Материал: Технологические основы современных способов сварки. учебное пособие. Пешков В.В., Коломенский А.Б

вием по границе раздела.

Рассмотрим классификацию и основные особенности композитов. Простейший случай волокнистой структуры, характеризующей особенности данного класса материалов, представляет собой набор однородных волокон, заключенных в пластичной матрице. Свойства такого композита, образованного однонаправленно ориентированными волокнами, анизотропны.

Максимальные прочность и жесткость однонаправленного композита реализуются в направлении укладки волокон и могут быть в общем с лучае рассчитаны по известным свойствам его компонентов и их количественному соотношению.

Направленный характер свойств композитов, естественно, предполагает, что наряду с высокими механическими характеристиками в одних направлениях они обладают низкими в других.

Важнейшее достоинство композитов - возможность создавать из них элементы конструкций с заранее заданными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру и условиям работы. Многообразие волокон и матричных материалов, а также схем армирования, используемых при создании композитов, позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и макроструктуры композита. На рис. 1.1 представлена классификация композитов по конструктивному признаку.

Для композиционных волокнистых материалов существует несколько классификаций, в основу которых положены различные признаки, например, материаловедческий (по природе компонентов); конструктивный (по типу арматуры и ее ориентации в матрице).

В рамках рассматриваемых классификаций можно выделить несколько больших групп композиционных материалов. К таким группам следует отнести композиты с полимерной матрицей (пластики), композиты с металлической матрицей (ме-

26

таллокомпозиты), композиты с керамической матрицей, матрицей из углерода.

Рис. 1.1. Классификация композитов по конструктивному признаку: а – хаотически армированные (1 – короткие волокна; 2 – непрерывные волокна); б – одномерно армированные (1 – однонаправленные непрерывные; 2

– однонаправленные короткие); в – двумерно армированные (1 – непрерывные нити; 2 – ткани);

г – пространственно армированные (1 – три семейства нитей; 2 – n семейств нитей).

В зависимости от природы армирующих волокон различают, например, следующие композиты на полимерной матрице: стеклопластики, углепластики, боропластики, органопластики и т. д. Существуют аналогичные по названиям композиты и на других матрицах.

Свойства композитов зависят не только от свойств волокон и матрицы, но и от способов армирования. Различают композиты, образованные из слоев, армированных параллельными непрерывными волокнами (свойства их в основном определяются свойствами однонаправленного слоя); армированные тканями (текстолиты); с хаотическим и пространственным армированием.

Волокнистое армирование позволяет использовать новые принципы проектирования и изготовления изделий, основан-

27

ные на том, что материал и изделие создаются одновременно в рамках единого технологического процесса.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающих исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, появление ряда новых свойств в композитах связано с гетерогенной структурой, обусловливающей наличие большой поверхности раздела между волокнами и матрицей. Так, наличие границы раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала.

Устойчивость любого твердого тела к распространению трещин определяется механизмом поглощения энергии в вершине растущей трещины. В композитах поперечные растягивающие напряжения на конце растущей трещины могут вызвать отслаивание волокон от матрицы, а сдвиговые напряжения на границе раздела - распространение отслоенных участков вдоль волокон.

При отслаивании затрачивается энергия, поскольку волокна должны перемещаться относительно матрицы. Кроме того, при дальнейшем нагружении до разрушения волокна могут разрываться в матрице вдали от плоскости распространяющейся трещины. Поэтому для армированных материалов характерны такие механизмы повышения вязкости разрушения, которых нет у гомогенных материалов. Эти механизмы связаны с наличием у композиционных волокнистых материалов большого числа поверхностей раздела, которые могут стать тормозом на пути развития трещины.

Создание композиционных материалов на металлической матрице (МКМ) является одним из наиболее значительных достижений в области материаловедения за последнее время. Эти материалы могут состоять из двух или нескольких фаз. Они имеют ряд улучшенных по сравнению с однородными ме-

28

таллами и сплавами физических и механических характеристик - прочность, усталостную долговечность, жаропрочность, надежность работы в условиях интенсивного температурносилового и эрозионного воздействия, а также влияния агрессивных сред. Например, прочность алюминиевых сплавов не превышает 650-700 МПа, а МКМ на алюминиевой основе имеют прочность 1500 МПа. Применение этих материалов позволит существенно повысить надежность и весовую эффективность конструкций современной техники, создать качественно новые изделия.

Внастоящее время КМ достаточно широко используются

вавиационной и космической технике. Например, в транспортных самолетах «Руслан» и «Мрiя» использовано около 6 т композитов, что позволило сэкономить 15 т металла, снизить расход топлива за период эксплуатации на 20000 т. Применено столько же композитов в самолетах Ил-96 и Ту-204. Американский же самолет «Вояджер», совершивший беспосадочный облет Земного шара, на 100 % изготовлен из композитов. В будущем прогнозируется уменьшение массы авиационных конструкций за счет применения этих материалов на 30-35 % в воен-

ных самолетах и на 25 % в гражданских самолетах.

МКМ обычно классифицируют по виду упрочнения: армированные длинными волокнами, нитевидными кристаллами и волокнами короткой резки, а также армированные порошком. МКМ, армированные нитевидными кристаллами и короткими волокнами, по свойствам занимают среднее положение между композитами, упрочненными длинными волокнами и порошком.

Изготовление деталей из МКМ может проводиться по одноцикловой и двухцикловой схеме. При одноцикловой схеме имеет место совмещение технологических процессов изготовления материала и формирования детали. При двухцикловой схеме в первом цикле с помощью технологических процессов прокатки, прессования, диффузионной сварки и пр. могут быть

29

получены полуфабрикаты (трубы, прутки, листы, полосы, ленты, профили), из которых во втором цикле путем соответствующей обработки изготавливаются детали. Технологию получения полуфабрикатов МКМ, армированных непрерывными волокнами, разделяют на два этапа: изготовление многослойных листовых полуфабрикатов, а затем из них - полуфабрикатов иной формы.

Впромышленности изготавливаются многослойные полуфабрикаты из боралюминия и углеалюминия. Они представляют собой систему параллельно уложенных волокон, закрепленных слоем матрицы - алюминиевого сплава или беззольного клея.

Втабл. 1.4 представлены состав и физико-механические свойства некоторых листов МКМ при комнатной температуре.

Разновидностью композиционных материалов являются дисперсно-упрочнённые сплавы с алюминиевой, магниевой, титановой и т.д. матрицей. В качестве упрочнителя здесь используют ультратонкие (0,02-0,05 мкм) частицы углерода, карбида кремния, термодинамически стабильных оксидов других неорганических соединений. Например, хорошими физикомеханическими свойствами зарекомендовал себя углеалюминий, композит на основе алюминия Al-4 %C.

Его получают методом реакционного смешивания вторичного алюминия (порошка ПП-1) с мелко измельчённой сажей. Процесс изготовления включает в себя приготовление шихты, её специальную обработку и изготовление горячепрессованных полуфабрикатов (прутков, профилей и т. д.). Этот композит имеет при комнатной температуре прочность 500-540 МПа и относительное удлинение 4-7 %. Материал можно термически обрабатывать и сваривать.

МКМ имеют перед полимерными композиционными материалами (ПКМ) следующие преимущества:

−МКМ сочетают достоинства конструкционных металлических материалов с достоинствами композитов вообще.

30