Металлы, армированные волокнами

По-видимому, циклическая стабильность (отсутствие как упрочнения, так и разупрочнения) характерна для металлов, армированных волокнами, в противоположность обычно наблюдаемому циклическому упрочнению в отожженных металлах или циклическому разупрочнению в предварительно упрочненных металлах. Циклически стабильное напряженно-деформированное состояние алюминиевых сплавов, армированных либо вязкой бериллиевой проволокой, либо хрупкими борными волокнами, показано на рис. 3. Циклическое упрочнение технически чистого алюминия необычно тем, что оно не достигает величины насыщения, как у большинства металлов, а происходит непрерывно вплоть до разрушения [52] на рис. 3 для сравнения с поведением композитов показано непрерывное упрочнение алюминия 1235. В [55] сообщалось, что алюминий 6061-Т6, армированный непрерывными волокнами бора с объемным содержанием 25 и 40%, циклически упрочняется, но величина упрочнения минимальна и состояние композита может быть охарактеризовано как циклически стабильное. [c.404]

Усталостные трещины в металлах почти всегда возникают на свободных поверхностях, и поэтому усталостная прочность металлов очень чувствительна к поверхностным дефектам. В металлах, армированных волокнами, усталостные трещины могут зарождаться в двух основных местах на свободных поверхностях и на границах раздела волокна и матрицы. От свойств волокна и границы раздела волокна и матрицы зависит, будут ли последние служить местами зарождения усталостных трещин или нет. Высокопрочные хрупкие волокна, имеющие малую деформацию разрушения и большой статистический разброс прочности на разрыв (см., например, [50]), могут разрываться при растяжении в произвольных слабых точках по всему композиту. Каждый такой разрыв волокна является возможным местом зарождения усталостных трещин в металлической матрице. Затем там в результате локальной концентрации напряжений происходит классическое явление усталости. [c.406]

Рис. 10. Виды роста усталостных трещин в металлах, армированных волокнами. Местом расположения трещины является волокно (в) на рис. а и г и матрица (м) на рис. б, в, д я е.

Виды роста усталостных трещин, наблюдавшиеся в металлах, армированных волокнами, соответствуют прогнозам, сделанным на основе рассмотрения упругого поля напряжений у конца трещины. Было обнаружено большинство из отмеченных в табл. III эффектов влияния поверхности раздела на рост трещин [22]. Эти и другие возможные виды роста усталостных трещин проиллюстрированы на рис. 10. То, какой из видов роста трещин реализуется в данном композиционном материале, зависит от относительных модулей, предела текучести и вязкости волокна и матрицы и от прочности и структуры поверхности раздела между ними. По-видимому, идеальным в смысле усталостной прочности является такой армированный волокнами металл, который имеет вязкую матрицу, обладающую невысоким пределом текучести, хрупкие волокна с высоким пределом текучести и слабое сцепление на поверхностях раздела (т. е. разрушение происходит на поверхности раздела, а не в матрице) [22]. [c.418]

В общих чертах к высокой усталостной прочности металлов, армированных волокнами, приводят следующие факторы большая разница модулей компонентов, хрупкие волокна с высоким пределом текучести, вязкая матрица с низким пределом текучести и слабое сцепление на границах раздела [23]. В противоположность этому композит, имеющий матрицу с высоким пределом текучести, вязкие волокна (которые рвутся вследствие роста усталостных трещин) и прочную металлургическую связь на границах [c.434]

Армирование металлов прочными жесткими волокнами может значительно поднять предел усталости. При этом не только увеличивается несущая способность композита, но и усталостные трещины могут задерживаться, тормозиться и отклоняться волокнами. Усталостные процессы в металлах, армированных волокнами, можно охарактеризовать следующим образом в процессе одноосного циклического нагружения композиты имеют тенденцию к циклической устойчивости, к отсутствию значительного упрочнения или разупрочнения. Как и в металлах, усталостные трещины зарождаются на свободных поверхностях, но могут также возникать и внутри композита около оборванных волокон или у их концов. Поверхности раздела волокон и матрицы могут задерживать или тормозить усталостные трещины или же менять направление их роста таким образом, что распространение становится относительно безопасным. Поскольку мест для возможного зарождения трещин много и поверхности раздела способны изменять направление роста трещин, отличительной чертой поверхностей усталостного разрушения в волокнистых композитах в случае высокой усталостной прочности является их крайне неровный характер. [c.437]

Металл, армированный волокном (FRM) [c.11]

Металлы, армированные волокнами [c.24]

Рис. 7.1. Основные этапы технологического процесса производства металлов, армированных волокнами.

