Материаловедение

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

на понижение прочности и жесткости при нагреве, термореактивные пластмассы имеют лучшую несущую способность в рабочем интервале температур, и допустимые напряжения (15—40 МПа) для них выше, чем для термопластов. Важными преимуществами термореактивных пластмасс являются высокие удельная жесткость Е/(р£)
...
Волокншпы — это пластмассы, в которых наполнителем являются волокна. Они отличаются повышенной прочностью, а главное-ударной вязкостью. Благодаря волокнам ударная вязкость превышает 10 кДж/м2, а при использовании стеклянного волокна достигает 20-30 кДж/м2. Волокниты, наполненные асбестовым волокном, сочетают теплостойкость (до 200 °С) с высоким коэффи-
...
циентом трения в паре со сталью и поэтому применяются в тормозных устройствах для обкладок и колодок. Изделия из волокнитов прессуют при повышенных давлениях. Из-за низкой текучести материала применение волокнитов ограничено изделиями простой формы.
...
Особую группу волокнитов образуют материалы с параллельно расположенными волокнами наполнителя. Такую структуру имеют изделия, полученные намоткой стеклянного волокна. Ориентация волокон служит причиной анизотропии. Вдоль волокон прочность максимальна, а в поперечном направлении — минимальна.
...
Слоистые пластики представляют собой группу самых прочных и универсальных по применению конструкционных пластмасс. Листовые наполнители, уложенные слоями, придают материалам анизотропность.
...
Свойства слоистых пластиков зависят от вида полимера, наполнителя, способа укладки листов и объемного соотношения между полимером и наполнителем. По виду наполнителя слоистые пластики разделяются на следующие виды: текстолиты-материалы с хлопчатобу-
...
мажными тканями; гетинаксы-с бумагой; древеснослоистые пластики-с древесным шпоном; стеклотекстолиты-с тканями из стеклянного волокна. Наименее прочными являются гетинаксы, максимальную прочность имеют сте-клотекстолиты. Из всех слоистых пластиков текстолиты отличаются самым прочным сцеплением между полимером и наполнителем и лучше поглощают вибрацию.
...
Обычно слоистый пластик содержит около 50% полимера; при меньшем его содержании материал более экономичен, но зато менее прочен и неводостоек.
...
Способ укладки листов в слоистой пластмассе особенно важен, когда сами листы наполнителя неоднородны по структуре и свойствам. Для древесного шпона различие в прочности вдоль и поперек волокон общеизвестно. В тканях наибольшую однородность свойств обеспечивает полотняное переплетение. Здесь нити основы и нити утка равномерно переплетены друг с другом. В кордной ткани, напротив, прочность максимальна вдоль нитей основы, а нити утка расположены редко и предназначены только для сплетения основы.
...
Стеклянное волокно не так эластично, как полимерное или хлопчатобумажное. Стеклоткань полотняного переплетения в стеклотекстолитах обеспечивает минимальную прочность, так как при частых перегибах волокна получается больше обрывов. Наивысшая прочность (правда, в одном направлении) получается при укладке слоев стеклянного волокна в соотношении 10:1, т. е. в 10 слоях волокна имеют одинаковое направление, а в одиннадцатом - направление волокон изменяется на 90°. Предел прочности такого материала 850-950 МПа. При укладке такого же наполнителя в соотношении 1:1, т. е. направления волокон в соседних слоях перекрещиваются под углом 90°, прочность уменьшается вдвое. При любом способе укладки волокна или ткани материалы
...
Гетинаксы в зависимости от свойств составляющих применяются как электроизоляционные или строительно-декоративные материалы для облицовки производственных помещений, салонов самолетов и т. п.
...
Текстолит используется для разнообразных средненагруженных трущихся деталей, включая зубчатые колеса и кулачки. Среди достоинств текстолита — сопротивление износу, отсутствие схватывания со стальными деталями.
...
Стеклотекстолиты сочетают малую плотность (1,6-1,9 т/м3) с высокой прочностью и жесткостью. Наивысшую прочность обеспечивает эпоксидная связка, а минимальную - кремнийорга-нические полимеры. Стеклотекстолиты по способности поглощать вибрации превосходят стали, сплавы титана и сплавы алюминия и поэтому имеют хорошую выносливость при переменных нагрузках. По тепловому расширению эти материалы близки к сталям. Нужно отметить, что минимальные значения прочности и жесткости проявляются в направлениях под углом 45° к волокнам.
...
При нагреве полимерная связка раэупрочняется быстрее волокна, поэтому прочность на сжатие и на сдвиг снижается быстрее прочности на растяжение.
...
Слоистые пластики со стеклянным или полимерным волокном в течение десятков секунд выдерживают температуру свыше 3000 °С. В поверхностных слоях разрушается полимер, оплавляется наполнитель и образуется тугоплавкий кокс, который защищает более глубокие слои материала. Эта особенность лежит в основе применения пластмасс в качестве теплозащитных материалов.
...
Термореактивные полимеры используют в виде клеев, а также при изготовлении оболочковых форм для отливок, различной технологической оснастки, абразивного инструмента. Клеи пред-
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
ставляют собой сложные смеси с порошковыми наполнителями, необходимыми для уменьшения теплового расширения. После отверждения тонкие клеевые пленки (0,05-0,25 мм) прочны на срез (тсрем = 10 -е- 20 МПа), обеспечивают герметичность соединения, не снижают прочность склеенных деталей и хорошо сопротивляются усталости. Максималь-
...
ную прочность обеспечивают феноло-формальдегидные клеи, а теплостойкость-клей на основе кремнийорганиче-ских полимеров. Склеивание применяют там, где клеевая пленка работает на срез; при приклеивании тормозных обкладок, фиксации болтов и шпилек, закреплении вкладышей подшипников и т. п.
...
Удельная жесткость-это важнейшая характеристика современных конструкционных материалов. Высокая удельная жесткость в сочетании с хорошей удельной прочностью позволяет снизить массу конструкции при повышении ее прочности и жесткости. Это особенно важно в самолето- и ракетостроении.
...
Свойства титана. Титан-металл серого цвета. Он имеет две полиморфные модификации. Низкотемпературная модификация Ti„, существующая до 882 °С, характеризуется гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а
...
Полиморфное превращение (882 °С) при медленном охлаждении происходит по нормальному механизму с образованием полиэдрической структуры (рис. 13.1, а), а при быстром охлаждении-по мартенситному механизму с образованием игольчатой структуры (рис. 13.16).
...
Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим ее восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием. Полученную при этом титановую губку (ГОСТ 17746-79) маркируют по твердости специально, выплавленных из нее образцов (ТГ-100, ТГ-110 и т. д.). Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.
...
Для уменьшения количества примесей и более равномерного их распределения по сечению слитка рекомендуется его двух-трех-разовая переплавка. Характерную для титановых слитков крупнозернистую структуру измельчают путем модифицирования цирконием или бором. Полученный в результате
...
расплавленного титана требует применения при плавке и дуговой сварке вакуума или атмосферы инертных газов. Вместе с тем благодаря способности к газопоглощению при повышении температуры титан нашел применение в радио- и электронной промышленности в качестве геттерного материала. Геттеры предназначены для повышения вакуума электронных ламп.
...
Технический титан хорошо обрабатывается давлением. Из него изготовляют все виды прессованного и катаного полуфабриката: листы, трубы, проволоку, поковки. Титан хорошо сваривается аргонодуговой и точечной сваркой. Сварной шов обладает хорошим сочетанием прочности и пластичности. Прочность шва составляет 90% прочности основного металла.
...
Титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, в результате чего тот быстро изнашивается. Для обработки титана требуются инструменты из быстрорежущей стали и твердых сплавов, малые скорости резания при большой подаче и глубине резания, интенсивное охлаждение. К недостатку титана относятся также низкие антифрикционные свойства.
...
Пластическая деформация значительно повышает прочность титана (рис. 13.3). При степени деформации 60-70% прочность увеличивается почти в 2 раза. Для снятия наклепа проводят рекристаллизационный отжиг при температуре 650-750°С.
...
