Высокая прочность и композиционные материалы

Высокая прочность и композиционные материалы [c.350]

Автор вместе с группой товарищей в течение ряда лет занимается исследованием вопросов, имеющих отношение к проблеме связи структуры и свойств материалов. Вместе с этим он читает аспирантам курс физического металловедения. Изложение вопросов, так или иначе затрагивающих вышеуказанную проблему, и составляет основу книги. Последовательно рассмотрены металлическая связь и ее влияние на свойства металлов, строение атомов и межатомное взаимодействие, дефекты структуры, диффузия и теория фазовых превращений, некоторые конкретные процессы, формирующие конечные свойства металла полигонизация, старение, мартенситное превращение, возможности достижения высокой прочности, включая композиционные материалы, жаропрочность, поведение металлов в глубоком вакууме и, наконец, некоторые возможности использования ядерных процессов для исследования металлов. Где это возможно, делается акцент на вопросах связи строения и свойств. [c.8]

Применение конструкционных низколегированных сталей повышенной и высокой прочности, теплоустойчивых и жаропрочных хромомолибденованадиевых, нержавеющих хромоникелевых сталей, биметаллов и композиционных материалов для изготовления аппаратов актуализирует проблему механической неоднородности. Механическая неоднородность, заключающаяся в различии механических характеристик зон (шва Ш, зоны термического влияния ЗТВ и основного металла) сварного соединения, является, с одной стороны, следствием локализованных температурных полей при сварке структурно-неравновесных сталей, с другой - применения технологии сварки отличающимися по свойствам сварочных материалов с целью повышения технологической прочности. [c.93]

Таблица 3.39. Прочность порошковых алюминиевых сплавов и композиционных материалов на алюминиевой и магниевой матрице при высоких температурах [5,14,24]

Таблица 3.42. Прочность при высоких температурах сплавов на основе тугоплавких металлов, керамики и композиционных материалов на никелевой матрице [3,14,24

Материалы с переменной плотностью по толщине применяют в конструкциях, нагружаемых перпендикулярно плоскости армирования [38]. У композиционных материалов, изготовленных по схеме 1.2, ж, наружные слои обладают высокой прочностью и жесткостью на изгиб и кручение, а внутренние — достаточным сопротивлением межслойному сдвигу. При наличии волокон, искривленных только в направлении х, изменение угла наклона О приводит к улучшению одних характеристик материала и ухудшению других (рис. 1.3). Комбинированная укладка прямых и искривленных волокон в направлении х (см. рис. 1.2, д, е) позволяет регулировать характеристики материала за счет их объемного соотношения. [c.13]

Композиционные материалы, особенно волокнистые композиты, обладающие уникальными свойствами высокой прочности и низкой плотности, а также хорошими усталостными свойствами, могут применяться в конструкциях любого назначения. Механика композитов изучает их механическое поведение под [c.492]

Создание композиционных материалов нового класса стало возможным благодаря разработке и применению высокопрочных и высокомодульных борных и углеродных волокон, соединений ковалентного типа в виде нитевидных кристаллов и волокон карбидов, нитридов и других соединений, а также армирующих материалов на основе металлов, сталей и сплавов, обладающих высокой прочностью и высоким модулем упругости. [c.33]

Волокна из тугоплавких сплавов обладают высокими прочностью и модулем упругости и очень высокой жаропрочностью. Однако они имеют существенный недостаток — низкое сопротивление высокотемпературному окислению, что вызывает известные затруднения как при получении, так и при эксплуатации армированных ими композиционных материалов. [c.45]

