющей стали, никеля, титана, хрома.

42. Укажите области применения порошковых материалов на основе карбидов вольфрама и карбидов титана с кобальтовой связкой.

43. К какому классу материалов относится САП (спеченная алюминиевая пудра); опишите характерные свойства этого материала и области применения.

44. Охарактеризуйте понятие дисперсноупрочненных композиционных материалов на металлической основе. Укажите особенности их свойств по сравнению с однородными металлическими материалами.

45. Охарактеризуйте понятие волокнистых композиционных материалов на металлической основе. Укажите особенности их свойств по сравнению с однородными металлическими материалами.

46. Охарактеризуйте понятие волокнистых композиционных материалов на неметаллической (полимерной) основе. Укажите особенности их свойств по сравнению с однородными металлическими материалами.

47. Охарактеризуйте понятие термопластичных неметаллических материалов. Укажите особенности их свойств и применение.

48. Охарактеризуйте понятие термореактивных неметаллических материалов. Укажите особенности их свойств и применение.