При повышении температуры титан активно поглощает газы: начиная с 50-70°С-водород, свыше 400 500 °С- кислород и с 600-700°С-азот, окись углерода и углекислый газ. Высокая химическая активность
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
титана подразделяют на три группы: ос-стабилизаторы, р-стабилизаторы и нейтральные элементы. На рис. 13.4 представлена схема влияния легирующих элементов на температуру полиморфного превращения титана, а-стабилиза-торы (А1, О, N) повышают температуру полиморфного превращения, расширяя область твердых растворов на основе Ті„ (рис. 13.4, а).
...
Алюминий — широко распространенный, доступный и дешевый металл. Введение его в титановые сплавы уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, повышает модуль упругости, прочность при 20-25 °С
...
В левой части диаграммы состояния (рис. 13.6) титан с алюминием образуют два твердых раствора: а-твердый раствор алюминия в Тіа, концентрация которого изменяется от 7,5% при 20 °С
...
Снижая температуру полиморфного превращения титана, Р-стабилизаторы расширяют область твердых растворов на основе Tip. Они образуют с титаном диаграммы состояния двух типов. Некоторые из изоморфных Р-стабилизато-ров, имеющих, как и Tip, кристаллическую решетку объемно-центрированного куба, Mo, V, Та, Nb неограниченно растворяются в Tip. Схема диаграммы состояния данного типа изображена на рис. 13.4, б. Другие Р-стабилизаторы, например, Cr, Mn, Fe, Ni, W, Си, образуют с титаном диаграммы состояния с эв-тектоидным распадом Р-фазы, в результате которого появляется смесь а- и у-фаз (см. рис. 13.4, в); у-промежуточная фаза переменного или постоянного состава, образованная титаном и легирующим элементом, например фаза Лавеса TiCr2 в системе Ti-Cr. Эвтектоидный распад вызывает резкое повышение хрупкости титановых сплавов. В некоторых системах (Ti-Cu, Ti-Ag и др.) превращение происходит очень быстро, и переохладить Р-фазу до температуры 20-25 °С нельзя даже при высоких скоростях охлаждения. В других системах (Ti-Mn, Ti-Cr, Ti-Fe) эвтектоидное превращение происходит только в условиях охлаждения, близких к равновесным. В них эвтектоидного распада практически не наблюдается, а ос г± Р-превраще-ние идет так же, как в сплавах с диаграммами состояния первого типа (см. рис. 13.4,6). В этих сплавах Р-фаза легко переохлаждается. В зависимости от степени легированности Р-фаза или превращается при низких температурах по мартенситному механизму, или фиксируется при температуре 20-25 °С без превращения. Способность Р-фазы к переохлаждению лежит в основе упрочняющей термической обработки титановых сплавов. Согласно приведенным диаграммам состояния титановые сплавы, легированные Р-стабили-заторами, могут иметь однофазную структуру а-твердого раствора малой концентрации, двухфазную (а +Р)-
...
структуру при большем содержании легирующих элементов и однофазную структуру Р-твердого раствора в случае легирования сплавов большим количеством таких изоморфных Р-ста-билизаторов, как V, Мо, Та, N0.
...
Большинство легирующих элементов, являющихся Р-стабилизаторами, повышают прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность (см. рис. 13.5). Кроме того, они способствуют упрочнению сплавов с помощью термической обработки. Наиболее благоприятное влияние на свойства титановых сплавов оказывают Мо, V, Сг, Мп.
...
Особенности термической обработки титановых сплавов. Титановые сплавы в основном подвергают отжигу, закалке и старению, а также химико-термической обработке.
...
Отжиг проводят главным образом после холодной деформации для снятия наклепа. Температура отжига должна быть выше температуры рекристаллизации, но не может превышать границу перехода в Р-состояние во избежание роста зерна. Температура рекристаллизации титана, в зависимости от его чистоты и степени предшествующей деформации, лежит в интервале температур 400-600 °С. Легирующие элементы повышают температуру рекристаллиза-
...
пии титана. Практически отжиг титановых сплавов проводят при температуре 670-800 °С с выдержкой от 15 мин до 3 ч. Тонколистовой прокат рекомендуется отжигать в вакууме для предотвращения насыщения газами и охрупчива-ния. Целью отжига (а + Р)-сплавов помимо снятия наклепа является стабилизация р-фазы, так как эвтсктоидный распад вызывает охрупчивание сплавов.
...
Термическая стабильность р-фазы повышается по мере увеличения в ней легирующих элементов. Концентрация р-фазы зависит от температуры нагрева (см. рис. 13.4,6). Так, при температуре г, содержание легирующего элемента в р-фазе соответствует точке а,, а при более низкой температуре г2 -точке а2 на оси концентраций. Поскольку с понижением температуры концентрация легирующих элементов в р-фазе увеличивается, отжиг для ее стабилизации должен быть по возможности низким (но не ниже температуры рекристаллизации). Практически такой отжиг проводят при температуре 750-850 °С. Более высокая термическая стабильность достигается после изотермического отжига. Он состоит в нагреве до температуры выше температуры рекристаллизации (для снятия наклепа) с последующим охлаждением до более низкой температуры и выдержке для стабилизации р-фазы.
...
Обычный отжиг для фазовой перекристаллизации с целью измельчения структуры к титановым сплавам неприменим из-за быстрого роста зерна в р-состоянии. С этой целью проводят комбинированный (двойной) отжиг по следующему режиму: 1) нагрев до (а+ + Р)-состояния (~95СМ000°С) для частичной перекристаллизации и последующее быстрое охлаждение с целью получения внутрифазного наклепа в результате мартенситного превращения р-фазы и 2) нагрев выше температуры рекристаллизации для снятия этого наклепа (~800°С).
...
Хотя при р <=^ а-превращении титановые сплавы претерпевают небольшие изменения объема и поэтому внутрифа-зовый наклеп мал, двойной отжиг способствует увеличению сопротивления ползучести.
...
Упрочняющая термическая обработка (закалка и старение) применима только к сплавам с (а + Р)-структурой (см. рис. 13.4, б, в). Закалка состоит в нагреве до Р-состояния и охлаждения в воде. В некоторых случаях, чтобы избежать интенсивного роста зерна, который происходит в р-состоянии, закалку производят из (а + р)-области. При этом увеличиваются степень легированное™ р-фазы и прочность сплавов при повы-
...
В сплавах с содержанием легирующих элементов менее критической концентрации скр (см. рис. 13.4,6) превращение происходит по мартенситному механизму. В результате образуется мартенсит-фаза игольчатого строения, представляющая собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в Тл, (рис. 13.7, а). Она обозначается а' (или а" при большей степени легированное™).
...
Элементы, которые наиболее часто применяют для легирования титановых сплавов, имеют следующие критические концентрации скр: У-15; Мо-11; Мп-8; Сг-6; Ре-4%. а'-фаза обладает более высокой твердостью и прочностью, чем стабильная а-фаза, но упрочнение в этом случае значительно меньше, чем при мартенситном превращении стали.
...
При старении из а'-фазы выделяется Р-фаза различной дисперсности, вызывающая уменьшение твердости, или ин-терметаллидная фаза (например, ТлСг2), способствующая охрупчиванию сплава.
...
С увеличением концентрации легирующих элементов, особенно Ре, Мп, Сг, Мо и V, выше критической, температуры начала (рис. 13.8) и конца мартен-
...
ситного превращения резко снижаются. Когда температура начала мартенситного превращения становится ниже 20 °С, закалка фиксирует переохлажденную Р-фазу, обозначаемую Р'. При недостаточной скорости охлаждения и определенной концентрации легирующих элементов, близкой к критической, в структуре закаленного сплава может появиться метастабильная промежуточная фаза со. Она трудно обнаруживается металлографически, так как когерентна решетке Р-твердого раствора. Кристаллическая решетка со-фазы - гексагональная, с периодами а = 0,46 нм, с=0,282 нм. Процесс образования этой фазы состоит в одновременном закономерном смещении атомов плоскостей (111) на расстояния, меньшие межатомных. При этом две соседние плоскости, перемещаясь в противоположные стороны, сближаются; третья плоскость не меняет своего положения. Появление этой фазы вызывает повышение твердости и хрупкости титановых сплавов.
...
Во время старения сплавов с Р'-струк-турой при низких температурах (300-350 °С) также образуется со-фаза, охрупчивающая сплавы. Поэтому старение ведут при более высокой температуре (480-550 °С), когда из Р'-твердого раствора выделяется тонкодисперсная сс-фаза, повышающая прочность и твердость (см. рис. 13.7,6).