Большое внимание в настоящее время уделяется исследованию композиционных материалов алюминий — углеродное волокно, обладающих высокой прочностью и малой плотностью. Свойства этих материалов зависят от свойств упрочняющих волокон, а также в значительной степени от метода изготовления и технологических параметров. Так, например, композиционный материал, содержащий 30—40 об. % волокон, при плотности 2 г/см в зависимости от вида упрочнителя и технологии может иметь предел прочности от 50 до 120 кгс/мм [156, 170, 178]. Модуль упругости материала зависит только от величины модуля упругости применяемого волокна и может изменяться в пределах от 9000 до 20 000 кгс/мм [170]. На рис. 83 показано изменение предела прочности композиционного материала на основе алюминиевого сплава А-13 (алюминий + 13% кремния), упрочненного —30 об. % углеродного волокна. Видно, что вплоть до температуры плавления матрицы прочность заметно не меняется. Длительная (100-часовая) прочность подобного материала при 400° С составляет 15—20 кгс/мм [1]. Характеристики усталости материала алюминий — 33—38 об. % углеродного волокна приведены в табл. 47. [c.210]

Предполагается использование композиционных материалов на никелевой основе для длительной работы при температурах выше 1000° С. Однако разработка таких материалов затруднена из-за отсутствия упрочнителей, которые могли бы без потери прочности длительно работать в контакте с никелевой матрицей. Из металлических упрочнителей с точки зрения совместимости с никелевой матрицей лучшей пока остается вольфрамовая проволока, обеспечиваюш,ая довольно высокие значения длительной прочности в композиционных материалах на основе никелевых сплавов. Характеристики прочности и длительной прочности некоторых композиций приведены в табл. 18—22 и 61. Из таблиц видно, что введение вольфрамовой проволоки в количестве 40— 70 об. % позволяет получить материал с длительной (100-часовой) прочностью при 1100° С, равной 13—25 кгс/мм . Основными недостатками этих материалов является высокая плотность и необходимость защиты от окисления при высоких температурах. В этой же таблице приведены свойства композиции никель—углеродное волокно. Композиция привлекательна своей невысокой плотностью. Однако прочность ее невелика, и композиция не может работать длительно при температурах выше 1000° С из-за взаимодействия волокна с матрицей. [c.217]

Механические свойства некоторых одноосно-армированных волокнистых композиционных материалов представлены в табл. 147. Самую высокую прочность и удельную прочность имеют стекловолокниты. Временное сопротивление стекловолокнитов повышается приблизительно в 3 раза по мере увеличения объемного содержания наполнителя. [c.369]

При очень тщательном устранении поврежденного поверхностного слоя удается, как указывалось ранее, достигнуть прочности хрупких материалов (стекла, сапфира, кремния), близкой к теоретической. Тем не менее вряд ли хрупкие высокопрочные материалы найдут широкое применение в практике, так как всегда есть опасность потери прочности из-за случайного повреждения поверхности. Однако если из хрупкого материала, например стекла или кварца, получить нити и связать их пластичной матрицей, то можно одновременно обеспечить высокую прочность и высокое сопротивление хрупкому разрушению. В данном случае задача решается благодаря геометрии волокон в тонких нитях трещины либо очень короткие, если они расположены поперек волокон, либо безопасны, если ориентированы вдоль волокон если одно или несколько волокон порвется, то нагрузка перераспределится на другие волокна и материал не разрушится. Таким образом, возможное решение противоречивой задачи хрупкость — пластичность — это композиционные материалы, состоящие из пластичной матрицы и высокопрочного наполнителя (принцип стеклопластиков). Поскольку в волокнах подвижные дислокации не нужны для создания высокого сопротивления распространению трещин, то целесообразно использовать волокна хрупких, высокопрочных материалов. В табл. 35—37 приведены данные о прочности некоторых нитевидных кристаллов — естественных, стеклянных, кварцевых волокон, а также прочность некоторых видов поликристаллической металлической проволоки при комнатной температуре. [c.351]

Основные направления получения композиционных керамических материалов, сочетающих в себе высокие прочность и вязкость разрушения, связаны с изготовлением специальных ультрадисперсных керамических порошков (размер частиц менее 1 мкм), в том числе композиционных с высокими требованиями по химической чистоте, разработкой способов их формирования и спекания для снижения процесса агломерации в этих порошках и изменения кинетики роста зерен при рекристаллизации [26]. [c.258]

