Композиты с металлической матрицей

КОМПОЗИТЫ с МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ ggg [c.699]

Полимерная матрица следует закону Гука почти до момента разрушения, незначительные отклонения от закона упругости могут не приниматься во внимание. Как правило, удлинение матрицы при разрыве в несколько раз больше, чем удлинение волокна, поэтому качественная картина поведения такого композита в известной мере напоминает поведение композита с металлической матрицей при малом объемном содержании волокна возможно его дробление. Однако малая прочность матрицы по отношению к касательным напряжениям и довольно слабая связь между волокном и матрицей вносят свою специфику. В композите органическое волокно — эпоксидная смола, наоборот, разрывное удлинение смолы меньше, чем удлинение волокна. Ввиду малой прочности матрицы происходит ее дробление на мелкие частички, которые легко отваливаются, обнажая пучки волокон, которые уже относительно легко обрываются. [c.703]

В качестве матрицы используются и полимеры, и металлы. Из полимерных смол применяются эпоксидные и полиамидные группы, а из металлов — алюминий и никель. Выбор матрицы зависит от применения композита. Например, волокнистые композиты на основе эпоксидной смолы хорошо работают при низких температурах, а композиты с металлической матрицей — при высоких температурах. [c.64]

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]

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]

Проблемы, связанные с состоянием поверхности раздела, свойственны не только композитам с металлической матрицей. Для улучшения состояния поверхности раздела в стеклопластиках стеклянные волокна подвергают аппретированию. Известно, что оптимальное аппретирование является нелегким компромиссом между рядом требований, таких, как защита отдельных нитей от механических повреждений, хорошая связь стекла с полимером, сохранение этой связи в условиях эксплуатации, особенно в присутствии влаги. Оптимизация состояния поверхности раздела в композитных материалах с металлической матрицей требует, по-видимому, аналогичных компромиссных решений. Требования к поверхности раздела в металлических композитных материалах не менее жестки, чем для стеклопластиков. Так, уже упоминалась химическая несовместимость многих сочетаний матрица — волокно вследствие как недостаточной, так и излишней реакционной способности (в первом случае имеются в виду системы, где механическая связь компонентов не достигается из-за отсутствия соот- [c.12]

Остаточные напряжения в волокнистых композитах в основном двоякого происхождения — термического и механического. Термические напряжения возникают из-за различия в коэффициентах термического расширения компонентов они распространены наиболее широко. Поскольку температуры эксплуатации композитов всегда отличаются от температур изготовления, различное термическое расширение или сжатие волокна и матрицы приводит к возникновению термических напряжений при охлаждении от температур изготовления. В частности, композиты с металлической матрицей изготавливают при температурах гораздо выше комнатной, и поэтому вероятность возникновения очень высоких уровней термических напряжений растет. [c.65]

Сдвиговую прочность поверхности раздела измеряют также на образцах, содержащих одно волокно (или пруток), заделанное в цилиндр из материала матрицы затем волокно вытягивают из цилиндра путем приложения осевого растягивающего усилия (рис. 20). Это, по-видимому, наиболее распространенный тип испытаний, особенно для композитов с металлической матрицей. Сторонники таких испытаний ссылаются на большое сходство геометрических условий и внутренних напряжений, существующих в образце и в реальных композитах. [c.71]

Физико-химические явления, происходящие на поверхности раздела в композитах с металлической матрицей, довольно сложны и в настоящее время еще плохо изучены. Однако их исследование необходимо для систематического развития науки о поверхности [c.77]

В свете существующих и ожидаемых требований к материалам со стороны Министерства обороны США композиты с металлической матрицей представляют особый интерес. Уникальное со- [c.231]

В настоящем обзоре делается попытка всесторонне осветить современное состояние вопроса о роли поверхности раздела в упругопластическом поведении композитов с металлической матрицей. Волокнистые композиты и композиты, изготовленные направленной кристаллизацией, рассматриваются с точки зрения очевидных различий в структуре и стабильности их поверхностей раздела. Особое внимание уделено структуре и стабильности поверхности раздела и ее роли при различных видах нагружения, т. е. растяжении, сжатии, ползучести и усталости. Как будет показано ниже, детали поведения поверхности раздела и ее роль стали проясняться с началом применения сканирующей электронной микроскопии, а также в результате эффективного использования электронной микроскопии на просвет и оптической металлографии совместно с рентгеновским микроанализом. [c.233]

Рис. 4. Возможные. ипы разрушения армированных волокнами композитов с металлической матрицей при сжатии, а — разрушение типа сдвига б —разрушение тина отрыва.