...
Для повышения износостойкости титановые сплавы подвергают азотированию. Лучшие результаты дает азотирование в среде сухого, очищенного от кислорода, азота. Оно повышает поверхностную твердость, износостойкость, жаропрочность и жаростойкость, тогда как азотирование в аммиаке способствует охрупчиванию титановых сплавов вследствие насыщения водородом. Азотируют при температуре 850-950 °С в течение 10-50 ч. При этом на поверхности образуются тонкий ни-тридный слой и обогащенный азотом а-твердый раствор. Толщина нитридного слоя равна 0,06-0,2 мм, ЯР 12 000. Глу-
...
238 Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
бина слоя, обогащенного азотом а-твер-дого раствора, равна 0,1-0,15 мм, НУ 5000-8000. Для устранения хрупкого ни-тридного слоя и уменьшения хрупкости азотированного слоя рекомендуется проводить вакуумный отжиг (при температуре 800-900 °С).
...
Промышленные титановые сплавы. Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют при достаточно хорошей пластичности, высокой коррозионной стойкости и малой плотности более высокую прочность при 20-25 °С и повышенных температурах. По сравнению с бериллием они более пластичны и технологичны, меньше стоят, безопасны для здоровья при обработке. По сравнению с алюминиевыми и магниевыми сплавами обладают более высокой удельной прочностью (см. табл. 12.1), жаропрочностью и коррозионной стойкостью.
...
Поэтому титановые сплавы получили широкое применение в авиации, ракетной технике, судостроении, химической и других отраслях промышленности. Их применяют для обшивки сверхзвуковых самолетов, изготовления деталей конструкций реактивных авиационных двигателей (дисков и лопаток компрессора, деталей воздухозаборника и др.), корпусов ракетных двигателей второй и третьей ступени, баллонов для сжатых и сжиженных газов, обшивки морских судов, подводных лодок и т. д.
...
По технологии изготовления титановые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные, по механическим свойствам-на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности. По способности упрочняться с помощью термической обработки они делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой, по структуре в отожженном состоянии — на а-, псевдо-а-, (а + (3)-, псевдо-р- и Р-сплавы.
...
Химический состав (ГОСТ 19807-74), структура и механические свойства наиболее распространенных деформируемых сплавов приведены в табл. 13.2.
...
К сплавам с а-структурой относятся сплавы титана с алюминием (ВТ5), а также сплавы, дополнительно легированные оловом или цирконием (ВТ5-1). Они характеризуются средней прочностью при 20 °С, высокими механическими свойствами при криогенных и повышенных (450-500 °С) температурах. Сплавы имеют высокую термическую стабильность свойств и обладают отличной свариваемостью. Прочность сварного шва составляет 90% прочности основного сплава. Обрабатываемость резанием удовлетворительная.
...
Недостатки сплавов: неупрочняем ость термической обработкой и низкая технологическая пластичность. Сплавы с оловом более технологичны, но это самые дорогие из а-сплавов (см. приложение, табл. 2). В горячем состоянии сплавы куют, прокатывают и штампуют. Их поставляют в виде прутков, сортового проката, поковок, труб и проволоки. Сплавы предназначены для изготовления деталей, работающих в широком диапазоне температур: от криогенных до 450 (ВТ5)-500°С (ВТ5-1).
...
Псевдо-а-сплавы имеют преимущественно а-структуру и небольшое количество р-фазы (1-5 %) вследствие дополнительного легирования р-стабилизато-рами: Мп, V, №>, Мо и др. Сохраняя достоинства ос-сплавов, они, благодаря наличию р-фазы, обладают высокой технологической
...
Сплавы с низким содержанием алюминия (2-3%) обрабатываются давлением в холодном состоянии и только при изготовлении сложных деталей подогреваются до 500—700 °С (ОТ4, ОТ4-1). Сплавы с большим содержанием алюминия при обработке давлением требуют подогрева до 600-800 °С. На прочность этих сплавов помимо алюминия благоприятно влияют цирконий и кремний. Цирконий, неограниченно раство-
...
ряясь в Тц, повышает температуру рекристаллизации. Кроме того, он способствует увеличению растворимости Р-стабилизаторов в ос-фазе, что вызывает рост прочности как при 20 °С, так и при высоких температурах. В тех же условиях кремний повышает прочность в результате образования тонкодисперсных силицидов, трудно растворимых в ос-фазе. Поэтому псевдо-а-сплавы с содержанием алюминия 7-8%, легированные 7х, Ъ\, Мо, N0,
...
Недостаток этих сплавов—склонность к водородной хрупкости. Водород мало растворим в а-фазе и присутствует в структуре в виде гидридов, которые снижают пластичность, особенно при медленном нагружении, и вязкость сплавов (рис. 13.9). Допустимое содержание водорода колеблется в пределах 0,02-0,005%.
...
Двухфазные (а + Р)-сплавы обладают лучшим сочетанием технологических и механических свойств. Эти сплавы легированы в основном алюминием и Р-стабилизаторами. Необходимость легирования алюминием обусловлена тем, что он значительно упрочняет а-фазу при 20 °С и повышенных температурах, тогда как Р-стабилизаторы мало растворимы в этой фазе и потому не оказывают существенного влияния на ее
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
свойства. Особо ценным для этих сплавов является способность алюминия увеличивать термическую стабильность Р-фазы, поскольку эвтектоидообразую-шие р-стабилизаторы, наиболее эффективно упрочняющие сплавы, вызывают склонность этой фазы к эвтектоидному распаду. Кроме того, алюминий снижает плотность (а + р)-сплавов, что позволяет удерживать ее приблизительно на уровне титана, несмотря на присутствие в этих сплавах элементов с большой плотностью V, Сг, Мо, Бе и др. Устойчивость Р-фазы и термическую стабильность сплавов сильно повышают изоморфные р-стабилизаторы: Мо, V, N1). На свойства они влияют по-разному. Как видно из рис. 13.5, сильнее упрочняет Мо, особенно при содержании его в сплаве более 4%. Слабее упрочняют V и №>, но они мало снижают пластичность сплавов. Однако наибольшее упрочнение достигается при легировании титана эвтектоидообразующими Р-стабилизаторами; Ре, Сг, Мп. Поэтому двухфазные промышленные сплавы содержат и те и другие Р-стабилизаторы. Сплавы упрочняются с помощью термической обработки-закалки и старения. В отожженном и закаленном состояниях они имеют хорошую пластичность, а после старения-высокую прочность при 20-25 °С и повышенных температурах. При этом, чем больше р-фазы содержится в структуре сплава, тем он прочнее в отожженном состоянии и сильнее упрочняется при термической обработке.
...
По структуре, получаемой в (ос + + Р)-сплавах после закалки, их подразделяют на два класса: мартенситный и переходный (рис. 13.10).
...
Сплавы мартенситного класса менее легированы и в равновесном состоянии содержат сравнительно немного р-фазы (5-25%). После закалки они имеют структуру мартенсита а' (или а"). К этому классу относятся сплавы титана с алюминием и ванадием (ВТ6), высокопрочные сплавы, дополнительно легиро-
...
Сплавы переходного класса более легированы и соответственно имеют больше Р-фазы в равновесной структуре и после отжига (25-50%). Структура и свойства этих сплавов очень чувствительны к колебаниям химического состава. Так, после закалки из р-состояния можно получить однофазную Р' или двухфазную (а"- и Р') структуру. Наличие большого количества р-фазы (например, структура сплава ВТ22 состоит на 50% из р-фазы) обеспечивает сплавам переходного класса самую высокую прочность среди (а + Р)-сплавов как в отожженном, так и в закаленном состояниях. Так, временное сопротивление сплава ВТ22 после отжига имеет те же значения, что у сплава ВТ6 после закалки и старения. Коэффициент К1с сплава ВТ22 равен 69,5-82,2 МПа-м1'2, сплава ВТ6-82,2-94,8 МПа-м1'2. Это позволяет применять сплавы переходного класса как в закаленном и состаренном, так и в отожженном состояних, что очень важно при изготовлении крупногабаритных деталей.
...