В зависимости от геометрии и свойств полуфабрикатов, являющихся промежуточным материалом для получения армированных металлических изделий, используются различные методы формования металлов, армированных волокнами. Для армированного углеродными волокнами алюминия применяют методы горячего прессования (металлическая матрица остается в твердом состоянии), горячего вальцевания, горячей вытяжки и жидкофазного горячего прессования (металлическая матрица в процессе формования проходит стадию жидкого или жидкокристаллического состояния). [c.246]

Вальцевание на горячих валках. Так как при вальцевании происходит пластическое течение металлической матрицы под действием высоких напряжений при контакте с валками, процесс формования композиционного материала можно вести с большой скоростью. В процессе горячего вальцевания ввиду кратковременности цикла переработки не требуется создания вакуума. Поэтому данный метод формования металлов, армированных волокнами, является дешевым. Изучается возможность его применения для формования изделий из армированного углеродными волокнами алюминия с использованием полуфабрикатов, полученных путем плазменной или ионной металлизации углеродных волокон [c.247]

Рис. 8.13. Изделия из металлов, армированных волокнами из оксида алюминия (длина масштабной линейки 300 мм).

Рис. 3.4. Анизотропия разрушающих напряжений для металла, армированного волокнами, при растяжении

Оптимальными условиями работы металлов, армированных волокнами, являются такие, при которых основную нагрузку несут волокна, а матрица служит главным образом для передачи [c.145]

В настоящее время проводят интенсивные исследования и опробование в опытных конструкциях многих металлов и сплавов, армированных волокнами. [c.637]

Хотя исследования армированных окислами металлов, связанные с проблемой упрочнения металлов керамическими волокнами, начаты давно, технология получения материалов этого класса разработана очень слабо. Такие высокопрочные тугоплавкие материалы с высоким модулем предполагается использовать для работы при высоких температурах, например, для горячих деталей газотурбинного двигателя. Требование высокотемпературной стабильности материала в таких условиях сильно осложняет проблему изготовления этих композитов по сравнению с композитами, предназначенными для работы при более низких температурах, например А1 — В. Большое внимание, которое сейчас уделяется поверхностям раздела в этих материалах, связано с вопросами совместимости составляющих именно в процессе изготовления материала, когда вопросы взаимодействия наиболее актуальны. В равной степени важно, чтобы сплошность поверхности раздела сохранялась в процессе эксплуатации материала, особенно при температурах ниже температуры его изготовления. Этот вопрос лишь недавно был подробно изучен для металлов, армированных непрерывными волокнами сапфира. [c.350]

Обычно считается, что металлы, упрочненные волокнами, обладают хорошим по сравнению с металлами сопротивлением усталости. Армированные металлы прочнее, сохраняют прочность до более высоких температур и иногда проявляют значительную способность задерживать рост усталостных трещин. Тем не менее главными препятствиями к использованию их в качестве конструкционных материалов были постоянные проблемы надежности и неполное понимание поведения этих материалов при разрушении. Сравнительно мало было сделано попыток улучшить усталостную прочность, понять ее природу. [c.394]

Главные результаты отмеченных ранних исследований состоят вкратце в следующем (1) армирование волокнами может значительно повысить прочность металлов при усталостном нагружении, (2) свойства поверхностей раздела, а также свойства обоих компонентов влияют на усталостную прочность композита, (3) трещины усталости могут зарождаться внутри композита у разорванных волокон или около концов волокон, (4) волокнистые композиты относительно нечувствительны к поверхностным дефектам и (5) волокна могут мешать росту усталостных трещин или останавливать его. [c.398]

ОТНОШЕНИЕ ПРЕДЕЛА УСТАЛОСТИ К СТАТИЧЕСКОМУ ПРЕДЕЛУ ПРОЧНОСТИ АРМИРОВАННЫХ ВОЛОКНАМИ МЕТАЛЛОВ ПРИ ОДНООСНОМ НАГРУЖЕНИИ [c.403]

Металлические композиционные материалы включают два основных класса дисперсноупрочненные материалы (рис. 463,6) и металлы, армированные волокнами (рис. 463, а). [c.635]

Для промышленного применения металлов, армированных волокнами, необходимо преодолеть значительные трудности, связанные с разработкой технологии их получения, а также соответствующих методов конструирования н расчета деталей. Однако с учетом высокого уровня прочности (особенно удельной) и возможности достижения требуемого комплекса свойств путем выбора материалов матрицы и волокон, изменения объемной доли волокон, их ориеггтиропки и т. д. широкое применение таки.х материалов в ближаСинсм бу-д Н1ем не вызывает сомнений. [c.640]

В данном обсуждении делается обзор современного состояния знаний о механизмах усталостного разрушения в металлах, армированных волокнами. Цели этого обзора состоят в том, чтобы резюмировать те принципы, коль скоро они известны, которые определяют усталостцую прочность композитов, и поставить дальнейшие задачи по разработке композиционных материалов для работы в условиях усталости. [c.395]

