МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ПРОЦЕССОВ. Методы исследования материалов и процессов
 Скачать 1.95 Mb.
|
|
методами изготовления композитов являются: пропитка армирующих волокон матричным материалом; формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы, получаемых намоткой; холодное прессование обоих компонентов с последующим спеканием; электрохимическое нанесение покрытий на волокна с последующим прессованием; осаждение матрицы плазменным напылением на 102 упрочнитель с последующим обжатием; пакетная диффузионная сварка монослойных лент компонентов; совместная прокатка армирующих элементов с матрицей, порошковая металлургия для дисперсно-упрочненных материалов и другие. Критическое объемное содержание упрочнителя, как правило, составляет 10 – 15 % по объему изделия, меньшее содержание не оказывает существенного влияния на свойства матрицы. Важным параметром является близость значений коэффициента термического расширения матрицы и волокна, особенно для жаропрочных материалов, слишком большое несовпадение их может привести в значительным термическим напряжениям и развитию трещины. Таблица 2.3 Механические свойства волокнистых композиционных материалов с непрерывными волокнами Матрица (основа) Упрочнитель, объемное содержание, % ρ, кг/м 3 σ В , ГН/м 3 Удельная прочность, кН·м/кг Модуль упругости, ГН/м 3 W проволока 40 12500 8 64 265 Ni Mo проволока 50 9300 7 75 235 Ti Карбид кремния 25 4000 9 227 210 Борное волокно 45 2600 11 420 240 Al Стальная проволока 25 4200 12 280 105 Mg Углеродн. волокно 50 1600 12 737 168 Полимер Борное волокно 60 1900 14 736 260 103 Возможны различные типы взаимодействия на границе упрочнитель – матрица: 1. Компоненты не взаимодействуют (нерастворимы и не вступают в химические реакции). Поверхность контакта практически не имеет толщины. Сцепление упрочнитель – матрица число механическое, на трении. Чем более гладкие волокна использованы в композиции, тем слабее связь. 2. Компоненты растворимы с образованием твердого раствора, в этом случае имеет смысл рассматривать две поверхности пограничного слоя: внешнюю и внутреннюю по отношению к волокну. Сцепление на границе волокно-матрица более прочное, чем в первом случае. Требуется предварительная очистка волокон от адсорбированных газов, пленок примесей и окислов; так готовят композиции, например, с углеродными волокнами. 3. Компоненты образуют при взаимодействии фазы – интерметаллиды, карбиды и т.д. Трудность в этом случае состоит в том, что трещина, зарождаясь в хрупком пограничном слое, приводит к зарождению трещины в волокне. Отдельной проблемой является выбор оптимального диаметра волокна: при малом диаметре его материал может полностью прореагировать с матрицей, при слишком большом – ухудшаются свойства композиции. Уменьшить слишком сильное взаимодействие на границе упрочнитель- матрица можно с помощью легирования матрицы, создания защитных барьерных слоев на волокнах; применения скоростных методов (и по возможности – низкотемпературных) получения деталей, чтобы уменьшить время взаимодействия. Образование интерметаллида на границе волокно-матрица ухудшает механические свойства композита, но в ряде случаев такого выделения специально добиваются, например, при получении гибких сверхпроводящих проводов из композиции волокон ниобия в матрице из оловянистой бронзы (Cu – Sn). Технология изготовления композита заключается в совместном 104 холодном волочении бронзовых и ниобиевых (18 мас. %) прутков, средний поперечный размер ниобиевых волокон составляет около 100 нм. Отжиг готового композита приводит к образованию на границе волокно-матрица слоя интерметаллического соединения Nb 3 Sn – сверхпроводящего, но при этом чрезвычайно хрупкого. Такой слой не мог бы быть привнесен в композит извне. Волокнистые композиты анизотропны. Механические свойства их определяются не только свойствами самих волокон, но и их ориентацией, объёмным содержанием, способностью матрицы передавать волокнам приложенную нагрузку и др. Диаметр непрерывных волокон углерода, бора, а также тугоплавких соединений (В 4 С, SiC и др.) обычно составляет 100 – 150 мкм. Композиты, в отличие от монолитных сплавов, обладают высокой усталостной прочностью, которая, например, дляалюминиевых сплавов составляет 130-150 МН/м 2 , в то время как у армированного борным волокном алюминиевого сплава около 500 МН/м 2 (база 10 7 циклов). Временное