После сварки требуется отжиг для повышения пластичности сварного шва. Они меньше склонны к водородной хрупкости, чем а- и псевдо-а-сплавы, поскольку водород обладает большей растворимостью в Р-фазе. (а + + Р)-сплавы куются, штампуются и прокатываются легче, чем сплавы с а-структурой. Они поставляются в виде поковок, штамповых заготовок, прутков, листов, ленты.
...
Однофазные Р-сплавы не имеют промышленного применения, так как для получения устойчивой Р-структуры сплавы должны быть легированы большим количеством изоморфных Р-стаби-лизаторов (V, Мо, ТЧЬ, Та)-дорогих, дефицитных, обладающих высокой плотностью.
...
Псевдо-Р-сплавы (ВТ15)-сплавы высоколегированные, в основном, р-стаби-лизаторами. Суммарное количество легирующих элементов, как правило, превышает 20%. Наиболее часто для легирования используют Мо, V, Сг, реже-Ре, 7х,
...
После закалки они имеют структуру метастабильной Р'-фазы. В этом состоянии сплавы обладают хорошей пластичностью (6
...
чаются высокой удельной прочностью, обладают низкой склонностью к водородной хрупкости, удовлетворительно обрабатываются резанием. Недостатки сплавов: чувствительность к примесям кислорода и углерода, которые вызывают снижение пластичности и вязкости, пониженная пластичность сварных швов и низкая термическая стабильность.
...
Наибольшее распространение в промышленности получил сплав ВТ15. Сплав выпускается в виде листов, полос, прутков, поковок и рекомендуется для длительной работы при температуре до 350 "С.
...
Механические свойства бериллия зависят от степени чистоты, технологии производства, размера зерна и наличия текстуры. Они изменяются в широких пределах: ств = 280-г700 МПа; ст0 2 = = 230 680 МПа; 6
...
Бериллий-металл серого цвета, обладающий полиморфизмом. Низкотемпературная модификация Вея, существующая до 1250°С, имеет гексагональную плотноупакованную решетку с периодами а = 0,2286 нм; с — 0,3584 нм; высокотемпературная Вев (1250-1284 °С)-решетку объемно-центрированного куба. Физические свойства бериллия приведены в табл. 1.5.
...
Помимо очень высоких удельных прочности и жесткости (см. табл. 12.1) бериллий имеет большую теплоемкость, обладает хорошими теплопроводностью и электропроводимостью, демпфирующей способностью и другими ценными свойствами.
...
Бериллий относится к числу редких металлов. Его добывают из минерала берилла, представляющего собой двойной силикат бериллия и алюминия (ЗВеО • А12Оэ • 6SiÓ2). Содержание в земной коре бериллия небольшое-0,0005%. Малая распространенность в природе, сложная и дорогая технология извлечения из руд, получения из него полуфабрикатов и изделий определяют высокую стоимость бериллия.
...
Металлургия бериллия сложна из-за его химической инертности. Слитки, полученные вакуумной переплавкой, либо обрабатывают давлением для получения полуфабрикатов, либо перерабатывают в порошок, из которого полуфабрикаты и изделия изготовляют методом порошковой металлургии. Обработке давлением подвергают лишь малые слитки (d ^ 200 мм), так как в слитках большого размера из-за высокого поверхностного натяжения образуются две усадочные раковины, соединенные трещиной.
...
Литой бериллий крупнозернистый и хрупкий. Для улучшения пластичности прокатку ведут при нагреве. Однако при температурах выше 700 °С бериллий «схватывается» с инструментом. Поэто-
...
Этим отчасти и объясняется высокая хрупкость бериллия. На хрупкость бериллия большое влияние оказывают примеси. Бериллий имеет небольшой атомный радиус (0,113 нм), и поэтому почти все примеси, многие из которых ограниченно растворимы в бериллии (Ре, N1,
...
Бериллий, полученный методами порошковой металлургии, имеет мелкозернистую структуру и более высокие механические свойства, в том числе и пластичность. Чем мельче зерно, тем выше временное сопротивление, предел текучести и пластичность при 20 °С, а также кратковременная прочность при повышенных температурах (рис. 13.12).
...
Увеличение прочностных свойств объясняется измельчением зерна и наличием неизбежно присутствующих в порошковом материале дисперсных включений оксида бериллия ВеО, повышающих сопротивление пластической деформации. Рост пластичности от измельчения зерна настолько значителен, что перекрывает ее снижение из-за повышения содержания оксида при измельчении исходного порошка. Для того чтобы увеличить пластичность порошковых полуфабрикатов, размол порошков бериллия ведут в безокислительной среде. Чистый спеченный бериллий с чрезвычайно мелкозернистой структурой {А
...
Пластичность полуфабрикатов из спеченного бериллия в большей степени зависит и от технологии горячей обработки давлением. В настоящее время разработана технология получения текстуро-ванных прутков методом горячего выдавливания спеченного бериллия. Прутки бериллия имеют текстуру базисной плоскости и пластичность 6
...
244 Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
тельно больше, чем базисных, что и обеспечивает хорошую пластичность. В направлении, перпендикулярном плоскости листа, пластичность уменьшается до нуля.
...
Изделия из спеченных блоков можно также изготовлять на металлорежущих станках, однако вследствие плохой обрабатываемости резанием необходимо применять твердосплавный инструмент. Сваривается бериллий дуговым методом в аргоне, гелии или вакууме.
...
Помимо высокой стоимости, малой пластичности, низкой технологичности и анизотропии свойств к недостаткам следует отнести токсичность бериллия. Попадая в легкие, он вызывает тяжелое легочное заболевание (бериллиоз). На коже бериллиевая пыль, мелкие частицы вызывают зуд, а попадая в ранки-опухоли и язвы. В связи с этим обработку бериллия на металлорежущих станках проводят в специальных помещениях и в специальных пылезащитных костюмах и масках. При работе с бериллием необходимо тщательно выполнять правила техники безопасности.
...
По удельным прочности (см. табл. 12.1) и жесткости (рис. 13.13) бериллий превосходит высокопрочные стали и все сплавы на основе легких металлов Mg, А1 и
...
тов, в ракетной технике из него изготовляют панели обшивки, промежуточные отсеки, соединительные элементы, приборные стойки и др. Высокие удельные жесткость и особенно прочность проволоки диаметром несколько микрометров (ав5=1300 МПа) открывают еще одну область применения бериллия-армирование композиционных материалов на основе AI, ТЛ
...
Высокий модуль упругости при малой плотности обеспечивает бериллию стойкость к резонансным колебаниям, хорошее сопротивление усталостным разрушениям, большую скорость распространения звука (в 2,5 раза больше, чем в стали). Отсюда новые области применения: соответственно, двигателестрое-ние, акустическая техника.
...
Сочетание высокой удельной жесткости, размерной стабильности, теплопроводности, а также близкий к стали температурный коэффициент линейного расширения делают бериллий незаменимым материалом для ответственных деталей высокоточных приборов. Его применяют в инерциальных системах навигации для ракет, самолетов, подводных лодок. Из него изготовляют детали гиростабилизированных платформ и гироскопов.
...
Применение бериллия как конструкционного материала в атомной технике вызвано его способностью слабо поглощать тепловые нейтроны (см. п. 14.5).
...
Кроме того, бериллий используют как источник а-излучения, а также как конструкционный материал при изготовлении рентгеновских трубок. Бериллий очень слабо поглощает рентгеновские лучи (в 17 раз хуже, чем алюминий).
...
Бериллиевые сплавы. Основные трудности при создании бериллиевых сплавов вытекают из его недостатков: большой хрупкости и высокой стоимости.
...
Главная сложность при легировании бериллия, как было указано ранее, обусловлена малым размером атома бериллия. Большинство элементов, растворяясь в бериллии, искажают его кристаллическую решетку, в результате чего увеличивается его хрупкость. В связи с этим наибольшее распространение получили сплавы бериллия с практически нерастворимым в нем при 20 °С алюминием. Из диаграммы состояния А1-Ве (рис. 13.14) видно, что при температуре 20 °С бериллий практически нерастворим в алюминии. Поэтому эвтектика, образующаяся при концентрации
...
