ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Меткалф. Вопросы физической химии поверхности раздела из "Поверхности раздела в металлических композитах Том 1 " Поверхность раздела- это область значительного изменения химического состава композита, обеспечивающая связь матрицы и упрочнителя, необходимую для передачи нагрузки между составляющими композита. [c.78] Все вопросы стабильности поверхности раздела, кинетики и регулирования реакции связаны с использованием металлических композитов при высокой температуре. Обсуждение этих трех проблем составляет основное содержание данной главы. [c.79] Во введении (гл. 1) композитные системы были разделены на три класса. Б первый класс входят композиты, образованные из нереагн рующих и взаимно нерастворимых компонентов во втором классе допускается некоторая растворимость компонентов без участия химической реакции третий класс включает системы, образованные реагирующими компонентами. Из этой общей классификации исключены физико-химический и механический аспекты связи. Последний вопрос обсуждался в гл. 2, а первый будет рассмотрен ниже. [c.79] Наши знания о наружных поверхностях и поверхностях раздела фаз в обычных материалах довольно ограниченны, и поэтому рассмотрение здесь типов связи может показаться преждевременным. Однако такое рассмотрение оправдано тем, что позволит лучше представить состояние вопроса. В основу пробной схемы кларсификации легли шесть типов связи механическая путем смачивания и растворения реакционная обменно-реакционная окисная смеш анная. [c.79] Механическая связь возникает в том случае, когда упрочни-тель имеет шероховатую поверхность. Такую поверхность имеют борные и другие волокна, выращенные осаждением из пара. Хилл и др. [16] исследовали этот тип связи, измеряя прочность армированного вольфрамом алюминия с различными степенями механического сцепления. Вольфрамовую проволоку диаметром 0,203 мм стравливали до 0,155 мм на длине 2,5 мм, оставляя диаметр неизменным на длине 0,63 мм. Композит с 12% волокна изготовляли путем вакуумной пропитки расплавленным алюминием. По результатам испытаний на продольное растяжение были оценены три состояния материала (табл. 1). [c.80] Авторы работы [16] предложили использовать этот вид механической связи в тех случаях, когда имеются значительные трудности в регулировании химического взаимодействия между волокном и матрицей. Со времени выполнения этой работы были достигнуты большие успехи в понимании и регулировании связей реакционного типа, и поэтому потребность в предложенном решении оказалась не столь уж насущной. Кроме того, указанный механический тип связи не обеспечивает передачу нагрузки в направлениях, отличных от продольного, что является еще одним возражением против его использования. [c.81] Таким образом, в работе [47] описано поведение истинного композита, поскольку он обладает свойствами, которые не могут быть достигнуты в индивидуальных материалах, составляющих этот композит. Однако эти результаты, видимо, не зависят от прочности связи на поверхности раздела и могут быть получены также в случае малой прочности связи или ее отсутствия. Тем не менее, как сообщалось, прочность связи на сдвиг, измеренная посредством вытягивания волокон, оказалась значительной, вероятно, за счет обжатия проволоки матрицей при изготовлении материала. [c.82] Подтверждение этих результатов для той же системы было получено в работе Шёне и Скала [41]. Авторы делают вывод о том, что ни смачивание, ни химическая связь не являются необходимыми условиями оптимального упрочнения материала или образования множества шеек в противоположность Беннету и др. [47] они считают, что необходимы внутренние сжимающие напряжения. [c.82] Как с очевидностью следует из предыдущего обсуждения, су-щест вование чисто механической связи маловероятно. В классификации уже указывалось, что механическая связь предполагает отсутствие какого бы то ни было химического взаимодействия. Однако слабые вандерваальсовы силы действуют между поверх-ностЯмй всех материалов, и, таким образом, вышеупомянутое условие никогда полностью не выполняется. Возможно, лучше было бы такое определение механической связи, в котором указывалось бы на преобладание механического взаимодействия. Композит медь —окись алюминия является интересным примером системы, в которой сила химической связи непрерывно изменяется. Если окись меди отжигается в контакте с окисью алюминия при высокой температуре (например, при 923 К), то между ними образуется связь. В присутствии водорода окись меди восстанавливается вначале до насыщенного кислородом металла, а затем —до металла, в котором постепенно уменьшается количество растворенного кислорода. При этом химическая связь окиси алюминия с восстановленной медью ослабляется до тех пор, пока не остается только механическая связь с медью, свободной от кислорода. [c.82] связь между матрицей и упрочнителем, в которой доля химического взаимодействия мала или отсутствует вовсе, называется механической. Этот тип связи обеспечивает определенную работоспособность композита, но только, видимо, в тех случаях, когда напряжения приложены параллельно поверхности раздела, как, например, при продольных испытаниях на растяжение. Отсутствуют данные, свидетельствующие о преимуществах этого типа связи при каких-либо других способах нагружения. Вследствие этого нельзя полагать, что механическая связь может явиться альтернативой в реакционноспособных системах. [c.82] Ввиду