Волокнистые наполнители находят более широкое применение в производстве композиционных материалов вследствие их высокой прочности и жесткости и способности предотвращать прорастание треш,ин в хрупкой полимерной матрице. В зависимости от метода получения волокна обычно имеют цилиндрическую или неправильную форму. Волокна с гладкой поверхностью образуют менее прочное механическое сцепление с матрицей. Однако волокна с гладкой поверхностью легче смачиваются, чем с шероховатой, хотя полного смачивания волокон полимерами, так чтобы вообще не было пустот на поверхности, практически достигнуть не удается. Волокна могут адсорбировать различные вещества, способные влиять на их адгезионные свойства. Следует отметить, что прочное сцепление волокон с полимерной матрицей не всегда желательно, так как оно уменьшает поглощение механической энергии при разрушении композиционного материала. [c.371]

Алюминиевые сплавы выбраны в качестве матрицы композиционного материала с борным волокном, благодаря удачному сочетанию свойств. Матрица должна обладать следующими свойствами высокой вязкостью разрушения, приводящей к торможению распространения трещины в материале при разрушении или образовании трещины в волокне, способностью пластически обтекать волокно и связываться с ним, высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Для композиционных материалов, предназначенных для работы при высоких температурах, весьма важными являются сопротивление ползучести и стойкость против окисления. Кроме того, матрица должна обладать способностью свариваться и соединяться пайкой, а в некоторых случаях позволять применять к композиционному материалу обработку давлением. [c.427]

Основным достоинством волокнистых композиционных материалов является их необычно высокая прочность и жесткость, приходящаяся на единицу массы. Удельная прочность (отношение разрывной прочности к плотности) и удельный модуль упругости (отношение модуля к плотности) таких материалов обычно превосходят эти показатели для наиболее прочных и жестких металлов [c.262]

Перспективными являются волокнистые композиционные материалы. Высокая прочность и пластичность в этом случае достигается путем армирования мягкой металлической матрицы бездефектными, нитевидными кристаллами (усами) металлов и неметаллов. Если количество дефектов кристаллического строения превышает величину а, то дальнейшее их увеличение упрочняет металл. [c.64]

Перспективными являются волокнистые (композиционные) материалы. Высокая прочность и пластичность в этом случае достигается путем армирования мягкой металлической матрицы (медь, алюминий, серебро, нихром, полимеры и т. д.) бездефектными, нитевидными кристаллами (усами) неметаллов (а—АЬОз, углеродные волокна, карбиды В4С, 51С и др.) . [c.67]

Материалы, армированные волокнами [12—15]. Идея об упрочнении металлов волокнами с целью получения конструкционных материалов с хорошими характеристиками возникла в связи с тем, что в 50-х годах нашего столетия были обнаружены уникальные механические свойства нитевидных кристаллов (усов), способных выдерживать напряжения, близкие к теоретическим значениям. Выяснилось, что упрочнение волокнами позволяет получать конструкционные материалы, сочетающие высокую прочность и тугоплавкость арматуры с хорошей пластичностью металлической или высокой жаростойкостью керамической матрицы. Армированные волокнами конструкционные материалы, получившие название композиционных, т. е. состоящих из разнородных компонентов, отличаются высоким сопротивлением пластической деформации и хрупкому разрушению в течение достаточно длительного времени, в том числе и при повышенных температурах. [c.461]

Полимерные пленки являются важным элементом изоляции низковольтных электрических машин (на напряжение до 1000 В), где они используются в качестве витковой и корпусной изоляции обмоток. В настоящее время полимерные пленки широко применяются в массовых сериях электрических машин общепромышленного назначения, обеспечивая при малой толщине (0,04—0,2 мм) достаточно высокие запасы электрической и механической прочности изоляции обмоток. В ряде случаев полимерные пленки и композиционные материалы на их основе являются полноценными заменителями слюдяных материалов. Применение полимерных пленок в кабельной технике обусловливает возможность создания обмоточных и монтажных проводов, а также силовых кабелей с высокими электрическими и механическими характеристиками при относительно малой толщине изоляции. В последние годы выявлена высокая эффективность использования пленочных материалов в качестве диэлектрика силовых конденсаторов (обычно в сочетании с бумагой), а также конденсаторов, применяемых для различных специальных целен. Прогресс в области химии высокополимерных соединений стимулирует дальнейшее расширение применения полимерных пленок в производстве электрооборудования, обеспечивая существенное улучшение его техникоэкономических показателей, а также повышение надежности. [c.106]