2,5% А1, состоит из почти чистого алюминия с незначительным количеством вкраплений бериллия и характеризуется высокой пластичностью. Чем больше содержится в сплавах бериллия, тем выше их прочность и жесткость (рис. 13.15)
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
вают увеличение прочности при повышенных температурах. Однако более высокими показателями в этом случае обладает бериллий, полученный методами порошковой металлургии с повышенным содержанием оксида ВеО (до 4%).
...
Сохраняют прочность до очень высокой температуры так называемые бе-риллиды. Они представляют собой ин-терметаллидные соединения бериллия с переходными металлами (Та, тЧЬ, 2л
...
Общая характеристика и классификация. Композиционные материалы по удельным прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы (рис. 13.17). Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления материала. При этом материалу придают по возможности форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей и даже отдельных узлов конструкции.
...
Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые друг в друге компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей.
...
и сплава в целом, а элементами, растворимыми в алюминиевой фазе, улучшает свойства сплавов. Наиболее благоприятно на свойства сплавов влияет дополнительное легирование магнием в пределах его растворимости в алюминии. Однако значительный эффект упрочнения (рис. 13.16) при одновременном повышении пластичности наблюдается на сплавах с малым содержанием бериллия. При содержании в сплаве более 70% Ве резко ухудшается пластичность и практически не меняется прочность. Добавка 5% М§ к сплаву с низким содержанием бериллия (30%) увеличивает предел прочности от 200 до 450 МПа, относительное удлинение-от 18 до 25%. Заметно повышается и модуль нормальной упругости (до 150-300 ГПа). В отличие от двойных сплавов, которые спекают и прессуют из порошков, сплав с магнием получают сплавлением. Слитки подвергают обработке давлением. Сплав поставляют в виде _ деформированного или отожженного полуфабриката (готжига = 350 400 °С). Сплав хорошо сваривается и рекомендуется для сварных конструкций.
...
Легирование бериллия элементами №, Со, Си и др., расширяющими температурную область существования пластичной высокотемпературной модификации Вев, увеличивает диапазон горячей обработки давлением. Эти элементы оказывают упрочняющее действие и снижают пластичность при 20 °С. Никель (^
...
Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных
...
Композиционные материалы с комбинированными матрицами называют полиматричными (рис. 13.18, а). Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность материала в направлении, перпендикулярном оси волокон. Алюминиевые слои в матрице способствуют уменьшению плотности материала.
...
В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители). Поскольку главную роль в упрочнении композиционных материалов играют наполнители, их часто называют упроч-
...
Рис. 13.17. Удельная прочность и удельный модуль упругости некоторых неармирован-ных и композиционных материалов, армированных 50 об. % волокон: / — алюминий; 2
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
нителями. Упрочнители должны обладать высокими прочностью, твердостью и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу. С увеличением модуля упругости и временного сопротивления наполнителя повышаются соответствующие свойства композиционного материала, хотя они и не достигают характеристик наполнителя. Наполнители называют еще армирующими компонентами. Это более широкое понятие, чем «упрочнитель». Оно не конкретизирует роль наполнителя и поэтому показывает, что наполнитель вводится в матрицу для изменения не только прочности, но и других свойств.
...
Нуль-мерными называют наполнители, имеющие в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы). Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна). Двумерные наполнители имеют два размера, соизмеримые с размером композиционного материала, значительно превосходящие третий (пластины, ткань).
...
персно-упрочненные и волокнистые. Дисперсно-упрочненными называют композиционные материалы, упрочненные нуль-мерными наполнителями. К волокнистым относят композиционные материалы, упрочненные одномерными или одномерными и двумерными наполнителями.
...
По схеме армирования композиционные материалы подразделяют на три группы: с одноосным, двухосным и трехосным армированием (см. рис. 13.19,б-г)..
...
Для одноосного (линейного) армирования используют нуль-мерные и одномерные наполнители (см. рис. 13.19, б). Нульмерные располагаются так, что расстояние между ними по одной оси (например, по оси х) значительно меньше, чем по двум другим. В этом случае объемное содержание наполнителя составляет 1
...
При двухосном (плоскостном) армировании используют нуль-, одно-и двухмерные наполнители (см. рис. 13.19, в). Нуль-мерные и одномерные наполнители располагаются в плоскостях, параллельных друг другу. При этом расстояние между ними в пределах плоскости значительно меньше, чем между плоскостями. При таком расположении нуль-мерного наполнителя его содержание доходит до 15-16%. Одномерные наполнители расположены также в параллельных плоскостях. При этом в пределах каждой плоскости они расположены параллельно, а по отношению к другим плоскостям под разными углами. Двумерные наполнители расположены параллельно друг другу.
...
При трехосном (объемном) армировании нет преимущественного направления в распределении наполнителя. Для армирования используют нуль-мерные и одномерные наполнители (см. рис. 13.19, г). Расстояние между нуль-мерными наполнителями одного порядка. В этом случае их объемное содержание может превышать 15 16%. Одномерные
...
Для расширения комплекса свойств или усиления какого-либо свойства при армировании композиционных материалов одновременно используют наполнители различной формы. Например, для увеличения прочности связи между одномерными наполнителями (стеклянным или углеродным волокном) и полимерной матрицей в нее вводят нуль-мерный наполнитель (частицы асбеста, карбида кремния и др.). С этой же целью применяют армирование наполнителями одной формы, но разного состава. Так, для повышения модуля упругости композиционных материалов с полимерной матрицей, армированной стеклянным волокном, дополнительно вводят волокна бора.
...
Композиционные материалы, которые содержат два и более различных наполнителя, называют полиармированными (см. рис. 13.18,6).
...
ционные материалы. Структура и свойства. В дисперсно-упрочненных композиционных материалах наполнителями служат дисперсные частицы тугоплавких фаз-оксидов, нитридов, боридов, карбидов (А12Оэ, 8Ю2, В1Ч, и др.). К достоинствам тугоплавких соединений относятся высокие значения модуля упругости, низкая плотность, пассивность к взаимодействию с материалами матриц, а таких, как оксиды алюминия и кремния,-большая распространенность в природе и невысокая стоимость образующих их элементов.
...
Дисперсно-упрочненные композиционные материалы в основном получают методами порошковой металлургии, но существуют и другие методы, например, метод непосредственного введения наполнителей в жидкий металл или сплав перед разливкой. В последнем случае для очистки от жировых и других загрязнений, улучшения смачиваемости частиц жидким металлом и равномерного распределения их в матрице
...
В дисперсно-упрочненных композиционных материалах основную нагрузку воспринимает матрица, а дисперсные частицы упрочнителя оказывают сопротивление движению дислокаций при на-гружении материала, мешают развитию пластической деформации. Чем больше это сопротивление, тем выше прочность. Поэтому прочность зависит также от дислокационной структуры, формирующейся в процессе пластической деформации при изготовлении изделий из композиционного материала. Кроме того, дисперсные частицы наполнителя оказывают «косвенное» упрочняющее действие, способствующее образованию структуры с большой степенью нерав-ноосности зерен (волокнистой). Такая структура формируется при сочетании пластической деформации и отжигов. При этом дисперсные включения частично или полностью препятствуют ре-кристаллизационным процессам.
...
Уровень прочности зависит от объемного содержания упрочняющей фазы, равномерности ее распределения, степени дисперсности и расстояния между частицами. Согласно формуле Орована, сопротивление сдвигу увеличивается с уменьшением расстояния между частицами :
...
Большое упрочнение достигается при размере частиц в пределах 0,014), 1 мкм и расстоянии между ними 0,05-0,5 мкм. Объемное содержание частиц зависит от схемы армирования (см. с. 250).
...
ненных композиционных материалов по сравнению с волокнистыми-изотропность свойств. К дисперсно-упрочненным композиционным материалам на алюминиевой основе, нашедшим промышленное применение, относится
...
материал из спеченной алюминиевой пудры (САП), на никелевой основе-известны композиции, упрочненные частицами оксидов тория, иттрия, гафния и др.
...
ционные материалы на алюминиевой основе. Материал САП характеризуется высокой прочностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и термической стабильностью свойств.
...
САП состоит из алюминия и оксида алюминия. Получают САП путем последовательного брикетирования, спекания и прессования окисленной с поверхности алюминиевой пудры.
...