Для оценки влияния поверхности раздела на механические свойства рассмотрены результаты аналитических и экспериментальных исследований композитов с металлической матрицей. Для конструкционных композитных материалов наиболее важными являются следующие свойства модуль упругости, пределы текучести и прочности, характеристики микродеформации, ползучести и усталости. Поверхность раздела наиболее полно определяют структура, стабильность и прочность связи. Для оценки прочности связи и эффективности передачи нагрузки полезно простое правило смеси при этом необходимо, однако, учитывать все допущения и ограничения такого подхода. [c.263]

В отличие от механических свойств, установленных для Широкого круга композитов с металлической матрицей, характеристики микроструктуры, и особенно области раздела фаз, исследо- [c.263]

Число научных публикаций, посвященных композитам с металлической матрицей, невелико. Поэтому для более полного анализа в ряде случаев проводятся параллели с другими композитными системами. Влияние поверхности раздела широко изучено в волокнистых композитах с полимерными матрицами с этими системами и проводится параллель, если не хватает данных по системам с металлической матрицей. [c.267]

Армированные композиты с металлической матрицей часто разрабатываются следующим образом сначала изготовляется новый композит, а затем испытывается образец полученного материала. Однако такой способ бывает чреват разочарованием, поскольку получаемые свойства редко соответствуют предсказанным теоретически. Затем появляются трудности, связанные с необходимостью оптимизации большого числа параметров технологии изготовления композитов. Именно в связи с этим представляется важным описанный в данной главе способ оценки совместимости отдельных волокон и усов, так как в этом случае роль всех важных факторов для любой заданной системы композита можно оценить непосредственно. На примерах композитов с никелевой матрицей, упрочненных усами сапфира, нитрида кремния и углеродными волокнами, показано, что оптимизация температур и выдержек может быть достигнута при условии контроля за содержанием примесей. Эти принципы будут положены в основу оценки и выбора технологического процесса, который обеспечит получение композитов с оптимальной совместимостью упрочнителя и матрицы для каждой системы. Эта технология, возможно, будет сложнее (и дороже) тех, которые обычно применяются, но если бы удалось существенно понизить склонность упрочнителя к разрушению и дроблению, то это могло бы стать важным достижением. Сюда же относятся некоторые интересные возмол ности улучшения связи в композите путем стимулирования роста боко- [c.427]

Б. Композиты с металлической матрицей..................... 297 [c.267]

Б. Композиты с металлической матрицей [c.297]

Упомянем вторую группу композитов с металлической матрицей. Это комбинация вольфрамовой проволоки с никелевыми сплавами. Большинство экспериментов на таких материалах проводилось при повышенных температурах в области от 649 до 1204 °С и при различных диаметрах волокон от 0,003 до 0,05 дюйм. Некоторые работы посвящены исследованию композитов с малым [c.300]

Испытания на длительную прочность композитов с металлической матрицей, армированной волокнами бора, очень ограничены. В работе [66] осуществлены некоторые эксперименты на ползучесть и длительную прочность при растяжении композитов, изготовленных из алюминия 6061, армированного волокнами бора, [c.305]

Усталость композитов с металлической матрицей [c.394]

Подход, принятый в этом обзоре, состоит в том, чтобы обсудить механизмы разрушения с точки зрения классической последовательности усталостных явлений упрочнения — разупрочнения, зарождения трещин и роста трещин. Преимущество данного подхода в том, что при его помощи внимание сосредоточивается на полезном сопоставлении поведения композитов с металлической матрицей и металлов при разрушении. Несмотря на то что неизбежны некоторые повторения, вопрос о поверхностях раздела и их роли в сопротивлении композитов усталостному разрушению вследствие своего уникального значения для композитов анализируется отдельно. В общих чертах изложены некоторые результаты воздействия окружающей среды, дана модель усталостного разрушения, сделан обзор критериев проектирования композитов для работы в условиях усталости и поставлены задачи для дальнейших исследований. [c.395]

