Композиционные материалы с металлической

матрицей (композиты)

В общем случае композиционными материалами называют такие материалы, в состав которых входят сильно различающиеся по свойствам нерастворимые друг в друге компоненты, разделенные ярко выраженной границей (см. также гл. 3).

Такие материалы состоят из волокон (дисперсных частиц) и связки. Связка или матрица выполняется из Al, Mg, Ni и их сплавов и упрочняется высокопрочными волокнами или дисперсными частицами. Она связывает волокна в единое целое и распределяет напряжения между ними.

Формы возможного выполнения композитов показаны на рис. 2.36.

Рис.2.36

Формы композиционных материалов:

а)- зернистый (дисперсно-упрочненный) материал; б)- дискретно-

волокнистый материал; в)- непрерывно- волокнистый материал.

Волокнистые материалы характеризуются отношением длины к диаметру l/d. Если l/d» 10- 10³ , то волокнистые материалы называются дискретными (дисперсными), l/d® ¥ - материалы с непрерывными волокнами. Чем больше l/d , тем выше степень упрочнения. Композиционные материалы имеют более высокие пределы прочности s_в и усталости s_-1, модуль упругости E, E/g и пониженную склонность к трещинообразованию, по сравнению с обычными сплавами.

Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при снижении металлоемкости. Прочность этих материалов определяется волокнами борными (s_в= 2500- 3500 МПа, Е= 38- 420 ГПа), углеродными (s_в= 1400- 3500 МПа, Е= 160- 450 ГПа), а также из тугоплавких соединений карбидов, нитридов, боридов и оксидов. Например, волокна карбида кремния диаметром 100мкм имеют s_в= 2500- -3500 МПа, Е= 450 ГПа.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния.

Композиционные материалы на металлической основе имеют также высокую жаропрочность, но они малопластичны. Однако волокна уменьшают скорость распространения трещин и практически полностью исключают хрупкое разрушение.

Для одноосных волокнистых композиционных материалов характерны анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжений.

Недостатком является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву.

В дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица, в отличии от предыдущего, несет нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в нем дислокаций. Высокая прочность достигается при размере частиц 10- 500 нм, среднем расстоянии между ними 100- 500 нм и их равномерном распределении в матрице. Такие материалы получают методами порошковой металлургии.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния....), нерастворяющихся в матричном материале позволяет сохранить высокую прочность до Т= (0,9- -0,95)Т_{плавления.} Поэтому такие материалы чаще применяют, как жаропрочные.

Прочность дисперсно-упрочненных композиционных материалов аддитивно[6] зависит от доли упрочняющей фазы, но в основном определяется прочностью матрицы (наполнителя). Зависит она также от расстояния между частицами наполнителя и степени его дисперсности.

Достаточно широко применяют сплавы Al - САП (спеченный алюминиевый порошок). САП включает дисперсные частицы Al₂O₃ (6- 9%). С увеличением Al₂O₃ до 13- 18% предел прочности равен 400МПа, d= = 3%. Эти материалы коррозионностойки, могут заменять титан и коррозионностойкие стали при Т= 250- 500°С.

Области применения композиционных материалов неограничены. Их использование это новый скачок в увеличении мощности установок, уменьшения их массы