ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Предисловие редактора первого тома из "Поверхности раздела в металлических композитах Том 1 " Основная часть исследований поверхностей раздела в композитах с металлической матрицей была выполнена за последнее пятилетие по мере того как исследователи переходили к разработке практически важных композитов на основании приобретенных знаний, активность работ в этой области стала снижаться. Задача настоящего тома заключается в том, чтобы подытожить современное -состояние науки о поверхностях раздела и тем самым создать необходимую основу для успешного внедрения композитов с металлической матрицей. [c.9] насколько молодой является эта область знаний, можно судить по темам, которые не удалось осветить в книге. Так, хотя влиянию поверхности раздела на продольную и поперечную прочность, а также на характеристики разрушения посвяш ены отдельные главы, недостаток информации об ее влиянии на характеристики усталости и ползучести не позволил рассмотреть эти вопросы в соответствуюш их главах. По той же причине не оказалось возможным и подробно обсудить представления об идеальной поверхности раздела. Такой принцип построения книги одобрен всеми ее авторами, сознаюш ими, что учение о поверхности раздела нуждается в развитии. Конечно, и суш ествуюш ий уровень знаний может обеспечить первые шаги новой технологии тем не менее, необходимость дальнейших исследований не вызывает сомнений. [c.9] Роль поверхности раздела в композитных материалах с металлической матрицей интенсивно изучалась как в научном, так и в технологическом плане лишь в последнее время. Представления о поверхности раздела развивались неравномерно в различных направлениях в данном томе рассмотрены лишь те области, где накоплено достаточно данных. Некоторые важные вопросы —такие, как влияние поверхности раздела на усталость и ползучесть,— совсем не обсуждаются. Более того, ограниченность сведений не позволила завершить книгу формулировкой требований к идеальной поверхности раздела. Тем не менее, редактор считает необходимым провести в первой главе совместное обсуждение ряда вопросов, каждому из которых посвящен самостоятельный раздел книги. Эта глава состоит из краткого введения и обзора предмета в целом. Хотя обзор имеет характер скорее обобщающий, чем специализированный, читатель, впервые обращающийся к данной области, возможно, захочет вернуться к нему после знакомства с отдельными главами. [c.11] Быстро растущий в последнее время интерес к поверхностям раздела станет понятным, если проследить историю развития композитов с металлической матрицей. Ранние работы по композитным материалам были направлены на выявление принципов, определяющих их эксплуатационные характеристики. Для этой цели, были удобны простые модельные системы. При выборе модельных систем руководствовались в основном совместимостью упрочните-ля и матрицы модельные системы состояли из матриц (нанример,. серебра или меди), химически малоактивных но отношению к упрочнителям (например, вольфраму или окиси алюминия). Хотя в этих работах и признавалась важная роль поверхностей раздела, модельные системы позволяли сравнительно легко получать тип поверхности, обеспечивающий необходимую передачу нагрузки от одного компонента композита к другому. В системах, представляющих большой практический интерес, матрицами служат обычные конструкционные материалы, такие, как алюминий, титан,, железо, никель они обладают большими реакционной способностью и прочностью, чем матрицы модельных систем. Повышенная реакционная способность затрудняет управление состоянием поверхности раздела, а для передачи больших нагрузок требуется более высокая прочность этой поверхности. Таким образом, состояние поверхности раздела становилось все более важным фактором по мере того, как интересы исследователей перемещались от модельных систем к перспективным инженерным материалам. [c.12] Четкое деление между классами не всегда возможно, однако такая систематизация удобна для обсуждения характеристик композитов. Примеры каждого класса композитов содержатся в табл. 1, а рис. 1 иллюстрирует названные классы соответствующими примерами из работы Петрашека и Уитона [29] по композициям медный сплав — вольфрам. Отметим, что эвтектики включены во второй класс, однако для некоторых эвтектик предельная растворимость каждой из фаз в другой может быть столь низкой, что их предпочтительнее отнести к первому классу. Аналогичным образом система медь (титан)—вольфрам включена в третий класс, поскольку, как показано на рис. 1, на поверхности раздела образуется химическое соединение. Однако при малом содержании титана и медь, и вольфрам образуют с ним твердые растворы. [c.15] Поверхность раздела — это область значительного изменения химического состава композита, обеспечиваюш,ая связь матрицы и упрочнителя, необходую для передачи нагрузок между составляющими композита. [c.18] Термин значительное изменение