Каждая из этих особенностей в отдельности представляет собой фактор, который не обнаруживается в конструкционных металлах в той степени, в которой он имеется в большинстве волокнистых композитов. В сочетании друг с другом эти особенности обусловливают беспрецедентную сложность усталостного поведения композита, но они также обеспечивают и беспримерные возможности конструирования материалов с более высоким сопротивлением усталости. Наличие вязкой матрицы приводит к еще большему различию усталостного поведения композитов с металлической матрицей и большинства композитов с полимерной матрицей. [c.396]

В период 1964—1968 гг. отдельные исследователи изучали усталостное поведение волокнистых композитов с металлической матрицей. Технология производства композитов быстро развивалась в течение этого периода, и поведение композитов при разрушении было непостоянным и непредсказуемым. Несмотря на эти трудности, были обнаружены некоторые важные качественные закономерности сопротивления усталости, которые служат предварительной основой для более быстрого развития современного понимания усталостной прочности композитов. [c.396]

Алюминий 6061, армированный волокнами бора, является в настоящее время наиболее усовершенствованным волокнистым композитом с металлической матрицей. На рис. 1, а приведены кривые напряжение — число циклов до разрушения (S — N) для характерных современных композитов, а микроструктуры их поверхностей раздела изображены соответственно на рис. 1, б для волокон без покрытия и на рис. 1, в для волокон с покрытием Si ). [c.398]

Исследование способов, позволяющих замедлить рост зоны взаимодействия, является очень важным аспектом проблемы разработки практически ценных композитов. Как указывалось выше, матрицы, представляющие иаибольший практический интерес, обычно более реакционноспособны, чем матрицы, на примере которых демонстрировали справедливость теорий композитов. Проблема дополнительно осложняется тем обстоятельством, что композиты с металлической матрицей особенно нужны для эксплуатации при повышенных температурах. Исследование кинетики диффузионных процессов и выяснение механизмов диффузии являются основными условиями для построения строгой теории поверхностей раздела и для решения с ее помощью проблемы получения требуемых характеристик поверхности раздела. Исследование процессов и механизмов диффузии необходимо проводить применительно к той области толщин реакционной зоны, которая характерна для практически ценных композитов часто это означает, что объектом исследования должны стать зоны толщиной менее 1 мкм. Рост реакционной зоны, особенно в характерных для композита условиях стеснения, нередко приводит к изменению механизма диффузии. Рэтлифф и Пауэлл [30], например, наблюдали изменение механизма диффузии при взаимодействии между титановыми сплавами и карбидом кремния при толщине зоны 10 мкм и связали его с появлением новых продуктов реакции. Хотя столь большая толщина находится за пределами интересующей нас области, эти данные подтверждают изменение механизма диффузии на поздних стадиях роста реакционной зоны. Впрочем, могут иметь место и более тонкие изменения, обусловленные увеличением концентрации вакансий. [c.29]

Хотя это определение может создать представление о сходных чфтах систем с металлической и полимерной матрицами, между ними имеется Одно существенное различие, касающееся их рабочей температуры. Поскольку композиты с металлической матрицей предназначаются для работы в условиях высоких температур, при применении этих Материалов возникают проблемы диффузионной стабильности, в основном отсутствующие для композитов с полимерной матрицей [c.78]

Для оценки поведения при растяжении композитов с металлической матрицей, армированных непрерывными волокнами, Мак-Дэйнелс и др. [55], исходя из аддитивности свойств отдельных компонентов, сделали следующие предположения [c.233]

Рис. 1. Схема диаграммы растяжения композита с металлической матрицей, армированного непрерывными волокн.ами [55].

В первую очередь рассмотрим разрушение путем отрыва в случае, когда трендина перпендикулярна волокнам. В однонаправленно армированных композитах с полимерной матрицей этот тип разрушения бывает получить нелегко, поскольку их склонность к продольному расщеплению велика. В композитах с металлической матрицей отношение прочности при поперечном растяжении к сдвиговой прочности не столь велико, и трещинам приходится распространяться поперек волокон. В композитах (как с полимерной, так и с металлической матрицей), где упрочнитель ориентирован в нескольких нанравлениях, трещина часто вынуждена распространяться в направлении, перпендикулярном главным осям ортотропии, а они обычно совпадают с направлением одного или многих слоев волокон. Значит, при распространении трещины разрушаются волокна. [c.279]