Самые ранние исследования усталостного поведения металлов, армированных волокнами, показали, что введение в алюминиевый сплав стальной проволоки может существенно снизить скорость распространения усталостной трещины [18] и улучшить сопротивление такого композиционного материала знакопеременному изгибу [57, 3]. Целый ряд исследователей [6, 3, 20, 39, 19, 30] наблюдали, что волокна могут также тормозить трещины, а Моррис и Штейгервальд [39] нашли, что прочность серебра в условиях циклического растяжения можно существенно улуч- [c.396]

В большинстве работ по исследованию влияния окружающей среды на усталостную прочность композитов изучалось воздействие температуры испытания, но во всяком случае в двух исследованиях была сделана оценка влияния паров воды на усталостную прочность. Металлы, армированные волокнами, прекрасно сохраняют свою работоспособность и при высоких температурах в условиях циклического одноосного нагружения, но усталостная прочность в испытаниях на знакопеременный изгиб резко уменьшается с повышением температуры, а водяной пар снижает долговечность бороалюминиевых композитов по сравнению с той, которая была получена в вакууме или в сухом гелие. Подробности этих результатов описываются ниже. [c.429]

Рис. 6.25. Ударная вязкость металла, армированного волокном (волокно — борволокно, покрытое карбидом кремния, матрица — алюминий). 1 — образец LT 2 — образец ТТ 3 — образец TL.

Последние достижения в производстве волокнируых материалов с высокой удельной прочностью и высоким модулем упругости открыли новые возможности в разработке конструкционных материалов с высокими удельными механическими свойствами. Перспективны композиционные материалы на основе полимеров или металлов,, армированных волокном. [c.206]

На рис. 7.1 показана схема технологического процесса производства металлов, армированных волокнами. Наиболее важные зтапы процесса выделены прямоугольниками. По мере надобности для улучшения смачиваемости волокон металлом и адгезии с ним, а также для регулирования реакционной способности поверхности волокон на них наносят покрытие или осуществляют другую предварительную обработку волокон. Затем формируют полуфабрикаты или так называемые исходные элементы металлокомпозитов. Полученные полуфабрикаты разрезают в соответствии с требуемыми размером и формой, складывают, ориентируя их в нужном для данной конструкции направлении, и затем осуществляют формование. После этого проводят окончательную обработку изделия — склеивание отдельных частей, механическую обработку и т. д. [c.241]

Тббпица 7.1- Характеристики при растяжении металлов, армированных волокнами [c.249]

Высокий модуль упругости металлических матричных сплавов по сравнению с органическими материалами особенно важен в высокомодульных композиционных материалах. На рис. 1 сравниваются удельные модули упругости нескольких компоги ионных материалов, армированных волокнами. Отметим, что хотя композиционный материал бор — эпоксидная смола с однонаправленным расположением волокон имеет наиболее высокие значения удельного модуля упругости в направлении волокон, его обобщенный удельный модуль упругости (псевдоизотропный О 60°) значительно нин<е, чем у композиции Борсик — алюминий. Удель ный модуль сдвига также выше для металла, армированного волокнами. Коэффициент жесткости Eld) очень важен для дина-мических конструкций, таких, как лопасти вентилятора газовой турбины и крупногабаритные самолетные профили [c.16]

Формулы (3.2) были использованы в работе А. Келли и Г. Девиса [21] для приближенного аналитического исследования анизотропии прочности металлов, армированных волокнами. На рис. 3.4 представлены кривые 1—3, построенные в работе [21 ] по формулам (3.2). Угол а здесь определяет наклон армирующих (однонаправленных) волокон по отношению к растягивающему напряжению 0в-В первом приближении рис. 3.4 позволил удовлетворительно описать анизотропию разрушающих напряжений [c.137]

Формула (3.16), называемая тензориальной , хорошо описывает всю кривую изменения относительного предела прочности aja о в зависимости от угла наклона волокон а, изображенную для сжатия древесины на рис. 3.1 и 3.2, а для металлов, армированных волокнами, — на рис. 3.4. [c.155]

Металлы, армированные волокнами - композиционные материалы с металлической матрицей и упрочнителями в виде волокон. Упрочнителями служат волокна бора, углеродные волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений, вольфрамовая или стальная проволока. Матричный материал выбирают из учета назначения композиционного материала (коррозионная стойкость, сопротивление окислению и др.). В качестве матриц используютлегкие и пластичные металлы, алюминий, магний и их сплавы. Количество упрочнителя составляет по объему 30-50%. Металлы, армированные волокнами, применяются в авиационной и ракетной технике. [c.171]

Прочность некоторых металлов, армированных однонаправленными непрерывными волокнами [c.639]

