или пековые моноволокна углерода. Лучшие образцы волокон имеют проч ность 3000—4000 МПа при 1 100 °С
Волокна карбида кремния бескерновые в виде многофиламентных жгу тов, полученные из жидких органосиланов путем вытягивания и пиролиза, состоят из сверхтонких кристаллов 0-SiC.
Металлические волокна выпускают в виде проволоки диаметром 0,13; 0,25 и 0,5 мм. Волокна из высокопрочных сталей, сплавов бериллия пред назначаются в основном для армирования матриц из легких сплавов и титана. Волокна из тугоплавких металлов, легированных рением, титаном, окнсными и карбидными фазами, применяют для упрочнения жаропрочных никельхромистых, титановых и других сплавов.
Нитевидные кристаллы, применяемые для армирования, могут быть металлическими или керамическими. Структура таких кристаллов монокристаллическая, диаметр обычно до 10 мкм при отношении длины к диа метру 20— 100. Получают нитевидные кристаллы различными методами: вы
ращиванием из покрытий, электролитическим осаждением, осаждением |
из |
|
парогазовой среды, кристаллизацией из газовой фазы |
через жидкую фазу |
|
.по механизму пар — жидкость — кристалл, пиролизом, |
кристаллизацией |
из |
насыщенных растворов, вискеризацией [3]. |
|
|
38.2.3. Матричные сплавы
В металлических композиционных материалах применяют преимущественно матрицы из легких деформируемых и литейных сплавов алюминия и маг ния, а также из сплавов меди, никеля, кобальта, цинка, олова, свинца, се ребра; жаропрочных никель-хромистых, титановых, циркониевых, ванадиевых сплавов; сплавов тугоплавких металлов хрома и ниобия (таблица 38.2).
38.2.4. Типы связи и структур поверхностей раздела
вкомпозиционных материалах
Взависимости от материала наполнителя и матриц, способов и режимов получения по поверхностям раздела композиционных материалов реализу ются шесть видов связи (табл 38.3). Наиболее прочную связь между ком понентами в композициях с металлическими матрицами обеспечивает хи мическое взаимодействие. Распространенный вид связи — смешанный, пред ставленный твердыми растворами и интерметаллидными фазами (например, композиция «алюминийборные волокна», полученная методом непрерывного
литья) |
или твердыми растворами, интерметаллидными и окисными фазами |
|
(та |
же |
композиция, полученная прессованием плазменных полуфабрикатов) |
и т. |
д. |
[8 , 9]. |
38.3. Способы производства композиционных материалов
Технология производства металлических композиционных материалов опре деляется конструкцией изделий, особенно если они имеют сложную форму и требуют подготовки мест соединений сваркой, пайкой, склеиванием или клепкой, и, как правило, является многопереходной.
Элементной основой |
производства деталей или полуфабрикатов (лис |
тов, труб, профилей) из |
композиционных материалов чаще всего служат |
так называемые препреги, или ленты с одним слоем армирующего наполни теля, пропитанным или покрытым матричными сплавами; пропитанные ме таллом жгуты волокон или индивидуальные волокна с покрытиями из мат ричных сплавов.
При отсутствии специальных требований к материалам по теплопровод ности, электропроводности, хладостойкости и другим свойствам температур ные интервалы работы композиционных материалов определяют следующим образом: <250°С — для материалов с полимерными матрицами; >1000°С — для материалов с керамическими матрицами; композиционные материалы с металлическими матрицами перекрывают эти пределы.
Прочностные характеристики некоторых композиционных материалов приведены в табл. 38.5.
Основные виды соединения композиционных материалов сегодня — бол товые, клепаные, клеевые, соединения пайкой и сваркой и комбинирован ные. Соединения пайкой и сваркой особенно перспективны, поскольку от крывают возможность наиболее полно реализовать уникальные свойства композиционного материала в конструкции, однако их осуществление пред ставляет сложную научную и техническую задачу и во многих случаях еще не вышло из стадии эксперимента.
38.5. Проблемы свариваемости композиционных материалов
Если под свариваемостью понимать способность материала об разовывать сварные соединения, не уступающие ему по своим свойствам, то композиционные материалы с металлическими матрицами, особенно волокнистые, следует отнести к трудносвариваемым материалам. К тому имеется несколько причин.
I. Методы сварки и пайки предполагают соединение компо зиционных материалов по металлической матрице. Армирую щий наполнитель в сварном или паяном шве или полностью от сутствует (например, в стыковых швах, расположенных поперек направления армирования в волокнистых или слоистых компо зиционных материалах), или присутствует в уменьшенной объ емной доле (при сварке дисперсно-упрочненных материалов про волоками, содержащими дискретную армирующую фазу), или происходит нарушение непрерывности и направленности армиро вания (например, при диффузионной сварке волокнистых ком позиций поперек направления армирования). Следовательно, сварной или паяный шов является ослабленным участком кон струкции из композиционного материала, что требует учета при конструировании и подготовке места соединения под сварку. В литературе имеются предложения по автономной сварке ком понентов композиции для сохранения непрерывности армирова ния (например, сварка давлением вольфрамовых волокон в ком позиции вольфрам — медь [10]), однако автономная сварка встык волокнистых композиционных материалов требует спе циальной подготовки кромок, строгого соблюдения шага арми рования и пригодна лишь для материалов, армированных ме таллическими волокнами. Другое предложение состоит в под готовке стыковых соединений с перекрытием волокон на длине
больше критической, |
однако при |
этом возникают трудности |
с заполнением стыка |
матричным |
материалом и обеспечением |
прочной связи по границе волокно—матрица.
II. Влияние сварочного нагрева на развитие физико-химиче ского взаимодействия в композиционном материале удобно рас смотреть на примере соединения, образующегося при проплав лении дугой волокнистого материала поперек направления ар мирования (рис. 38.2). Если металл матрицы не обладает полиморфизмом (например, А1, Mg, Си, Ni и др.), то в соедине нии можно выделить 4 основные зоны: 1 — зона, нагреваемая до температуры возврата матрицы (по аналогии со сваркой однородных материалов назовем этот участок основным материа
лом); 2 — зона, |
ограниченная температурами возврата и ре |
кристаллизации |
металла матрицы (зона возврата); 3 — зона, |
Рис. 38.2. Основные структурные зоны в сварном со единении волокнистого композиционного материала, вы
полненного сваркой плавлением
ограниченная температурами рекристаллизации и плавления матрицы (зона рекристаллизации); 4 — зона нагрева выше тем пературы плавления матрицы (назовем эту зону сварным швом). Если матрицей в композиционном материале явля ются сплавы Ti, Zr, Fe и других металлов, имеющих поли морфные превращения, то в зоне 3 появятся подзоны с полной или частичной фазовой перекристаллизацией матрицы, но для данного рассмотрения этот момент несуществен.
Изменения свойств композиционного материала начинаются в зоне 2. Здесь процессы возврата снимают деформационное упрочнение матрицы, достигнутое при твердофазном компактировании композиционного материала (в композициях, получен ных жидкофазными методами, разупрочнение в этой зоне не
наблюдается).
В зоне 3 происходит рекристаллизация и рост зерен металла матрицы. Вследствие диффузионной подвижности атомов мат рицы становится возможным дальнейшее развитие межфазного взаимодействия, начало которому было положено в процессах производства композиционного материала, увеличивается тол щина хрупких прослоек и ухудшаются свойства компози ционного материала в целом. При сварке плавлением материа