щих при температуре 300 — 500 °С, от которых требуются высокая удельная прочность и коррозионная стойкость (поршневые штоки, лопатки компрессоров, лопасти вентиляторов и турбин в химической и нефтяной промышленности, конденсаторы, обмотки трансформаторов в электротехнике).
...
Спеченные алюминиевые сплавы (САС) изготовляют в основном по той же технологии, что и САП-из порошков, полученных распылением сплавов заданных составов.
...
Практическое значение имеют сплавы с низким температурным коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту линейного расширения стали, и высоким модулем упругости. Так, САС состава: 25-30% Si; 5-7% Ni; остальное AI — имеет а = (14,5 — 15,5) х х 10~6 1/°С; £=
...
ционные материалы на никелевой основе. В качестве матрицы используют никель и его сплавы с хромом (~20%)' со структурой твердых растворов. Сплавы с хромоникелевой матрицей обладают более высокой жаростойкостью. Упроч-нителями служат частицы оксидов тория, гафния и др. Временное сопротивление в зависимости от объемного содержания упрочняющей фазы изменяется по кривой с максимумом. Наибольшее упрочнение достигается при содержании 3,5-4% НЮ2; ов = = 750 850 МПа; cj(pg) = 9 ч- 10 км; 5
...
252 Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
Волокнистые композиционные материалы. Структура и свойства. В волокнистых композиционных материалах упрочнителями служат волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений (В, С, А1203, Б1С и др.), а также проволока из металлов и сплавов (Мо, Ве, высокопрочная сталь и др.). Для армирования композиционных материалов используют непрерывные и дискретные волокна диаметром от долей до сотен микрометров.
...
При упрочнении волокнами конечной длины нагрузка на них передается через матрицу с помощью касательных напряжений. В условиях прочного (без проскальзывания) соединения волокна с матрицей нагрузка на волокна при растяжении равна т х лЛ, где х-касательное напряжение, возникающее в матрице в месте контакта с волокном; &-диаметр волокна; /-длина волокна. С увеличением длины волокна повышается возникающее в нем напряжение. При определенной длине, названной критической, напряжение достигает максимального значения. Оно не меняется при дальнейшем увеличении длины волокна. Длина /кр определяется из равенства усилий в матрице на границе с волокном и в волокне с учетом симметричного распределения напряжений в нем:
...
Рис. 13.21. Теоретическая зависимость эффективности упрочнения композиционного материала от соотношения 1/с1
...
Теоретические расчеты, подтвержденные практикой, показывают, что чем тоньше и длиннее волокно, а точнее, чем больше отношение длины к диаметру, тем выше степень упрочнения (а™ /а") композиционного материала (рис. 13.21). В качестве матриц металлических композиционных материалов используют металлы: алюминий, магний и титан, жаропрочный никель и сплавы на их основе; для неметаллических-полимерные, углеродистые, керамические материалы.
...
Свойства волокнистых композиционных материалов в большой степени зависят от схемы армирования (рис. 13.22). Ввиду значительного различия в свойствах волокон и матрицы при одноосном армировании физическим и механическим свойствам присуща анизотропия. При нагружении растяжением временное сопротивление и модуль упругости композиционных материалов достигают наибольших значений в направлении расположения волокон, наименьших — в поперечном направлении. Например, композиционный материал с матрицей из технического алюминия АД1, упрочненный волокнами бора, в направлении волокон имеет ав = 1000 н- 1200 МПа, а в поперечном-всего 60-90 МПа. Анизотропия
...
При условии прочного (без проскальзывания) соединения волокон с матрицей в момент приложения нагрузки в них возникает одинаковая деформация, т. е. £в = £м. Следовательно,
...
т. е. чем выше модуль упругости волокон Е" и больше их объем, тем в большей степени они воспринимают приложенную нагрузку.
...
Объемная доля упрочнителя колеблется в широких пределах - от нескольких единиц до 80-90%. При этом композиционные материалы с ориентированными непрерывными волокнами содержат их, как правило, в количестве 60 — 80%. Содержание хаотически расположенных дискретных волокон и нитевидных кристаллов ограничивается 20-30%, поскольку различие в их длине и диаметре создает технологические трудности в получении плотноупако-ванных материалов.
...
Рис. 13.22. Схемы армирования (1 — 5) композиционных материалов и их влияние на напряжения при растяжении эпоксидных углепластиков
...
свойств не наблюдается при двухосном армировании с взаимно перпендикулярным расположением упрочняющих волокон (см. рис. 13.22). Однако по сравнению с одноосным армированием прочность вдоль оси волокон уменьшается почти в 3 раза с 1000 до 350 МПа (рис. 13.23). Остаются низкими характеристики при сжатии и сдвиге. При нагружении материала вдоль волокон растяжением нагрузку в основном воспринимают высокопрочные волокна, а матрица служит средой для передачи усилий. Соотношение нагрузки, воспринимаемой волокнами (Рв) и матрицей (Рм), выражают через возникающие в них напряжения, соответственно, ав и ам:
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
ности сцепления волокон с матрицей. Для их качественного соединения необходимо прежде всего обеспечивать хороший контакт (без загрязнений, газовых и других включений) по всей поверхности соединений. Композиционные материалы относятся в основном к термодинамически неравновесным системам, что является главной причиной диффузионных процессов и химических реакций, происходящих на границе раздела между волокном и матрицей. Эти процессы протекают при изготовлении композиционных материалов и при их использовании. Некоторое взаимодействие между компонентами необходимо для обеспечения прочной связи между ними, передачи напряжений. Для металлических композиционных материалов прочная связь между волокном и матрицей осуществляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого слоя (1-2 мкм) интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей нет взаимодействия, то на волокна наносят специальные покрытия для его обеспечения, но прослойки образующейся при этом фазы должны быть очень тонкими (рис. 13.25). Связь между компонентами в композиционных материалах на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии (см. с. 261).
...
рамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением, поверхностной обработкой волокон, называемой вискеризацией. Вискеризация-это выращивание монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендикулярно их длине. Полученные таким образом «мохнатые» волокна бора называют «борсик». Вискеризация способствует повышению сдвиговых характеристик, модуля упругости и прочности при сжатии без снижения свойств вдоль оси волокна. Так, увеличение объемного содержания нитевидных кристаллов до 4—8% повышает сдвиговую прочность в 1,5-2 раза, модуль упругости и прочность при сжатии на 40-50%.
...
На поверхности соединения компонентов не должно происходить химических реакций, приводящих к повреждению волокон, ухудшению их свойств и свойств композиционного материала.
...
При сильном взаимодействии компонентов временное сопротивление волокон и композиционного материала в целом значительно снижается. Например, временное сопротивление волокон карбида кремния в композиционном материале с титановой матрицей в результате такого взаимодействия снизилось с 320 до 210 МПа, что вызвало снижение временного сопротивления композиционного материала на 30%. Для уменьшения взаимодействия применяют
...
легирование как матриц, так и волокон, защитные покрытия волокон, низкотемпературные и высокоскоростные способы изготовления композиционных материалов.
...
Кроме того, прочность сцепления между компонентами зависит от их механической совместимости, на которую влияет разница в пластических свойствах, в коэффициентах Пуассона и линейного расширения, модулей упругости. Механическая несовместимость приводит к возникновению остаточных напряжений на границе раздела компонентов, которые при достижении определенной величины вызывают нарушение связи между компонентами.
...
Виды и свойства упрочнителей. Физические и механические свойства волокон и нитевидных кристаллов представлены в табл. 13.5.
...
Из металлических упрочнителей широко применяют стальную проволоку, которая является наиболее дешевым и технологичным упрочнителем. В настоящее время в основном используют проволоку из коррозионно-стойких сталей аустенитного, аустенитно-мартен-ситного и мартенситного классов. Большая степень пластической деформации при получении проволоки обусловливает большую плотность структурных дефектов и высокие прочностные характеристики. Например, проволока из стали ВНС9 (18Х15Н5АМЗ) диаметром 0,16-0,3 мм
...
= 3500^4000 МПа. Высокая температура рекристаллизации обеспечивает стальной проволоке хорошую прочность, при высокой температуре особенно из сталей аустенитного класса. При изготовлении композиционных ма-
...
