Материал: Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

По морфологии армирующих фаз композиционные материалы подраз­ деляют [1] на:

нульмерные (обозначение: 0 *), или упрочненные частицами различной дисперсности, беспорядочно распределенными в матрице;

одномерные волокнистые (обозначение: 1), или упрочненные однона­ правленными непрерывными или дискретными волокнами;

двухмерные слоистые (обозначение: 2 ), или содержащие одинаково ориентированные упрочняющие ламели или слои (рис. 38.1).

Применяют и комбинированное армирование матриц.

По распределению армирующих фаз или схеме армирования можно вы­ делить композиционные материалы с одноосным (однонаправленным), двух­ осным (плоскостным, например, ортогональным) и трехосным (объемным) армированием. Композиционные материалы первых двух видов являются анизотропными, последнего вида — изотропными.

а — нульмерные; 6 — одномерные; в — двухмерные композиционные материалы; /

с целью использования ее в соответствующих конструкциях, называется кон-

тицами, волокнами углерода, карбида кремния, бора и т. д., однонаправ­ ленные эвтектические сплавы;

макрокомпозиты (диаметр или толщина армирующих компонентов —100 мкм), например детали из медных или алюминиевых сплавов, ар­ мированные вольфрамовой или стальной проволокой или фольгой. Макрокомпозиты чаще всего применяют для повышения износостойкости деталей трения в технологической оснастке.

38.2. Межфазное взаимодействие в композиционных материалах

38.2.1. Физико-химическая и термомеханическая совместимость компонентов

Сочетание в одном материале веществ, существенно различающихся по хи­ мическому составу и физическим свойствам, выдвигает на первый план при разработке, изготовлении и соединении композиционных материалов проблему термодинамической и кинетической совместимости компонентов. Под терМ0 -

динамической совместимостью понимают способность матрицы и армирую­ щих наполнителей находиться в состоянии термодинамического равновесия неограниченное время при температурах получения и эксплуатации. Почти все искусственно созданные композиционные материалы термодинамически несовместимы. Исключение составляют лишь несколько металлических си­ стем (Си—W, Си—Mo, Ag—W), где нет химического и диффузионного вза­ имодействия между фазами при неограниченном времени их контакта.

Кинетическая совместимость — способность компонентов композиционных материалов сохранять метастабильное равновесие в определенных темпера­ турно-временных интервалах [3]. Проблема кинетической совместимости имеет два аспекта: 1) физико-химический — обеспечение прочной связи между ком­ понентами и ограничение на поверхностях раздела процессов растворения, гетеро- и реакционной диффузии, которые ведут к образованию хрупких продуктов взаимодействия и деградации прочности армирующих фаз и композиционного материала в целом; 2 ) термомеханический — достижение благоприятного распределения внутренних напряжений термического и ме­ ханического происхождения и снижение их уровня; обеспечение рациональ­ ного соотношения между деформационным упрочнением матрицы и ее спо­ собностью к релаксации напряжений, предупреждающей перегрузку и преж­ девременное разрушение упрочняющих фаз [4].

Существуют следующие возможности улучшения физико-химической

ских волокон, нитевидных кристаллов и дисперсных частиц из карбидов кремния, титана, циркония, бора, окислов алюминия, циркония, нитридов кремния, бора и др.

II. Нанесение барьерных покрытий на армирующие наполнители, на­ пример покрытий из тугоплавких металлов, карбидов титана, гафния, бора, нитридов титана, бора, окислов иттрия на волокна углерода, бора, карбида кремния. Некоторые барьерные покрытия на волокнах, преимущественно металлические, служат средством улучшения смачивания волокон матрич­ ными расплавами, что особенно важно при получении композиционных ма­ териалов жидкофазными методами [5]. Такие покрытия часто называют тех­ нологическими.

Не менее важным является обнаруженный при нанесении технологиче­

нии волокон углерода с последующей термической обработкой).

III. Применение в композиционных материалах металлических матриц, легированных элементами с большим сродством к армирующему наполни­ телю, чем металл матрицы, или поверхностно-активными добавками. Про­ исходящее при этом изменение химического состава границ раздела должно препятствовать развитию межфазного взаимодействия [6 ]. Легирование мат­ ричных сплавов поверхностно-активными или карбидообразующими добав­ ками, так же как и нанесение технологических покрытий на волокна, может способствовать улучшению смачиваемости металлическими расплавами ар­ мирующего наполнителя.

IV. Легирование матрицы элементами, повышающими химический по­ тенциал армирующего наполнителя в матричном сплаве, или добавками ма­ териала армирующего наполнителя до концентраций насыщения при тем­ пературах получения или эксплуатации композиционного материала. Такое легирование препятствует растворению армирующей фазы, т. е. повышает термическую стабильность композиции [7].

V. Создание «искусственных» композиционных материалов по типу «ес­ тественных» эвтектических композиций путем выбора соответствующего со­ става компонентов.

для возникновения прочных адгезионных связей между компонентами; с дру­ гой стороны, не приводить к интенсивному химическому пз^имодействию, образованию хрупких промежуточных фаз и снижению прочности компози­ ционного материала.

Термомеханическую совместимость компонентов в композиционных ма­ териалах обеспечивают:

выбором матричных сплавов и наполнителей с минимальном различием в модулях упругости, коэффициентах Пуассона, коэффициентах термического расширения;

применением промежуточных слоев и покрытий на армирующих фазах, уменьшающих различия в физических свойствах матрицы и фаз;

переходом от армирования компонентом одного вида к цолиармированию, т. е. сочетанию в одном композиционном материале упрочняющих во­ локон, частиц или слоев, различающихся по составу и физическим свой­ ствам;

изменением геометрии деталей, схемы и масштаба армирования; морфоло­ гии, размера и объемной доли армирующих фаз; заменой непрерывного на­ полнителя дискретным;

выбором способов и режимов производства композиционного материала, обеспечивающих заданный уровень прочности связи его компонентов.

38.2.2. Армирующие наполнители

Для армирования металлических матриц применяют высокопрочные, высокомодульные наполнители — непрерывные и дискретные металлические, не­ металлические и керамические волокна, короткие волокна и частицы, ни­ тевидные кристаллы (табл. 38.1).

Углеродные волокна являются одним из наиболее освоенных в произ­ водстве и перспективных армирующих материалов. Важное преимущество

Волокна поставляют в виде ровных или закрученных многофиламентных жгутов, тканей или лент из них. В зависимости от типа исходного сырья

мосферных условиях и минеральных кислотах. Термостойкость волокон не­ высокая: температура длительной эксплуатации на воздухе не превышает 300—400 °С. Для повышения химической стойкости в контакте с металлами на поверхность волокон наносят барьерные покрытия из боридов титана и циркония, карбидов титана, циркония, кремния, тугоплавких металлов [4].

вольфрамовую проволоку или углеродные моноволокна. При нагреве ца

с большинством металлов (Al, Mg, Ti, Fe, Ni) начинается при температуру 400—600 °С. Для повышения термостойкости на волокна бора наносят газ0-