Последняя работа Кляйна и Меткалфа [19] была посвящена экспериментальному изучению влияния поверхности раздела на вязкость разрушения композитов с металлической матрицей. Объектом исследования служил алюминиевый сплав А16061 с 45 об.% ориентированно расположенного упрочнителя. Для изменения состояния поверхности раздела композит выдерживали различное время — от О до 150 ч при температуре 811 К- После высо- [c.285]

Одна из основных целей разработки композитов с металлической матрицей состоит в возможности значительного повышения прочности металла при растяжении, по крайней мере в направлении волокон. Однако, как следует из модели Саттона и Файнголда [47], на основании которой были объяснены прочность связи и характер разрушения в опытах с сидячей каплей (рис. 12), имеются веские доводы, говорящие о снижении прочности волокна как в процессе изготовления композита, так и при последующей работе волокна в матрице. Для количественного измерения степени разупрочнения композитов Ni —AI2O3 Ноуан и др. [39] использовали вместо тонких нерегулярных усов стержни сапфира диаметром 0,5 мм, которые легче было испытывать на изгиб. Стержни были "изготовлены бесцентровым шлифованием так, чтобы ось с была под углом 60° к оси стержня (далее они называются 60°-ные волокна ). В табл. 5 приведены данные о прочности волокон с различными покрытиями, после отжига, травления и других обработок. J Ia основе этих данных авторы пришли к выводу, что никелевые композиты, армированные волокнами сапфира с покрытиями из аольфрама или монокарбидов, нельзя изготавливать или ис- [c.340]

Способ пропитки пучка усов расплавом оказался очень полезным для понимания явлений на поверхности раздела жидкий металл — окисел, и с его помощью была установлена возможность упрочнения окислами низкотемпературных металлических матриц. Однако использование этого способа не позволило получить композиты с нужными свойствами, главным образом, из-за трудностей изготовления усов желаемой морфологии и их неоднородности. Проблемы получения требуемых композитов решаются путем использования непрерывных волокон AI2O3, и в настоящее время этот способ более перспективен для получения практически полезных высокотемпературных композитов с металлической матрицей. Как было показано в данной главе, достаточно хорошо разработаны научные основы явлений на поверхности раздела и стабильности армированных окислами композитов при изготовлении их в присутствии жидкой фазы и в твердом состоянии, а также при по- [c.350]

Регулирование реакций на ловерхно-сти раздела в композитах с металлической матрицей 12, 78 --------полимерной матрицей 12, 78 [c.434]

Настоящая книга является одним из 8 томов энциклопедического издания Композиционные материалы . Она содержит обзорные статьи известных зарубежных ученых по проблемам разрушения при кратковременных и длительных нагрузках. В ней рассматриваются хрупкие композиты на основе керамических и полимерных матрдц, композиты с металлической матрицей, слоистые композиты. Показано влияние различных структурных и физических параметров материалов на прочность и характер разрушения. Подробно излагаются некоторые статистические теории разрушения. [c.4]

В данной главе излагаются микромеханические теории, применяемые для предсказания прочности однонаправленных композитов при одноосном нагружении. В этих теориях заранее предполагаются известными необходимые для расчетов свойства компонентов и считается, что направление нагружения совпадает с главными осями однонаправленного композита. Рассматриваемые прочности связаны с сопротивлением либо нагружению в плоскости, либо изгибу, либо простому сдвигу. Обсуждение относится в первую очередь к волокнистым композитам с неметаллической матрицей, в которых все волокна уложены параллельно и в одной плоскости. Однако представленные здесь микромеханические теории можно перенести и на волокнистые композиты с металлической матрицей, если при этом не нарушаются основные допущения. Некоторые описанные ниже представления могут быть также приложены к композитам с дисперсными частицами. [c.107]

Изучение длительной прочности и ползучести композитов с металлической матрицей осуществлялось рядом исследователей в основном на следующих материалах вольфрам — медь, вольфрам — никелевые сплавы и бор — алюминий. Большинство испытаний проводилось при повышенных температурах, что может привести к недооценке свойств композита из-за взаимодействия между волокнами и матрицей. Экспериментальная работа сопровождалась теоретическим анализом, подобным оценке прочности по правилу смесей . Мак-Данелсом и др. [39] исследована длительная прочность и скорость ползучести композитов на основе меди, армированных вольфрамовыми волокнами полученные данные сопоставлены со свойствами компонентов при помощи соответствующего анализа. Испытания проведены при 649 °С и 816 °С. [c.297]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...