сопротивление и модуль упругости композита на основе алюминия с волокнами бора в 2 раза больше, чем у алюминиевых сплавов В-95 и АК4-1. Такие материалы не чувствительны к надрезу. В узлах конструкций, требующих наибольшего упрочнения, армирующие волокна располагаются по направлению приложенной нагрузки. Цилиндрические изделия и другие тела вращения (например, сосуды высокого давления) армируют волокнами, ориентируя их в продольном и поперечном направлениях. Увеличение прочности и надежности в работе цилиндрических корпусов, а также уменьшение их массы достигается внешним армированием узлов конструкций высокопрочными и высокомодульными волокнами, что позволяет повысить в 1,5 – 2 раза удельную конструктивную прочность по сравнению с цельнометаллическими корпусами. Упрочнение материалов волокнами из тугоплавких веществ значительно повышает их жаропрочность. Например, армирование никелевого сплава вольфрамовым волокном (проволокой) позволяет повысить его жаропрочность при 1100 °С в 2 раза. 105 Разрабатываются композиты со специальными свойствами, например: радиопрозрачные материалы и радиопоглощающие материалы, с малым коэффициентом линейного термического расширения, с высоким удельным модулем упругости и другие. Жаропрочные материалы используются для тепловой защиты орбитальных космических аппаратов и в авиации, а также в энергетическом турбостроении. Применение композиционных материалов на никелевой или кобальтовой основе, упрочненных дисперсными частицами окислов, позволяет увеличить уровень рабочих температур оборудования от 1000°С до 1300°С, а на основе тугоплавких металлов и соединений – до 1500–2000°С. Повышение прочностных и упругих свойств материалов позволяет существенно облегчить конструкции, а увеличение рабочих температур этих материалов дает возможность повысить мощность двигателей. Однако такие материалы не могут полностью заменить традиционные литые жаропрочные материалы, упрочненные за счет выделения из твердого раствора дисперсных частиц интерметаллидной фазы. Литые материалы имеют преимущества в том случае, когда деталь сильно нагружена, поскольку требуется высокое сцепление упрочняющих частиц с матрицей, или в том случае, когда условия эксплуатации требуют применения деталей в монокристаллическом состоянии (например, турбинные лопатки авиационных двигателей). Твердые сплавы – особый класс износостойких материалов большой твердости, которая незначительно меняется при нагреве. Спечённые твердые сплавы – композиционные материалы, состоящие из карбида, связанного металлом или сплавом, получают методом порошковой металлургии. Их основой чаще всего являются карбиды вольфрама или титана, сложные карбиды вольфрама и титана (или тантала), карбонитрид титана, в качестве металла-связки обычно используют кобальт, реже – никель, его сплав с молибденом, сталь. Впервые спечённый твердый сплав получен из карбида вольфрама и кобальта в Германии в 1923 г., промышленное производство начато в 1926 г. (сплав 94 % WC и 6 % Со). В СССР первый твердый сплав из 106 карбида вольфрама (90 %) и кобальта (10 %) – сплав «победит» был создан в 1929 г. Основу выпуска композиционных твердых сплавов составляют вольфрамовые (вольфрамокобальтовые) с 3-25 % Со, титановольфрамовые с 4 – 40 % TiC и 4 – 12 % Со и титано-тантало-вольфрамовые твердые сплавы. Эти группы обозначают буквами ВК, ТК и ТТК с цифрами: после Т указывают содержание (%) карбида титана, после ТТ – суммы карбидов титана и тантала, а после К – кобальта; в сплавах ВК после цифры иногда добавляют буквы В, М или ОМ, указывающие на крупность зёрен карбида вольфрама (крупно-, мелко-, особомелкозернистые сплавы). Например, ВК6М — сплав на основе карбида вольфрама с 6 % Со, мелкозернистый. Эти сплавы характеризуются большой твёрдостью (86-92 HRA), прочностью (у сплавов ВК временное сопротивление при изгибе достигает 1000–2500 МПа, при сжатии 3200–5900 МПа, в зависимости от содержания кобальта; у сплавов ТК – соответственно 1150–1600 МПа и 3800– 6500 МПа), и высокой износостойкостью (эти свойства сохраняются на достаточно высоком уровне даже при нагреве до 800–900°С), а также электро- и теплопроводностью. Все большее значение приобретает производство безвольфрамовых твердых сплавов. Их выпуск позволяет заменить относительно дорогой вольфрам более дешёвыми металлами. Чрезвычайно важное направление развития производства твердых сплавов – быстро возрастающий выпуск