химического состава не распространяется на случайные флуктуации состава и относится лишь к определяемым требованиями термодинамики процессам, основными из которых являются растворение, сегрегация, адсорбция и химическая реакция. Этот термин не относится и к примыкающей к межфазной поверхности зоне, в которой поле напряжений быстро меняется из-за термического взаимодействия или внешних напряжений, поскольку такие зоны нестабильны и меняются в зависимости от предыстории материала или внешних условий. [c.18] Независимо от уже имевшихся количественных оценок некоторые исследователи указывали, что свойства композитных материалов должны зависеть от того, насколько поверхности раздела отличаются по свойствам от матрицы и волокна. Купер и Келли [13], например, делят характеристики композитного материала на те, которые определяются в основном прочностью поверхности раздела при растяжении о , и те, которые определяются сдвиговой прочностью Тг. В числе характеристик, определяемых прочностью поверхности раздела при растяжении, авторы называют поперечную прочность, прочность на сжатие и сопротивление распространению трещины в процессе расслаивания при испытании на растяжение. К характеристикам, которые определяются в основном сдвиговой прочностью, относятся критическая длина волокна (длина передачи нагрузки), характер разрушения при вытягивании волокон и деформация матрицы в изломе. Теория Купера и Келли будет рассмотрена ниже. [c.19] ЩИНОЙ В реакционной зоне, меньше концентрации напряжений, обусловленной дефектами самого волокна. Вследствие этого прочность композита определяется дефектами волокна и не зависит от наличия трещин в реакционном слое. Типичная толщина реакционного слоя в этом случае не превышает 0,5 мкм. [c.22] Согласно этой теории, для композитов третьего класса суще--ствует допустимая степень развития реакции, ниже которой не долл но происходить уменьшения предела прочности при продольном нагружении. Важным подтверждением теории послужила справедливость этого вывода для композитов титан — бор позднее для той же и других систем в известной мере были подтверждены и другие детали теории. Было установлено, что в композите титан — бор относительная деформация до разрушения волокон достигает величины 6-10 , а напряжение — примерно 250 кГ/мм , пока реакция не развивается до критического уровня, определяющего, как показано выше, поведение материала в случае 1. Эта теория будет рассмотрена подробнее в гл. 4. [c.22] Алюминиевая матрица — в верхней части фотоснимков. На снимке а — видны трещины в алкуминяевоП матрице, на обоих снимках — трещины в реакционной зоне. [c.23] В последнее время исследования поверхностей раздела в практически важных композитах заметно расширились благодаря тому, что были получены доказательства справедливости правила смеси в системах всех трех классов — нереакционноспособных и нерастворимых, нереакционноспособных и растворимых, реакционноспособных. [c.23] Это общее предисловие и изложение основных теорий поверхности раздела, по-видимому, достаточны для перехода к следующим главам книги. Остальная часть настоящей главы будет посвящена обзору ряда специальных тем. Поскольку одна из задач обзора — рассмотреть совместно все аспекты проблемы поверхности раздела, он рассчитан на читателя, в известной мере знакомого с вопросами, рассматриваемыми в специальных главах. Поэтому читателю, впервые обращающемуся к данной области, лучше отложить ознакомление со следующими разделами настоящей главы до того, как будут прочитаны соответствующие специальные главы книги. [c.23] Здесь рассматриваются следующие основные вопросы требования к поверхности раздела, природа связи в композитах и методы исследования поверхности раздела в композитах. [c.24] Представления о природе поверхности раздела усложнились, когда было показано, что теоретически предсказуемые знячения механических свойств могут быть обеспечены разнообразными типами поверхности раздела тем не менее, роль поверхности раздела остается неизменной. Главная ее функция — передача нагрузки между упрочнителем и матрицей — определяется механическими требованиями к поверхности раздела, которые должны выполняться при всевозможных способах нагружения в течение всего времени существования композита. В силу последнего обстоятельства поверхность раздела должна быть стабильной, т. е. отвечать определенным физико-химическим требованиям. [c.24] Почти все работы по механике композитов основаны либо на предположении, что поверхность раздела совершенна, т. е. прочнее матрицы, либо на предположении, что на поверхности раздела отсутствует связь между матрицей и упрочнителем. Эти работы, обзор которых имеется в гл. 2, отвечают условиям нагружения, не приводящим к разрушению по поверхности раздела. Однако многие композиты с прочной матрицей разрушаются по поверхности раздела, и значительно более важным становится промежуточный случай. [c.24] Вернуться к основной статье