Отличительной особенностью композиционных материалов является их малая плотность, высокая прочность и жесткость, а также способность изгибаться, формоваться, подвергаться резанию и т. д. В настоящее время композиционные материалы находят применение в усло-виях,-где им приходится выдерживать большие нагрузки, т. е. в конструкциях летательных аппаратов, в батискафах, строительстве и т. д. [c.213]

Механические свойства волокнистых композиционных материалов определяются тремя основными параметрами высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица—волокно. Именно соотношение этих параметров определяет весь комплекс механических свойств и механизм разрушения композита. Его работоспособность, надежность и долговечность зависят от правильности выбора исходных компонентов и технологии формирования изделия. Здесь уместно заметить, что не всегда достижение высоких механических показателей композита может так же благотворно влиять и на другие эксплуатационные свойства. В частности, для изделий, эксплуатируемых в контакте с агрессивными средами, когда требуются помимо высокой прочности и жесткости конструкции химическая стойкость и непроницаемость, приходится [c.114]

Говоря об анизотропных материалах, необходимо хотя бы кратко остановиться на современных композиционных материалах, получивших к настоящему времени широкое распространение в современной технике благодаря их ценным прочностным, упругим и другим свойствам. Такие материалы состоят из армирующих элементов высокой прочности и жесткости и из менее прочного и жесткого связующего, обеспечивающего монолитность композиции. Большое распространение получили стек- [c.62]

Для снижения массы газовые баллоны ДУ изготовляют из материалов с высокой удельной прочностью. Находят применение металлические и композиционные материалы, а также комбинация указанных материалов. [c.336]

Композиционные материалы с металлическими матрицами имеют ряд неоспоримых преимуществ перед другими конструкционными материалами, предназначенными для работы в экстремальных условиях. К этим преимуществам относятся высокие прочность и. жесткость в сочетании с высокой вязкостью разрушения высокие удельные прочность и жесткость (отношение предела прочности и модуля упругости к удельному весу а/у и Е/у) высокий предел усталости высокая жаропрочность малая чувствительность к тепловым ударам, к поверхностным дефектам, высокие демпфирующие свойства, электро- и теплопроводность, технологичность при конструировании, обработке и соединении (табл. 38 4). [c.498]

Материалы, армированные волокнами. Упрочнение волокнами позволяет получать конструкционные материалы, сочетающие высокую прочность и тугоплавкость арматуры с хорошей пластичностью металлической или высокой жаростойкостью керамической матрицы. Армированные волокнами конструкционные материалы, получившие название композиционных, т. е. состоящих из разнородных компонентов, отличаются высоким сопро- [c.439]

Композиционные материалы — это искусственные материалы, получаемые сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонентов является матрица (основа), другим - упрочнители (волокна, частицы). В качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы. Упрочнителями служат волокна - стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, боридов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. При составлении композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиций. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т. п. [c.170]

Теоретическая прочность твердых тел Прочность реальных кристаллов Сопротивление кристаллической решетки движению дислокаций ф Упрочнение за счет препятствий Термическая стабильность барьеров Мартенсит-ная структура стали и прочность Химическая и структурная неоднородность и механические свойства титановых сплавов Высокая прочность и композиционные материалы Нитевидные кристаллы Механизм упрочнения композиций, армированных непрерывными и короткими волокнами % Материаль , получаемые однонаправленной кристаллизацией [c.279]

