Дисперсные композиты

Высокая сопротивляемость ползучести большинства современных жаропрочных металлических материалов создается присутствием мелкой и достаточно устойчивой (в отношении коалесценции) дисперсной фазы. Обычно такая фаза образуется при распаде твердого раствора в процессе термообработки (дисперсионно упрочненные сплавы) или вводится в состав сплава иным путем, например, методами порошковой металлургии (дисперсно упрочненные системы или дисперсные композиты). [c.55]

Дисперсная фаза в матрице может быть создана и другими способами. Чаще всего встречающиеся дисперсные оксидные частицы могут быть введены в матрицу методом порошковой металлургии или методом внутреннего окисления. Дисперсно упрочненные металлы или сплавы часто называются дисперсными композитами или просто композитами. К дисперсно упрочненным металлическим материалам также относится алюминий, упрочненный окисью алюминия (система металл - оксид также является композитом), В настоящее время наиболее важным представителем дисперсных композитов является сплав Ni - 20 Сг, дисперсно упрочненный оксидом тория или окси- [c.155]

В работе [275] наиболее вероятным процессом, контролирующим ползучесть дисперсных композитов, считается образование полостей на стыках частиц с границами зерен. Здесь опять речь идет о процессе, который аккомодирует проскальзывание по границам зерен, так как, скорее всего, именно оно приводит к образованию полостей (гл, 15). Дальнейший рост полостей на границах зерен может происходить в результате дислокационной ползучести, проскальзывания или диффузии по границам или комбинации этих процессов (гл. 15), [c.169]

Установлена применимость концепции обратного напряжения в случае дисперсных композитов. Однако закономерности ползучести дисперсионно упрочненных систем очень разнообразны, и концепция обратного напряжения пока не может существенно помочь лучшему пониманию ползучести этих систем, поскольку а) пока не доказано существование порогового напряжения, [c.169]

Дисперсно упрочненные системы 55 - 57, 155 - 170, 184,- 189, 199, 200, 204 Дисперсные композиты 55, 155,166 -169 [c.296]

В пользу механизма затупления вершины трещины свидетельствует также поведение некоторых металлических композитов. При введении малых количеств (2—5%) дисперсных (размером 1— 5 мкм) слабо связанных с матрицей твердых сферических частиц в материал, которому обычно присущи малые значения энергии разрушения, вязкость последнего может существенно увеличиться. Слабая поверхность раздела способствует образованию округлых полостей и не может выдерживать растягивающих напряжений, вследствие чего трещина тормозится из-за уменьшения локальных растягивающих напряжений, а вершина ее притупляется полностью. Таким образом, работа разрушения композита значительно увеличивается [18]. [c.303]

Многими наблюдениями установлено, что большинство стеклонаполненных полимерных композитов полупрозрачны сразу же после извлечения их из пресса и тускнеют при охлаждении вследствие растрескивания. Смешивание мелкодисперсного минерального наполнителя со смолой способствует уменьшению суммарного термического расширения материала, но при этом макронапряжения на поверхности раздела превращаются в микронапряжения. Поэтому механические свойства армированных дисперсным наполнителем полимеров хуже, чем у ненаполненных. [c.208]

III. Энергия разрушения композитов с дисперсными частицами. . 18 [c.11]

IV. Модуль упругости композитов с дисперсными частицами. .. 29 [c.11]

V. Инициаторы трещин в композитах с дисперсными частицами 34 [c.11]

VI. Прочность композитов с дисперсными частицами. ...... 43 [c.11]

Из трех факторов, определяющих прочность, размер трещины больше всего зависит от дисперсной фазы. Вследствие различия в термоупругих свойствах отдельных фаз, их плохого сцепления и т. п. частицы и агломераты частиц могут служить источниками зарождения трещин и инициаторами разрушения. Теоретически и экспериментально показано, что размер трещин может быть доведен до минимума для получения высокой прочности, если в процессе изготовления композита выбирать дисперсию частиц малого размера. Таким образом, представляется возможным оптимизировать прочность композитов с дисперсными частицами, если определено влияние дисперсии на три фактора, определяющих прочность. [c.12]