неперетачиваемых режущих пластинок с тонкими (толщиной 5–15 мкм) покрытиями из карбонитрида, карбида или нитрида титана, имеющих нанокристаллическую структуру (повышение стойкости при резании в 3–10 раз). Применение режущего инструмента с такими пластинками особенно перспективно на автоматических линиях обработки резанием деталей машин в автомобильной и др. отраслях промышленности. К композиционным материалам относятся также материалы, полученные направленной кристаллизацией эвтектических структур (естественные композиты). В таких материалах естественным образом 107 обеспечено высокое сцепление между волокнами упрочнителя и матрицей; главная их проблема – сохранение морфологии волокон в процессе нагрева, эксплуатации и т.д. Распространение трещины в композиционном материале начинается с разрушения отдельных волокон. Существенное торможение трещины происходит из-за расслоения по границе матрица-волокно на каждом шаге распространения трещины (рис. 2.3). В результате разрушение оказывается существенно замедленным. Разрыв одного волокна не приводит к разрушению образца в целом. Последовательный разрыв волокон по мере продвижения тещины приводит к тому, что на кривой растяжения волокнистого композита появляются характерные скачки, каждый из которых соответствует разрыву одного волокна (рис. 2.4). Рис. 2.3. Распространение трещины в волокнистом композиционном материале 108 Рис. 2.4. Кривая деформации композита Области применения композитов многочисленны; кроме авиационно- космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в автомобильной промышленности – для деталей двигателей и кузовов автомашин; в машиностроении – для корпусов и деталей машин; в горнорудной промышленности – для бурового инструмента, буровых машин и др.; в металлургической промышленности – в качестве огнеупорных материалов для футеровки печей, кожухов и другой арматуры печей, наконечников термопар; в строительстве – для пролетов мостов, опор мостовых ферм, панелей для высотных сборных сооружений и др.; в химической промышленности – для автоклавов, цистерн, аппаратов сернокислотного производства, емкостей для хранения и перевозки нефтепродуктов и др.; в текстильной промышленности – для деталей прядильных машин, ткацких станков и др.; в сельскохозяйственном машиностроении – для режущих частей плугов, дисковых косилок, деталей тракторов и др.; в бытовой технике – для деталей стиральных машин, рам гоночных велосипедов, деталей радиоаппаратуры и др. 109 2.3. Субмикрокристаллические материалы. Сверхпластичность Под субмикрокристаллическим состоянием материала понимается структура с зерном порядка нескольких микрометров. Такое состояние может быть создано как традиционными методами (модифицирование сплава при плавке; пластическая деформация и рекристаллизация), так и методами порошковой металлургии. По мере уменьшения размера зерна возрастает твердость материала и происходит значительное его упрочнение (табл. 2.4), что связано с наличием большого количества границ зерен, выступающих в роли барьеров при движении дислокаций. Именно поэтому при низких температурах ультрамелкозернистые материалы высокопрочны и успешно противостоят деформации. Следует подчеркнуть, что дислокации принимают участие в деформации таких материалов при комнатной температуре. При высоких температурах наличие границ, являющихся источниками или стоками дефектов, повышает пластичность. В субмикрокристаллических материалах сочетание дислокационной деформации и диффузионного массопереноса в приграничных областях приводит к высокой пластичности, проявляющейся в специфическом механизме деформации поликристаллов – "проскальзывании" по границам зерен, в котором участвуют только пограничные области без деформации внутреннего объема зерна (рис. 2.5). Результатом является состояние сверхпластичности, что в некоторых случаях обеспечивает деформацию более 1000 %. Рис. 2.5. Перемещение зёрен относительно друг друга за счет проскальзывания зерна по раницам 110 Сверхпластичность проявляется как резкое увеличение пластичности сплава при значительном снижении напряжения течения (рис. 2.6). Это явление было обнаружено на цинковых сплавах Zn – 22 % Al, имеющих субмикрокристаллическую структуру, и наблюдается в условиях деформации в диапазоне 0,4–0,8 Т пл . Проявление сверхпластичности не зависит от способа получения субмикрокристаллической структуры. Рис. 2.6. Образцы сплава Zn – 22 % Al