Общие замечания. Нарушение сплошности и несущей способности пространственно-армированных композиционных материалов при повышенных (выше 250 °С) температурах вследствие сравнительно низкой теплостойкости матрицы ограничивает температурный диапазон их применения. Решение задачи упрочнения матрицы в целях приближения ее прочности при повышенных температурах к высокому температурному сопротивлению углеродных волокон привело к появлению углеродной (или графитовой) матрицы и композиционных материалов на ее основе. Создание нового класса высокотемпературных материалов, получивших название углерод-углеродных композиционных материалов, описано в работе [109] там же приведена библиография по этим материалам. Первоначально со.зданные углерод-углеродные композиционные материалы основывались на двухнаправленном армировании. Они обладали лучшей прочностью в плоскостях армирования по сравнению с монолитным поликристаллическим графитом, но уступали по прочности, нормальной к плоскости армирования. Переход к пространственно-армированным материалам устраняет эту проблему [108, 114, 123]. Пространственное армирование резко повышает сопротивление этих материалов к действию нестационарных температурных напряжений и абляционную стойкость. Разработке и созданию пространственно-армированных материалов на основе углеродной матрицы уделяется большое внимание [106, 107]. [c.167]

Перспективность использования композиционных материалов в различных отраслях техники определяется их широким спектром самых различных свойств. Высокие прочность и удельная жесткость, малая чувствительность к концентраторам напряжений и высокое сопротивление усталостному разрушению, жаропрочность, износостойкость, электропроводность, а такжеэлектро-изоляционпые, антифрикционные, теплозащитные, эрозионностойкие, радиопрозрачные, радпопоглощающие, энергоемкие и другие свойства — таков далеко не полный перечень важнейших характеристик этих материалов. [c.230]

Ведущая роль в повышении прочности дисперсноупрочняемых композиционных материалов принадлежит специально вводимым в процессе производства материала упрочняемым фазам (карбиды, бо-риды, нитриды, оксиды, интерметаллиды). Различают материалы е дисперсионной и агрегатной структурами. В дисперсной структуре упрочняющие фазы располагаются внутри зерен, в агрегатной — на границе зерен. Эти материалы применяются в качестве жаропрочных конструкционных, а также специальных высокотемпературных материалов с особыми электрофизическими свойствами, высоким сопротивлением радиационному распуханию, ионному распылению. [c.79]

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью. [c.475]

Фирмой Энка разработаны волокна марки ARENKA, фирмой Тэйдзин волокна марки НМ-50 известны и другие волокна этого типа [1]. Наряду с высокой прочностью и высоким модулем упругости арамидные волокна имеют низкую плотность, обладают соответственно высокой удельной прочностью и поэтому с успехом применяются в качестве армирующих волокон для композиционных материалов (табл. 8.1.). [c.263]

Для релаксации пиковых Напряжений предложено вводить "резиновые" оболочки для зерен, позволяющие им обратимо и многократно деформироваться в автономном режиме при нагружении кристалла. Материал прослойки должен обладать специфическими свойствами иметь высокую прочность и обратимую упругопластическую деформацию, хорошую совместимость и адгезию материалов зерен и прослойки. В частности, этими свойствами обладают материалы с термоупругими мартенситньши превращениями (интерметаллиды со структурой В2). На этой основе разработана серия твердых сплавов, характеризующихся высокой прочностью, износостойкостью и ударной вязкостью [137]. Рассмотренные материалы, являясь композиционными, объединяют уникальные свойства сплавов III и V уровней неравновесности. [c.260]

Композиционными материалами или композитами обычно назьтают многофазные сплошные среды, состоящие из армирующих элементов и соединяющего из связующего вещества (матрицы). В качестве армирующих элементов используют непрерывные или дискретные тонкие волокна, образованные из них нити, жгуты и ткани. Обладая высокой прочностью и жесткостью, волокна обеспечивают необходимые механические свойства композитов. В качестве матриц используют отвержденные или карбони-зованные термореактивные полимерные смолы, термопласты, металлические сплавы и керамику. Матрица обеспечивает заданную форму изделия, эффективную совместную работу волокон и в основном определяет технологические и теплофизические свойства композитов. Матрица может содержать наполнители в виде коротких волокон или частиц, вводимых для повышения ее механгтческих характеристик. [c.273]