Существуют различные классы композитных материалов, отличающиеся как областью применения, так и своими свойствами. Хотя прочностные свойства отдельных классов могут совпадать друг с другом, в этой главе будут рассмотрены только композиты с дисперсными частицами в хрупкой матрице. Понятие хрупкого поведения означает упругое состояние вплоть до разрушения и малую вязкость разрушения. Кроме керамики и перекрестно сшитых высокополимеров никакие материалы матрицы не подходят под это определение. Керамики являются наиболее хрупкими материалами и не обнаруживают текучести перед разрушением вплоть до температур, обычно превышающих половину их температуры плавления. Хрупким полимерам свойственна некоторая текучесть, но она пренебрежимо мала по сравнению с менее хрупкими полимерами (т. е. термопластами) и металлами. [c.12]

Хотя прочностные свойства композитов с дисперсными частицами как в полимерной, так и в керамической матрице подобны, цели их изготовления весьма различны. Композиты с дисперсными частицами в полимерной матрице изготавливаются и наиболее широко используются в технике, когда одновременно необходимы формуемость полимерной фазы и такие свойства, которые не присущи полимеру, но которые могут быть обеспечены наличием дисперсной фазы, обычно называемой наполнителем. Наполнитель выполняет две функции. Во-первых, это уменьшение объема более дорогого полимера. Стоимость сырья для различных фаз может различаться в 25 раз. Во-вторых, это получение улучшенных физических и термических свойств при изготовлении реального изделия, как видно из следующих примеров. [c.13]

Окислы, например двуокись кремния, добавляются для уменьшения присущего полимеру высокого термического расширения, что дает возможность помещать изделия из металла со сравнительно низким термическим расширением в оболочки или капсулы из относительно недорогого полимерного композита. Трансформаторы помещаются в кожух из полимера, содержащего в качестве наполнителя берилл, который имеет высокую теплопроводность и ускоряет отвод тепла. Для высоковольтных изоляторов применяются полимеры, содержащие тригидрат окиси алюминия, который обладает способностью гашения дуги. Основное влияние дисперсной фазы состоит в уменьшении предела прочности, а дисперсная фаза вводится для того, чтобы уменьшить стоимость изделия и придать ему свойства, не присущие собственно полимеру. [c.13]

Несколько композитов керамика —"дисперсная фаза разработаны специально для изменения свойств матрицы. Традиционные керамические материалы, например фарфор, строительные изделия из глины, огнеупорный кирпич и т. п., представляют собой сложные композитные материалы. Наличие различных фаз связано с высокотемпературным химическим взаимодействием между несколькими сортами сырья, использованными для изготовления каждого конкретного изделия. Каждая фаза и ее объемное содержание регулируются составом сырья, температурой изготовления и временем выдержки при этой температуре. Некоторые традиционные керамики, например цементный раствор и бетон, можно классифицировать как простые двухфазные композиты с дисперсными частицами, но многие другие представляют собой многофазные композиты. Изготовители новых керамических материалов [c.13]

Цель этой главы состоит в обсуждении известных данных по прочностным свойствам хрупких композитов с дисперсными частицами и в демонстрации возможных путей оптимизации их прочности. Для этого были использованы основные представления механики разрушения, связывающие прочность с тремя определяющими ее факторами, т. е. с энергией разрушения, модулем упругости и размером трещины. В следующих разделах сначала будет установ.ле-на зависимость действительной прочности материала от трех указанных факторов. Затем будет рассмотрено влияние дисперсии второй фазы на каждый из этих факторов. Из этого станет очевидной важность пяти параметров, зависящих от выбора двух фаз и технологии изготовления композитов. Наконец, будут рассмотрены и обсуждены прочностные свойства различных полимерных и керамических композитных систем в зависимости от трех определяющих факторов и пяти основных параметров композитов. [c.14]