териалов с алюминиевой матрицей, армированной стальной проволокой, температура не должна превышать 550 °С во избежание активного взаимодействия между компонентами. Композиционные материалы изготовляют сваркой взрывом, прокаткой в вакууме, диффузионным спеканием. Для надежного сцепления компонентов при использовании твердофазных методов необходимо обновление контактных поверхностей, разрушение оксидных пленок.
...
Более высокой жаропрочностью обладает проволока из тугоплавких металлов (Mo, W, Та). Высокие прочностные свойства такой проволоки сохраняются до 1200-1500 °С, и поэтому ее применяют для армирования жаропрочных матриц. Это увеличивает рабочие температуры и срок службы жаропрочных сплавов. Недостатком наполнителя из тугоплавких металлов является их высокая плотность.
...
Малой плотностью и большой удельной прочностью обладает проволока из бериллия. Механические свойства проволоки сильно зависят от качества ее поверхности. Бериллиевую проволоку получают выдавливанием из литой или порошковой заготовки, заключенной в оболочку. Лучшим материалом оболочки является никель. После волочения оболочку с проволоки удаляют и для улучшения поверхности проволоку подвергают электрохимическому полированию. При волочении проволоки, предназначенной для получения композиционных материалов, в качестве оболочки используют материал матрицы, и в этом случае отпадают операции тра-
...
вления и полирования. Ценным свойством сильнодеформированной берил-лиевой проволоки является высокая температура рекристаллизации (700 °С). Бериллиевую проволоку целесообразно применять для армирования матриц, обладающих малой плотностью, т. е. на алюминиевой, магниевой или титановой основах.
...
Для армирования металлических и полимерных матриц широко используют борные волокна. Они характеризуются высокой прочностью, твердостью, малой склонностью к разрушению при повышении температуры. Борные волокна получают разложением хлорида и бромида бора в среде водорода 2ВС13 + ЗН2-*2В + 6НС1 с последующим осаждением бора из газовой среды на горячей вольфрамовой нити (¿^12 мкм). В результате взаимодействия бора с вольфрамом сердцевина борных волокон состоит из боридов вольфрама различного состава: \УВ, ^У2В5, \УВ5. При продолжительном нагреве сохраняется в основном \\Ъ4. Волокна бора имеют ромбическую кристаллическую решетку. Полученные таким способом волокна бора имеют ¿ = 70-^200 мкм.
...
Прочность сердцевины значительно ниже прочности волокна в целом. В сердцевине возникают напряжения сжатия, а в прилегающих участках бора-напряжения растяжения. Это приводит к появлению остаточных напряжений и возникновению радиальных трещин. При небольшой плотности волокна бора обладают высокой прочностью и жесткостью. Высокая прочность
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
борных волокон объясняется их мелкокристаллической структурой. Большое влияние на прочность оказывает и структура их поверхности. Поверхность имеет ячеистое строение, напоминающее по внешнему виду початок кукурузы (рис. 13.26). Наличие крупных зерен на поверхности, а также включений, трещин, пустот снижает прочность борных волокон. При температуре выше 400°С борные волокна окисляются, а при температуре выше 500 °С вступают в химическое взаимодействие с алюминиевой матрицей. Для повышения жаростойкости и предохранения от взаимодействия с матрицей на борные волокна наносят покрытия из карбида кремния, карбида и нитрида бора толщиной 3-5 мкм.
...
В настоящее время наряду с чисто борными волокнами выпускают волокна бора, оплетенные стекловолокном. Такие комбинированные волокна обладают более высокой устойчивостью. Основной недостаток борных волокон-высокая стоимость, которую можно снизить путем увеличения диаметра, а также заменой вольфрамовой основы на углеродную.
...
Высокими прочностью, удельной прочностью и термической стабильностью механических свойств отличаются высокомодульные углеродные волокна. Их получают путем высокотемпературной термической обработки в инертной среде из синтетических органических волокон. В зависимости от вида исходного продукта углеродные волокна имеют разновидности: нити, жгуты, ткани, ленты, войлок. Наиболее широко для производства углеродных волокон используют вискозу, полиакрилнитрил (ПАН). При нагреве синтетическое волокно разлагается с образованием лентообразных слоев углерода с гексагональной структурой, называемых микрофибриллами (рис. 13.27). Группы одинаково ориентированных микрофибрилл, разделенных узкими порами, образуют фибриллы. Поперечные раз-
...
меры фибрилл лежат в широких пределах: от нескольких десятков до сотен микрометров. Каждое углеродное волокно состоит из тысяч фибрилл. Структура углеродного волокна, в частности, взаимное расположение фибрилл и степень их ориентации, зависят от исходного сырья: состава макромолекул, степени вытяжки волокон, технологии их получения и др. В связи с этим углеродные волокна, полученные из разных синтетических волокон, имеют разные свойства и даже различный характер соотношения между прочностью и жесткостью (рис. 13.28).
...
Структура и свойства углеродных волокон в большой степени зависят также от температуры термической обработки синтетических волокон (рис. 13.29). Кроме того, прочность углеродных волокон сильно зависит от наличия таких дефектов, как пустоты, трещины. Она значительно снижается, если размеры дефек-
...
Керамические волокна оксидов, нитридов, карбидов характеризуются высокими твердостью, прочностью, модулем упругости, относительно небольшой плотностью и высокой термической стабильностью.
...
Из табл. 13.5 видно, что особо высокие прочность и жесткость присущи нитевидным кристаллам («усам»). Высокая прочность объясняется совершенством их структуры, для которой характерна очень малая плотность дислокаций. Доказано, что скручивание усов в процессе образования монокристаллов А1203 и 8Ю2 вызвано наличием в них единственной винтовой дислокации, расположенной вдоль оси роста кристаллов.
...
Применение полых профильных волокон уменьшает плотность, повышает жесткость при изгибе, прочность при сжатии композиционных материалов. Кроме того, улучшаются их изоляционные свойства.
...
Рис. 13.28. Связь между временным сопротивлением и модулем упругости углеродных волокон при различном исходном сырье: / — ПАН; 2
...
тов превышают 0,05 мкм. При нагреве выше 450 °С на воздухе углеродные волокна окисляются, в восстановительной и нейтральной среде сохраняют свои механические свойства до 2200 °С,
...
К другим достоинствам углеродных волокон относятся высокие теплопроводность и электропроводимость, коррозионная стойкость, стойкость к тепловым ударам, небольшой температурный коэффициент линейного расширения; к недостаткам-плохая смачиваемость расплавленными материалами, используемыми в качестве матриц. Для улучшения смачиваемости и уменьшения химического взаимодействия с матрицей на углеродные волокна наносят покрытия. Хорошие результаты в контакте с алюминиевой матрицей показывают покрытия из боридов титана и циркония.
...
260 Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
Композиционные материалы на неметаллической основе. Их преимуществом по сравнению с композиционными материалами на металлической основе являются хорошая технологичность, низкая плотность и в ряде случаев более высокие удельные прочность и жесткость. Кроме того, материалы на неметаллической основе имеют и другие ценные свойства, высокую коррозионную стойкость, хорошие теплозащитные и амортизационные характеристики, антифрикционные и фрикционные свойства и др.
...
Для большинства композиционных материалов с неметаллической матрицей характерны следующие недостатки: низкая прочность связи волокна с матрицей, резкая потеря прочности при повышении температуры выше 100-200 °С, малая электрическая проводимость, отсутствие способности к сварке.
...
Среди неметаллических композиционных материалов наибольшее распространение получили композиции с полимерной матрицей: эпоксидной, фенолоформальдегидной и полиимид-ной. В качестве упрочнителей используют высокопрочные и высокомодульные углеродные и борные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, жгутов, лент, нетканых материалов.
...
Группы композиционных материалов, армированные однотипными волокнами, имеют специальные названия, данные им по названию волокна. Композиции с углеродными волокнами называются углеволокнитами, с борными — бороволокнитами, стеклянными — стекловолокнитами, органическими — органоволокнитами. Для органоволок-нитов используют эластичные (лавсан, капрон, нитрон) и жесткие (ароматический полиамид, винол) синтетические волокна.
...
вляют органоволокниты) в композиционных материалах нет переходного слоя между компонентами. Связь между волокнами и матрицей носит адгезионный характер, т. е. осуществляется путем молекулярного взаимодействия. Прочность связи, характеризуемая параметром т0£, (т0- прочность сцепления,
...