после испытаний на растяжение при 250 °С: а – субмикрокристаллическое состояние; б – крупнокристаллическое состояние Рис. 2.7. Истинные кривые напряжение-деформация для никелевого сплава (нихром) при 800 °С, = 5⋅10 -3 с -1 : 1 – размер зерна 100 мкм; 2 – 4 мкм Характер кривых напряжение-деформация при сверхпластическом течении сплава указывает на то, что в этих условиях деформация осуществляется без заметного упрочнения (рис. 2.7). Происходит σ, МПа 120 80 40 а б 111 значительное равномерное удлинение образца без образования шейки. Существенным параметром является также скорость деформации. Таблица 2.4 Влияние условий деформации на параметры сверхпластического течения Условия деформации Материал Размер зерен, мкм Т, °С скорость , с -1 Отностельное удлинение, δ, % Zn – 22 % Al Zn – 38 % Pb Zn – 0,4 % Al Нихром Ti-6 % Al–4 % V 0,5 1,2 0,7 2 6 250 20 20 1000 950 5 ⋅10 -1 2 ⋅10 -3 2 ⋅10 -4 7 ⋅10 -2 4 ⋅10 -4 800 850 650 190 1600 Наиболее часто явление сверхпластичности наблюдается в эвтектических или эвтектоидных сплавах. Быстрое укрупнение зерен при нагреве образца является препятствием для осуществления сверхпластичности в однофазных металлических материалах, даже если их удалось получить в ультрамелкозернистом состоянии при комнатной температуре. Обрабатываемые давлением цинковые сплавы в состоянии сверхпластичности применяются в различных областях техники для изготовления изделий глубокой штамповкой или пневмоформовкой. 2.4. Нанотехнология Нанотехнология как междисциплинарное направление сформировалось в мировой науке и технике в последние 15 – 20 лет. Под наноструктурными материалами принято понимать материалы, основные структурные элементы которых (кристаллиты, волокна, слои, поры) имеют размеры примерно от 1 до 100 нм (1 нм = 10 -9 м). Подавляющее большинство наноматериалов по своей природе неравновесны. Характерные особенности структуры наноматериалов: 112 • обилие поверхностей раздела (границ зерен), что обусловливает избыточную свободную поверхностную энергию. При размере кристаллитов L < 10 нм доля границ в образце составляет 50 % объема; • наличие в структуре неравновесных фаз, пересыщенных твердых растворов, пограничных сегрегаций, пор и межзеренных несплошностей; • избыточная концентрация дефектов кристаллического строения. В однофазных металлических материалах очень трудно зафиксировать наноструктурное состояние из-за избыточной энергии границ зерен. Например, для чистого никеля при температуре 350 °С размер зерна увеличивается от 20 нм до 1,3 мкм за доли секунды. В сплавах удается закрепить границы, например, за счет выделения на них дисперсных частиц (интерметаллидов или боридов) и помешать укрупнению зерна. 2.4.1. Методы получения наноструктурного состояния материалов Формирование наноструктуры массивных металлических образцов может быть осуществлено методом интенсивной пластической деформации при кручении под высоким давлением или при равноканальном угловом прессовании, при этом образуется фрагментированная структура с мелкими зернами ( < 100 нм), разделенными большеугловыми границами. На рис. 2.8 показаны две схемы интенсивной пластической деформа- ции. В случае схемы а дискообразный образец помещают в матрицу и сжимают вращающимся пуансоном. В физике и технике высоких давлений такая установка называется «наковальни Бриджмена». Сочетание высокого давления и деформации сдвигом приводит к формированию наноструктур. При кручении под высоким давлением степень деформации обычно регулируется числом оборотов. Так, для меди, подвергнутой 2, 3 и 4 оборотам, средний размер зерен составил 162 ± 19 нм, 149 ± 12 нм и 5 ± 8 нм, соответственно. В случае б образец деформируется по схеме простого сдвига. 113 б Рис. 2.8. Две схемы интенсивной пластической деформации: а – кручение под высоким давлением, б – равноканальное угловое прессование Рис. 2.9. Варианты равноканального углового прессования: а – неизменная ориентация заготовки; б – поворот заготовки на 90 °, в – поворот заготовки на 180° а б в а б 114 Деформирование заготовки методом равноканального углового прессования осуществляется за несколько проходов, причем возможна смена ориентации заготовки (рис. 2.9). Достоинство метода интенсивной пластичес- кой деформации состоит в возможности получения беспористых наноматериалов, причем последние могут быть довольно значительных размеров (при использовании равноканального углового прессования). |