Другой результат этого исследования состоял в определении вклада в энергию разрушения, обусловленного шероховатостью поверхности. Для каждой из трех линейных зависимостей, приведенных на рис. 5, величина энергии разрушения, отсекаемая этими прямыми на оси ординат, была в 1,5 — 2,0 раза больше этой величины для стеклянной матрицы без включенной второй фазы. Так как стекло имеет гладкую поверхность разрушения в отличие от шероховатых поверхностей, характерных для композита, то дисперсная фаза приводит также к увеличению энергии разрушения вследствие шероховатой поверхности разрушения. [c.24]

IV Модуль упругости композитов е дисперсными частицами [c.29]

Из механических свойств композитов с дисперсными частицами наиболее широко изучен и обсужден модуль упругости [23, 34, 44]. Сравнение теоретических моделей с экспериментальными данными показало, что модуль упругости композита и другие упругие постоянные можно вычислить с большой точностью, если известны упругие свойства матричной фазы (обозначаемые индексом т) и дисперсной фазы (обозначаемые индексом р), а также объемное содержание дисперсных частиц Ур. В общем случае дисперсная фаза либо уменьшает, либо увеличивает модуль упругости матричной фазы в зависимости от того, будет ли модуль дисперсных частиц меньше или соответственно больше модуля упругости матрицы. [c.29]

Для композитов с высоким или низким отношением модулей, т. е. если т л> Ъ или ш 0 (т = 0 при наличии пор в качестве второй фазы), верхняя и нижняя границы слишком различны, чтобы получить надежную оценку Ес- Это, в частности, имеет место для полимерных композитов с дисперсными частицами, когда ш > 20. В этом случае были использованы приближенные решения [30, 35, 51] и др. для сравнения предсказанных результатов с экспериментальными данными. Зависимость из работы [301 записывается следующим образом [c.30]

По-видимому, форма частиц не оказывает влияния, если только она не связана с их ориентацией в процессе изготовления. В работе [54] исследован модуль упругости системы MgO — графит. При этом различные цилиндрические образцы из композита содержали шарики, чешуйки или короткие волокна графита. Как чешуйки, так и волокна в процессе изготовления приобретали преимуш ественную ориентацию. Для направлений, в которых дисперсные частицы были случайно ориентированы, т. е. направлений, перпендикулярных к оси цилиндра, величины Ес близко совпадали для композитов, содержащих три различные формы частиц. В направлении, параллельном оси цилиндра, для композитов с чешуйками или волокнами величина была меньше (на 8 % для чешуек и до 20 % для волокон) вследствие их преимущественной ориентации в этом направлении [c.32]

Как отмечено в [12], при изготовлении композитов с дисперсными частицами нельзя избежать образования пор. Практический опыт показал, что это особенно заметно для композитов, содержащих дисперсные частицы малого размера с объемным содержанием [c.32]

Рис. 11. Модуль упругости композитов стекло — дисперсные частицы в зависимости от термического расширения стекла.

Вообще говоря, матрица и частицы имеют различные термические расширения, что вызывает возникновение остаточных термических напряжений внутри и вокруг дисперсных частиц в процессе охлаждения ниже температуры изготовления композита. Теоретически показано, что величина и распределение этих напряжений для данной формы частиц зависят только от различий в термическом расширении от упругих свойств двух фаз, а также от изменения температуры [57]. Таким образом, напряжения не зависят от размера частицы, что наиболее важно в этом обсуждении. [c.36]