коэффициент контакта), повышается с увеличением критического поверхностного натяжения волокна (ас), характеризующего величину его поверхностной энергии. Для обеспечения высокой прочности связи между компонентами необходимо полное смачивание волокон (которое достигается, например, растеканием жидкого связующего по поверхности волокон); при этом энергия поверхности волокон должна быть больше поверхностного натяжения жидкой матрицы. Однако для жидких эпоксидных смол, обладающих лучшей адгезией к наполнителям среди других полимеров, энергия поверхностного натяжения составляет 5,0-10"5 Дж/м2, тогда как для углеродных волокон энергия поверхности находится в интервале (2,7 — — 5,8) 10'5 Дж/м2, а для борных она равна 2,0-10 5 Дж/м2. Энергию поверхности волокон повышают различными методами обработки их поверхности: травлением, окислением, вискеризацией. Например, после травления борных волокон в азотной кислоте их критическое поверхностное натяжение достигает сотен джоулей на квадратный метр. Из рис. 13,30 видно, что благодаря травлению критическое поверхностное натяжение борного волокна увеличивается и параметр т0£, резко возрастает. Это говорит об увеличении прочности связи между волокном и матрицей.
...
По сравнению с другими полимерами, применяемыми в качестве матриц композиционных материалов, эпоксидные обладают более высокими механическими свойствами в интервале температур от -60 до 180°С, что обеспечивает композиционным материалам более высокие прочностные характеристи-
...
Одним из способов улучшения свойств композиционных материалов является увеличение жесткости матрицы с помощью введения в их структуру ионов металлов, которые усиливают взаимосвязь между полимерными молекулами. Как видно из табл. 13.6, введение в матрицу 15% ионов Ва или 7,6% ионов № повышает модуль упругости при изгибе полиметиленфенольной матрицы соответственно на 25 и 50%. При этом предел прочности при изгибе композиции, армированной етекложгутом, возрастает более чем в 14 раз, а материала, армированного углеродным волокном,-более чем в 16 раз. Увеличение прочности композиционных материалов объясняется не столько повышением прочности самой матрицы (она изменяется мало), сколько увеличением жесткости и адгезионной прочности ее сцепления с волокном.
...
Механические свойства некоторых одноосно-армированных волокнистых композиционных материалов представлены в табл. 13.7. Самую высокую прочность и удельную прочность имеют стекловолокниты. Временное сопротивление стекловолокнитов повышается приблизительно в три раза по мере увеличения объемного содержания напол-
...
ки при сжатии и сдвиге. Они отвер-ждаются при сравнительно невысоких температурах с небольшой усадкой, позволяющей изготовлять из композиционных материалов на их основе крупногабаритные детали. При изготовлении деталей из композиционных материалов на основе эпоксидных матриц не требуется больших давлений, что особенно важно при использовании для армирования высокопрочных хрупких волокон, так как уменьшается вероятность их повреждения.
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
Однако свойства бороволокнитов зависят не только от свойств волокон и их объемного содержания, но и в большой степени от их геометрии и диаметра. Так, ячеистая структура волокна обеспечивает высокую прочность при сдвиге и срезе. Большой диаметр волокон и высокий модуль упругости придают устойчивость боропластику и способствуют повышению прочности при сжатии. Вместе с тем большой диаметр волокон вызывает необходимость увеличения эффективной длины волокон, повышает чувствительность к разрушению отдельных волокон, уменьшает временное сопротивление по сравнению с тонковолокнистым материалом.
...
Органоволокниты обладают высокой удельной прочностью в сочетании с хорошими пластичностью и ударной вязкостью. Характерной особенностью ор-гановолокнитов является единая полимерная природа матриц и армирующих волокон. Матрица и наполнитель имеют близкие значения температурных коэффициентов линейного расширения, им свойственны химическое взаимодействие и прочная связь. Органоволокниты имеют бездефектную и практически беспористую структуру (пористость 1-3%), хорошую стабильность механических свойств. Слабым местом при на-гружении материала является не столько граница раздела между волокном и матрицей, сколько межмолекулярные связи в самом волокне.
...
Структура волокна неоднородна. Она состоит из ориентированных макромолекул и их совокупности-фибрилл. Большая степень их ориентации в направлении оси волокон обеспечивает волокнам высокие прочность и жесткость при растяжении в этом направлении. Однако неоднородность структуры волокон обусловливает различные напряженные состояния в отдельных ее элементах. Между ними возникают напряжения сдвига, которые приводят сначала к расщеплению волокна вдоль оси, а затем-к разрушению. Такой меха-
...
Рис. 13.32. Зависимость механических свойств карбостекловолокнита от соотношения углеродных и стеклянных волокон (общее содержание наполнителя 62 об. %)
...
бильный коэффициент трения и обладают хорошей износостойкостью. Температурный коэффициент линейного расширения карбоволокнитов в интервале 20-120 °С близок к нулю.
...
К недостаткам карбоволокнитов относят низкую прочность при сжатии и межслойном сдвиге. Специальная обработка поверхности волокон (окисление, травление, вискеризация) повышает эти характеристики.
...
Бороволокниты характеризуются высокими пределами прочности при растяжении, сжатии, сдвиге, твердостью и модулем упругости.
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
низм разрыва волокон вызывает большую работу разрушения композиционного материала в целом. Это характеризует высокую прочность при статическом и динамическом нагружении. Ор-гановолокниты, особенно с эластичным наполнителем, имеют очень высокую ударную вязкость (600-700 к Дж/м2). Слабые межмолекулярные связи являются причиной низкой прочности и жесткости при сжатии. При этом предельная деформация при сжатии определяется не разрушением волокон, а их искривлением. Дополнительное армирование органоволокнитов волокнами, затрудняющими это искривление, например, углеродными или борными, повышает прочность при сжатии.
...
Композиционные материалы на металлической основе. Преимуществом композиционных материалов на металлической основе являются более высокие значения характеристик, зависящих от свойств матрицы. Это прежде всего временное сопротивление и модуль упругости при растяжении в направлении, перпендикулярном оси армирующих волокон, прочность при сжатии и изгибе, пластичность, вязкость разрушения. Кроме того, композиционные материалы с металлической матрицей сохраняют свои прочностные характеристики до более высоких температур, чем материалы с неметаллической основой. Они более влагостойки, негорючи, обладают электрической проводимостью.
...
Наиболее перспективными материалами для матриц металлических композиционных материалов являются металлы, обладающие небольшой плотностью (А1, М§, Тл), и сплавы на их основе, а также никель-широко применяемый в настоящее время в качестве основного компонента жаропрочных сплавов. Свойства некоторых композиционных материалов на металлической основе представлены в табл. 13.4.
...
локой (КАС), борным волокном (BKA) и углеродным волокном (ВКУ). В качестве матрицы используют как технический алюминий (например, АД1), так и сплавы (АМгб, В95, Д20 к
...
Использование в качестве матрицы сплава (например, В95), упрочняемого термообработкой (закалка и старение), дает дополнительный эффект упрочнения композиции. Однако в направлении оси волокон он невелик, тогда как в поперечном направлении, где свойства определяются в основном свойствами матрицы, достигает 50% (табл. 13.8).
...
Наиболее дешевым, достаточно эффективным и доступным армирующим материалом является высокопрочная стальная проволока. Так, армирование технического алюминия проволокой из стали ВНС9 диаметром 0,15 мм (ав =
...
= 3600 МПа) увеличивает его прочность в 10-12 раз при объемном содержании волокна 25% и в 14-15 раз при увеличении содержания до 40 %,
...
= 4200 МПа), временное сопротивление композиционного материала увеличится до 1750 МПа. Таким образом, алюминий, армированный стальной проволокой (25-40%), по основным свойствам значительно превосходит даже высоко-
...
ТАБЛИЦА 13.8. Механические свойства композиционного материала алюминиевый сплав — борные волокна (50 об. %)
...

Азотирование и карбонитрирование
Оcновы сварки судовых конструкций
Материаловедение
Російсько-український словник зварювальної термінології. Українсько-російський словник зварювальної термінології.
Металловедение для сварщиков (сварка сталей)
Машиностроение. Энциклопедия Оборудование для сварки

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Материаловедение