Борные волокна с покрытием из нитрида бора оказались весьма стабильными в контакте с расплавленным алюминием. Кэй-мехорт [8] показал, что до тех пор, пока сохраняется целостность этого покрытия, борное волокно остается неповрежденным в расплаве алюминия при 1073 К. На основании этих данных был разработан способ изготовления композитов А —В путем пропитки волокон расплавленным металлом. Форест и Кристиан [11] исследовали сдвиговую и поперечную прочности композита, состоящего из борных волокон с нитридным покрытием н матрицы из алюминиевого оплава 6061. Материал был изготовлен диффузионной сваркой. Прочность этого композита на сдвиг оказалась меньше, а поперечная прочность — существенно меньше, чем материалов, армированных волокнами бора и борсика. Такие низкие значения прочности, возможно, обусловлены слабой связью между нитридом бора и алюминием, хотя в работе отсутствуют данные о характере разрушения, которые могли бы подтвердить это предположение. Связь между алюминием и борным волокном с покрытием из карбида кремния в меньшей степени зависит от способа изготовления материала. По заключению авторов цитируемой работы, наиболее удачное сочетание механических свойств имеет композит алюминиевый сплав бОбГ —непокрытое борное волокно, закаленный с 800 К с последующим старением. [c.128]

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]

Наряду со стекловолокном основными упрочнителями композитов являются углеродные (графитовые) волокна, нитевидные кристаллы и волокна нз высокопрочных металлов, таких, как бор. Эти волокна менее чувствительны к воде, чем стеклянные, уже потому, что они не так гидрофильны. Вайетт и Эшби [78] сравнивали действие воды на полиэфирные композиты, армированные волокнами углерода и Е-стекла. В обоих случаях наблюдалось набухание смолы, однако интенсивно ра сслаивался только стеклопластик. Предполагалось, что волокна из металлов или из окислов металлов не более гидрофильны, чем кварц, а, как уже отмечалось [2], кварцевые волокна не расслаиваются при выдержке композита в воде. Тем не менее металлы и окислы металлов (в отличие от углерода) подвержены коррозии под напряжением [76]. Очевидно, накопление воды на поверхности раздела между окислом металла и полимером, которое является следствием гидрофильного загрязнения, приводит к образованию дефектов и разрыву волокна. [c.115]

В табл. I приведены значения отношения предела усталости для одноосного нагружения к пределу прочности при растяжении (оflag) для нескольких бороалюминиевых композитов и композита с хрупкой эвтектикой. Для сравнения даны результаты более ранних исследований на металлах, армированных металлическими волокнами. Единственная тенденция, которая очевидна из этих данных, состоит в том, что, в то время как однонаправленное армирование повышает усталостную прочность, отношение а fia g обычно меньше значения, которое имеет место для неарми-рованного металла. Для композита алюминия 6061-0 и бора при R = 0,2 отношение а fia g снижается от —О, для алюминия 6061-0 до 0,5—0,6 для композита. Таким образом, однонаправленное армирование более эффективно для одноосного статиче- [c.401]

Современное понимание зарождения усталостных трещин в армированных волокнами металлах можно резюмирова1ь следующим образом. Зарождение усталостных трещин в композитах отличается от зарождения усталостных трещин в металлах только тем, что, кроме свободных поверхностей, играющих роль мест зарождения трещин, новым источником усталостных трещин в композитах служат разорванные волокна. Эта проблема, естественно, является более острой для случая хрупких волокон, наличия хрупких покрытий на волокнах или хрупких продуктов реакций на поверхностях раздела. Важно, что зарождение трещин происходит во внутренних точках и не без труда поддается наблюдениям или контролю методами неразрушающих испытаний. Будут ли усталостные трещины зарождаться на самом деле у разорванных волокон или нет, зависит от величины соответствующего коэффициента интенсивности напряжений, который пропорционален диаметру волокна (длине начальной трещины) и амплитуде напряжений. Последующий рост трещин определяется упругими свойствами, пределом текучести и характеристиками механического упрочнения компонентов, а также прочностью границы раздела волокна и матрицы и ее микроструктурой. [c.410]

В работах [51, 58] подробно рассмотрено влияние отношения модулей упругости двух разнородных материалов на распределение упругих напряжений у конца трещины, когда она перпендикулярна плоской поверхности раздела двух материалов и конец трещины лежит на этой поверхности. Несколько позднее Леве-ренц [38] определил коэффициенты интенсивности напряжений для аналогичного случая, когда трещина располагалась вблизи поверхности раздела, но не доходила до нее. Результаты этих исследований помогают, в частности, понять механизмы усталостного разрушения армированных волокнами металлов они показывают, что поверхности раздела волокон и матрицы сильно влияют на вид распространения усталостных трещин и на механизмы усталостного разрушения композитов. Они также подсказывают, по-видимому, плодотворную область исследований по улучшению сопротивления композитов усталостному разрушению, а именно конструирование и управление структурой и прочностью границ раздела. [c.412]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...