В изложенной выше концепции было сделано одно допущение о том, НТО частицы находились на большом расстоянии друг от друга и поля энергии деформации частиц не накладывались ). В реальных композитах имеется большая вероятность того, что две или большее количество частиц соединятся вместе и будут представлять собой агломерат. Так как поля энергии деформации частиц в агломерате перекрывают одно другое, такие агломераты должны рассматриваться как большие частицы, увеличивающие возможность образования трещины в композите. Увеличение объемного содержания дисперсной фазы также уменьшает расстояние между частицами и приводит к перекрытию полей деформации. Таким образом, в композитах с агломератами и большой объемной долей дисперсной фазы трещины будут образовываться более быстро. [c.38]

Как мы уже видели в гл 3 и 4, для сплавов, упрочненных частицами (в основном, композитов), характерны, с одной стороны, высокие и часто зависящие от температуры значения кажущейся энергии активации ползучести Qp, а с другой стороны, — большие величины параметра т чувствительности к напряжению скорости установившейся ползучести. Поэтому вряд ли могут быть сомнения в том, что скорость ползучести сплавов, упрочненных выпадающими частицами, и дисперсных композитов контролируется процессами, зависящими от диффузии при низких напряжениях, недостаточных для про-давливания дислокаций между частицами, дислокации преодолевают частицы переползанием, тогда как при достаточно высоких напряжениях частицы преодолеваются по механизму Орована (продавливание дислокаций между частицами). При определенных условиях могут доминировать проскальзывания по границам зерен или диффузионная ползучесть. Преодолевать частицы их перерезанием дислокации могут только при совершенно специфических условиях, а именно частицы не только должны быть когерентны с матрицей, но и должны иметь одинаковую с матрицей кристаллическую структуру, а параметр решетки частиц фазы должен лишь незначительно отличатьбя от параметра решетки матрицы. Эти условия следуют из правила постоянства вектора Бюргерса вдоль линии дислокации. [c.156]

Исследованные композиты отличаются повышенным уровнем фиэико-мехаиическнх свойств по сравнению с классическими дисперсно-упрочненными композитами и обладают значительно более высокой стабильностью структуры и свойств по сравнению со стареющими сплавами. [c.200]

Л и п а т о в Ю. С. Вязкоупругость полимерных композитов, содержащих дисперсные и волокнистые] наполнители.— Мех. композитн. материалов, 1980, № 5, с. 808—823, [c.320]

Композиты, армированные такими элементами, у которых все размеры являются величинами одного порядка, называются гранулированными ). Материалы, которые можно отнести к гранулированным композитам, разнообразны по своей природе от дисперсионно-упрочненных сплавов и синтетических пенопластов до облученных нейтронами металлов, имеющих дисперсные вакансии. Поликристаллические 1ела также можно отнести к этому классу, считая, что их матрица имеет нулевой объем. Несмотря на то что в настоящее время основное внимание уделяется волокнистым композитам, гранулированные композиты занимают несколько особое положение именно для них были впервые разработаны аналитические методы. [c.63]

Установлено, что силановые аппреты улучшают степень дисперсности пигментов и физические свойства большинства термопластов с минеральными наполнителями, а также способствуют сохранению этих свойств при воздействии влаги [19, 36, 37, 43, 42]. Использование силановых аппретов позволяет вводить во многие системы большое количество дешевого наполнителя практически без ухудшения физических свойств композита. При возрастании стоимости полимерного связующего становится очевидной большая экономическая эффективность применения дешевого наполнителя, модифицированного силаном. [c.159]

Основное внимание уделяется композитам, армированным высокопрочными волокнами им посвящено восемь глав книги. В остальных двух главах книги излагаются свойства композитов с дисперсными включениями. Рассмотрены как микромеханиче-ские аспекты разрушения, так и феноменологические подходы, учитывающие структуру материала косвенным образом. Большое внимание уделяется усталостному и замедленному разрушению композитов. [c.5]

Разрушение композитов с дисперсными частрщами в хрупкой матрице [c.11]