Резюмируя, отметим, что композиционные материалы с металлической матрицей требуют разработки усложненной технологии с цепью реализации преимуществ, которые они могут дать в инженерных конструкциях. При разработке этих композиционных материалов следует тщательно рассмотреть проблемы химической и механической совместимости двух фаз. Вследствие высоких прочности и модуля упругости матрицы взаимодействие между матрицей и упрочняющим компонентом происходит в большей степени, чем в случае композиционных материалов с матрицей из смолы. Кроме того, многие из свойств металлических сплавов, полезных для инженерных конструкций, позвол 1ют использовать указанные сплавы в качестве матрицы композиционных конструкционных материалов. [c.18]

Композиционным материалам с однонаправленным и перекрестным расположением волокон, когда необходимая толщина изделия создается последовательной укладкой армирующих слоев,. присущи низкая сдвиговая и низкая трансверсальная прочность. Модуль упругости и предел прочности при межслойном сдвиге и поперечном растяжении— сжатии в таких композициях более чем на порядок отличаются от модуля Юнга и прочности в направлении армирования. В ряде случаев эта особенность может препятствовать реализации высоких прочности и жесткости композиций в конструкциях. Повышение прочности сцепления матриц с волокнами путем их поверхностной обработки способствует увеличению прочности материала при сдвиге и сжатии, но не является эффективным средством повышения упругих характеристик при этих видах нагружения. Существенное возрастание жесткости и прочности при межслойном сдвиге, а также сопротивления материала поперечному отрыву достигается созданием в нем поперечных связей. Материалы с пространственно сшитой арматурой (многослойные ткани), используют при создании стеклопластиков и органоволокнитов. Основной недостаток их — значительное искривление волокон основы, что приводит к резкому снижению характеристик механических свойств композиций в этом направлении. Для высокомодульных углеродных и борных волокон наиболее приемлема схема трехмерного армирования изотропных текстильных материалов ИТМ, при которой волокна сохраняют прямолинейность. В этом случае в разных направлениях могут быть уложены различные волокна, благодаря чему образуется многокомпонентный материал. [c.591]

Толщина, состав, механические свойства поверхностных пленок и прочность сцепления их с подложкой определяют в значительной степени свойства трущихся пар. Пленки играют важную роль в защите металлических поверхностей от схватывания. В связи с этим применение активных твердых смазок в парах трения позволяет коренным образом изменить их противоизносные и антифрикционные свойства. Так, износ фторопластовых композиционных материалов, наполненных металлическими порошками, может уменьшаться при введении иоди-дов примерно в 20—100 раз. Характерной особенностью материала ФТ-1А является его высокая износостойкость и термостойкость. Материалы этого типа могут работать длительное время при объемных температурах до 250° С без смазки, по- [c.73]

Для получения упрочняющего действия необходимо, чтобы волокна сами обладали высокой прочностью и придавали соответствующие свойства всему композиционному материалу. Матрица при этом имеет подчиненное вначение. В дисперсно-упрочненных материалах ведущее значение имеет матрица, в которой ультрадисперсные нерастворяющиеся в матрице частицы создают эффективное торможение движению дислокаций вплоть до температуры плавления металла. [c.697]

В современной технологии композиционных материалов все большее место занимают волокнистые материалы, представляющие собой композицию из мягкой матрицы (оспоБы) и высокопрочных волокон, армирующих матрицу. Материалы, упрочиепиые волокнами, характеризуются высокой удельной прочностью, а также могут иметь малую теплопроводность, высокую химическую и термическую стойкость и т. п. Для получения композиционных материалов используют различные волокна проволоки из вольфрама, молибдена, волокна оксидов алюминия, бора, карбида кремния, графита и т. п. —в зависимости от требуемых свойств создаваемого материала. Вопросами исследования и создания волокнистых материалов занимается новая, быстроразвивающаяся отрасль поронжовой металлургии — металлургия волокна. [c.421]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...