Композиты с металлической матрицей, поверхности раздела

Композиты с металлической матрицей, поверхности раздела 396— 397 [c.478]

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]

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 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]

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]

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]

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]

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]

Поверхности раздела в композитах с металлической матрицей. [c.503]

Во-вторых, условия нагружения, возникающие в образцах с вытягиваемыми волокнами, несмотря на кажущееся сходство с условиями, существующими в реальных композитах с короткими волокнами, не идентичны последним. Это вызвано тем обстоятельством, что при испытаниях нагрузка прилагается непосредственно к волокну, а в композитах нагрузка всегда прилагается через матрицу. Если в образце для вытягивания длина заделанной части волокна очень велика, то указанное различие не имеет решающего значения, поскольку длина заделанной части достаточна для адекватного распределения нагрузки между волокном и матрицей. Однако во многих системах с металлической матрицей это невозможно из-за высокой прочности поверхности раздела, так как уже при малой глубине заделки достигается критическая длина волокна /кр- [c.72]

В композитах с металлической и полимерной матрицами имеется много общих проблем, связанных с поверхностью раздела. Например, аппретирование в стеклопластиках обеспечивает образование переходной зоны между упрочнителем и матрицей. С другой стороны, можно убедиться в том, что для применяемых на практике металлических композитов характерно подобное же изменение свойств при переходе через поверхность раздела. Если компоиенты полностью нерастворимы, химически инертны и не смачиваются, то в композите отсутствует связь, обеспечивающая необходимые свойства. Модифицирование поверхностей в таких композитах с целью создания связи приводит к появлению градиента состава в той зоне, где формируется связь. Из этих соображений вытекает следующее определение поверхности раздела, предложенное в первой главе [c.78]

Книга Поверхности раздела в металлических композитах , перевод которой предлагается советскому читателю, открывает эту серию. Первый том серии посвящен поверхностям раздела не случайно именно внутренние поверхности контакта разнородных составляющих композита (точнее, переходная область, в пределах которой происходит физико-химическое и механическое взаимодействие между ними) играют особую и подчас определяющую роль в получении материала с требуемым комплексом свойств. Через всю книгу проходит идея о том, что эту область следует рассматривать как особую составляющую композита, которая обладает специфическими механическими свойствами, отличными от свойств как матрицы, так и упрочнителя. [c.5]

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]

В волокнистых металлических композитах, за исключением композитов с направленной эвтектикой, волокно и матрица, как правило, не находятся в состоянии химического равновесия. Из всех факторов, воздействующих на усталостную прочность композита, вероятно, самым малопонятным является влияние прочности и микроструктуры на границе раздела волокна и матрицы. Увеличение прочности происходит в результате того, что посредством касательных напряжений усилия передаются через границу раздела волокна и матрицы, и высокомодульные волокна несут большую часть приложенных параллельно им нагрузок. Поверхности раздела играют и другую важную роль в сопротивлении разрушению, контролируя вид распространения трещин они могут отклонять распространяющиеся трещины и задерживать рост трещин. [c.396]

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]

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]

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]

Аналогичные теории и представления о прочности поверхности раздела при растяжении и сдвиге были развиты применительно к композитам первого класса. Приведенные Купером и Келли примеры композитов (таких, как медь — вольфрам) подтверждают справедливость выполненного ими анализа поведения систем с металлической матрицей. В системах второго и третьего классов на границе волокно — матрица появляется зона конечной ширины, отличающаяся по свойствам как от матрицы, так и от волокна. Анализ систем второго класса был начат Эбертом и др. [16]. Они использовали дифференциальные методы для оценки влияния диффузии в зоне раздела на механические свойства компонентов. Эта работа является одновременно и первым анализом немодельных систем, хотя она и была ограничена лишь системами с химическим континуумом, т. е. непрерывным изменением состава (см. гл. 2). В системах третьего класса наличие продукта реакции приводит к химическому дисконтинууму — прерывистому измене- [c.19]

Высказывалось предположение, что возможны случаи, когда предпочтительна слабая поверхность раздела. Согласно Куку и Гордону [12], поле напряжений у вершины развивающейся трещины включает не только главные напряжения, стремящиеся раскрыть трещину в направлении ее распространения, но и напряжения, стремящиеся раскрыть ее в перпендикулярном направлении. Значит, эти дополнительные напряжения могут раскрывать плоскости с ослабленной связью, пересекаемые магистральной трещиной. Эм бери и др. [17] применили эти представления к случаю разрушения слоистых композитов. Они показали, что в пакете стальных листов распространение трещины задерживается процессом расслаивания это приводило к важному результату — снижению температуры перехода от вязкого разрушения к хрупкому более чем на 100 К. Эти исследования были продолжены Олмондом и др. [2], которые получили ряд новых данных об указанном типе структур, тормозящих распространение трещины. По очевидным соображениям аналогичный подход применим и к волокнистым композитам этот вопрос рассмотрен в гл. 7 в связи с проблемой разрушения. Значительные объемы композита, расположенные по обе стороны от магистральной трещины, могут быть охвачены одновременным действием различных механизмов разрушения, а в таких случаях, как показали Эдсит и Витцелл [1] на примере композитов алюминий — бор, вязкость разрушения композита может превосходить вязкость разрушения металлической матрицы. [c.25]

В работе [59] было также исследовано влияние связи по поверхностям раздела композитной системы стекло — никелевые шарики. Показано влияние как неокисленных (нет связи), так и окисленных (хорошая связь) никелевых шариков на прочность трех различных стеклянных матриц с коэффициентами термического расширения, большими, меньшими и равными коэффициенту термического расширения металлических шариков. Во всех случаях прочность композитов с хорошо связанными предварительно окисленными шариками была выше прочности композита с плохо связанными (неокисленными шариками и стеклянной матрицы без второй дисперсной фазы. В этой работе также отмечено, что оптимальная прочность связи зависит от толщины окисной пленки. [c.52]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...