Как и следует из теоретических предположений, дисперсная фаза увеличивает энергию разрушения хрупкого материала, причем в наибольшей степени при дисперсии частиц большого размера. Модуль упругости композита обычно определяется упругими свойствами составляющих его фаз. Когда существует либо большое различие в термическом расширении отдельных фаз, либо фазы плохо соединены друг с другом, модуль упругости композита значительно ниже предсказанного теорией из-за возникновения либо трещин в процессе изготовления, либо дефектов типа пор (псевдопор) в процессе приложения напряжений. Для получения высокой прочности необходимы большая энергия разрушения и высокий модуль упругости. [c.12]

Уравнение разрушения Гриффитса не только устанавливает, что прочность тела связана с наличием трещины согласно анализу Инглиса, но показывает также, что реальная прочность материала зависит от размера трещины и двух характеристик материала. Таким образом, прочность материала определяется тремя факторами энергией разрушения у, модулем упругости Е и размером трещины с. Важное значение этого соотношения состоит в том, что представляется возможным проанализировать прочность материала в зависимости от этих определяющих прочность факторов. Для объяснения прочностных свойств композитов с дисперсными частицами необходимо исследовать влияние дисперсной фазы на каждый из указанных факторов. Прежде чем сделать это, обсудим две важные стороны концепции Гриффитса, так как они составляют основу этой главы. [c.17]

Для определения пригодности этой модели в [37] исследована энергия разрушения композитной системы стекло — А12О3. Среднее расстояние между частицами А12О3 изменялось путем изготовления различных композитов с дисперсными частицами одного из трех усредненных размеров, а именно 3,5 11 и 44 мкм, и трех объемных содержаний частиц, а именно 0,10 0,25 и 0,40. Результаты этого исследования приведены на рис. 5, где показана энергия разрушения каждого композита в зависимости от величины [c.23]

Недавно были опубликованы несколько работ по определению энергии разрушения композитов, содержащих дисперсные частицы в полимерной матрице [9, 22, 40]. Связь между энергией разрушения и объемным содержанием дисперсных частиц, как отмечено в [40] и показано на рис. 6, наиболее существенно заметна в системе эпоксидная смола — А120з-ЗН20. Положение максимума на рис. б зависит от размера дисперсных частиц. Уменьшение энергии разрушения ниже этого максимума было объяснено неэффективным взаимодействием при близком расположении частиц, т. е., когда частицы были расположены слишком близко друг к другу, композит представлял собой сплошную среду и фронт трещины не взаимодействовал с отдельными частицами. Еще один результат этого исследования состоял в том, что аналогично системе стекло — А1аОз наибольший размер дисперсных частиц приводит к наибольшему увеличению энергии разрушения. [c.24]

Подобными соображениями объясняется появление максимума, характерного для ряда композитов с дисперсными частицами наибольшего размера. Предполагалось, что энергия разрзчпения этих композитов зависела от двух конкурирующих особенностей первая вызывала увеличение энергии разрушения вследствие взаимодействия фронта трещины с дисперсной фазой, а вторая приводила к ее уменьшению вследствие ослабления матрицы дисперсными частицами. Поэтому было сделано заключение, что хрупкая дисперсная фаза может привести к увеличению энергии разрушения поликристаллической матрицы в том случае, когда размер дисперсных частиц существенно больше размера зерна матричной фазы. [c.27]

Хотя, по-видимому, увеличенная энергия разрушения в полимерах, содержащих дисперсный эластомер, и связана с увеличенной степенью молекулярной ориентации внутри полимерной матрицы, окружающей частицы эластомера, приведенные объяснения этого явления не очевидны. В других исследованиях по развитию трещины показано, что уровень возникающей молекулярной ориентации зависит от времени, в течение которого материал находится под влиянием поля напряжений около фронта трещины [2]. В одной из первых работ по полимерам с введенными для повышения вязкости частицами эластомера предполагалось, что частицы эластомера просто уменьшают скорость роста трещины. Это заключение было основано на наблюдениях Мерца и др. [43], которые показали, что частицы эластомера допускают значительное упругое удлинение и поэтому удерживают разрушенные поверхности полимера вместе до разрушения частиц. Таким образом, полимер в окрестности частиц эластомера находится под действием высоких напряжений вследствие влияния как поля напряжений в окрестности фронта трещины, так и неразрушенных частиц эластомера более долгое время, чем поверхности разрушения, не содержащие частиц. Этим может быть объяснена большая степень ориентации молекул в композитах полимер — эластомер. [c.28]