ограниченной роли чисто механической связи при последующем изложении мы не будем дела ь различия между ней и темн видами связей, которые содержат некоторую долю химической. Поэтому в дальнейшем термин механическая связь будет употребляться в таком более широком смысле. [c.83] Процесс образования связи обусловлен взаимодействием электронов на атомном уровне. Силы взаимодействия являются силами ближнего порядка, и поэтому они начинают действовать лишь тогда, когда расстояния между поверхностями составляющих композита не превышают нескольких диаметров атома. Последнее требование имеет большое значение в смежных областях, в частности, при пайке твердым припоем. Например, затруднения при пайке алюминия связаны с присутствием под припрем окис-ных лленок. Механическое разрушение таких пленок (например, при ультразвуковой пайке железа) приводит к немедленному смачиванию и растворению основного материала в расплавленном припое. Можно привести два примера из области композитов. Пеппер и др. [32] заметили, что расплавленный алюминий не омачивает графитовую пряжу в состоянии поставки до тех пор, пока ее не подвергнут предварительной обработке для удаления поверхностных загрязнений. Подобные же наблюдения были сделаны при исследовании композита никель — графит [27]. [c.83] Общая концепция поверхностных реакций, формирующих этот тип связи, вполне понятна, хотя сами реакции могут быть весьма сложными. Согласно определению, данному в гл. 1, реакционные связи встречаются в системах третьего класса. Реакция включает перенос атомов одного или обоих компонентов к месту взаимодействия, причем этот перенос контролируется процессом диффузии. В связи с этим дальнейшее обсуждение процесса образования реакционной связи проводится в разделе данной главы, посвященном химической кинетике. [c.83] В этом особом случае химическое взаимодействие может быть представлено в виде двух последовательных реакций, которые иногда практически неразличимы. Руди [36] широко использовал термин обменная реакция для описания процесса установления равновесия между двумя фазами в системе с тремя и более составляющими. Хорошим примером обменно-реакционной связи служит связь титано-алюминиевой матрицы с борным волокном. Вслед за реакцией образования диборида, содержащего титан и алюминий, происходит обмен между атомами титана матрицы и атомами алюминия диборида. На рис. 1 показаны полученные Блэкберном и др. [6] результаты микрорентгеноспектрального анализа состава слоев в зоне взаимодействия сплава Ti-SAl-lMo-lV с бором. В результате оттеснения алюминия растущим диборидам концентрация А1 в сплаве повышается с 8 до 14%. Согласно Кляйну и др. [20], оттеснение алюминия при обменной реакции приводит к уменьшению константы скорости реакции между бором и сплавом с 10% А1 при 1033 К от 5,2-10- до 3,4-10-7 см/с /. [c.84] Термин окисная связь введен для объединения в одну группу композитов, упрочненных волокнами окислов. Сюда относятся также и композиты, в которых связь образуется между окисными пленками. Следует признать, что образование окисных связей подчиняется указанным выше принципам химического взаимодействия, но выделение их в отдельную группу, видимо, желательно, поскольку композиты этого класса имеют свои особенности, а механизм образования связи в большинстве таких систем исследован недостаточно глубоко. Действительно, окисные связи изучены наиболее подробно не в композитах, а в других системах, например, в металлокерамических спаях для электронных трубок или в эмалях на металлах. Наиболее полное исследование такой связи в композитах выполнено Саттоном и Файнголдом [45] в лаборатории космического материаловедения компании Дженерал электрик . Авторы обнаружили влияние малых примесей на прочность связи в композите высокочистый никель — окись алюминия. Все более очевидной становится роль следов примесей независимо от их источника при формировании связи в композите. В гл. 10 приведены некоторые результаты исследования трех систем с окис-ной связью. На одной из них, а именно, на системе никель — окись алюминия новым методом детально изучена совместимость и показано заметное влияние примесей. Кроме того, в гл. 8, посвященной поверхностям раздела в композитах с окисным упрочнением. [c.84] Данные микрорентгеноспектрального анализа. Видно оттеснение алюминия растущей фазой TiBj. [c.85] Приведено исчерпывающее обсуждение этого вопроса. Здесь же будут освещены лишь основные физико-химические аспекты окис-ной связи. [c.85] С точки зрения представлений об окисной связи работа [45] достойна упоминания, так как в предложенной модели композита сапфир — никелевый сплав авторы обусловили химическим взаимодействием прочность связи. Они предположили, что прочность связи возрастает по мере увеличения степени взаимодействия. Однако эффективная сила связи может и уменьшаться, если избыточное взаимодействие ослабляет упрочиитель. Прочностные аспекты этой теории обсуждаются более подробно в гл. 4, посвященной влиянию поверхностей раздела на продольную прочность композитов. Там отмечается, что наблюдаемая прочность связи очень мало изменяется с ростом толщины зоны взаимодействия от 0,1 до 5 мкм. Этот результат может означать, что для образования весьма прочной связи достаточно совсем небольшого взаимодействия. Последнее объяснение лучше согласуется с тем влиянием реакции на (Прочность связи, которое наблюдается в системах других типов, например титан — бор. [c.85] Вернуться к основной статье