Было исследовано также влияние размера частиц. В работе [52] по испытаниям различных композитов с тремя размерами дисперсных частиц показано, что Е не зависит от размера частиц в системе эпоксидная смола — А120з-ЗН20. В работе [6] приведен такой же результат для двух различных композитов керамика — дисперсные частицы с одинаковым термическим расширением обеих фаз в каждой композитной системе. Это как раз не тот случай, когда термические расширения двух фаз суш,ественно различались. Как будет рассмотрено и обсуждено ниже в настояш ей главе, остаточные термические напряжения могут вызвать образование треш,ин вокруг более крупных частиц, а эти трегдины существенна влияют на модули упругости композитов. [c.31]

Влияние трещин на модуль упругости было изучено в [6], путем изготовления ряда стекол, содержащих дисперсные частицы большого размера А12О3 или 2гЗЮ4. Различные стекла были выбраны с целью изменения разности термического расширения матрицы и дисперсной фазы. Как показано на рис. 11-, предсказанные более высокие модули упругости были получены только на тех композитах, у которых термическое расщирение дисперсных частиц было близко к термическому расширению стекла. Во всех [c.33]

Модули упругости хрупких композитов, содержащих дисперсные частицы, можно вычислить, если известны отношение модулей и объемное содержание дисперсной фазы. Нижняя граница, приведенная Хашином и Штрикманом, и решения типа, полученного Исаи, находятся в хорошем согласии с большинством экспериментальных данных. Поры, образованные в процессе изготовления, и трещины, возникшие вследствие различной термической усадки, существенно уменьшают модули по сравнению с расчетными величинами. Как будет показано в следующем разделе, в процессе приложения напряжений каждая частица дисперсной фазы может рассматриваться в качестве инициатора трещины. Трещина, образованная при нагружении, будет уменьшать модуль упруго сти перед разрушением. Таким образом, когда модуль упругости используется для расчетов при высоких напряжениях, его значения, измеренные при низких напряжениях, должны применяться с осторожностью. [c.34]

Девидж и Грин использовали соотношение (6) для вычисления критического размера частицы, при котором должна обнаруживаться трещина в исследованных ими композитах стекло — дисперсные частицы. Вычисленные величины были приблизительно в два раза меньше размера частиц, при котором обнаруживались трещины. Таким образом, уравнение (6) можно использовать только для оценки критического размера частицы, необходимого для образования трещин. Несмотря на это, их концепция наводит на мысль, что трещины, вызванные остаточными термическими напряжениями, могут быть исключены в некоторой (данной) композитной системе путем уменьшения размеров частиц дисперсной фазы. [c.38]

Рис. 13. Природа остаточных термических напряжений, расположение трещины II путь ра.зрушения (пунктирные линии) в композитах с дисперсными частицами (а — коэффициент термического расширения, у — энергия ра.зрушения, т ж р — соответственно индексы матричной и дисперсной фаз).

В предыдущих трех разделах показано, что каждый из трех факторов, определяющих прочность, а именно энергия разрушения, модуль упругости и размер трещины, связан с дисперсной фазой. В связи с этими определяющими факторами обсуждены пять параметров композитов 1) размер частиц, 2) объемное содержание, 3) связи по границам, 4) отношение модулей и 5) остаточные терлшческие напряжения, т. е. различие в термическом расширении. Последний из них важен только в том случае, когда композит применяется или испытывается на прочность при температуре, отличной от температуры его изготовления. [c.43]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...