Металлических композитов

В металлических композиционных материалах применяют тонкие волокна угле-

Возможность управления силами трения в силовом контактном взаимодействии с помощью электрического тока высокой плотности позволила осуществить технологические приемы для получения новых металлических композиционных материалов, которые рацее традиционными методами получить было невозможно, Одни из таких приемов, например, состоял в следующем. Предварительно изготовлялась сборка (пакет), состоящая из ряда оболочек, вставленной друг в друга, или ряда последовательных слоев, или, наконец, пучок жил или Волокон, вложенных в металлическую трубку Круглого али квадратного сечения. Затем эта сборка утонялось методами влектростиму-

Овчинский А. С., Копьев И. М., Бусалов Ю. Е., К вопросу о механическом взаимодействии волокон и матрицы при деформировании металлических композиционных материалов, Пробл. прочности, № 12 (1973).

Овчинский А. С., Копьев И. М., Сахарова Е. Н., Москвитин В. В., Перераспределение напряжений при разрыве хрупких волокон в металлических композиционных материалах, Мех. полим., № 1 (1977).

В первом томе собраны сведения о физико-химических процессах, протекающих на поверхности раздела в металлических композиционных материалах. Рассмотрено механическое поведение, роль поверхности раздела в процессах разрушения и ее влияние на основные механические свойства.

Полуфабрикаты (слойные заготовки) металлических композиционных материалов обычно получают намоткой волокон (борных) на алюминиевую фольгу, закрепленную на оправке, с использованием клея или методов плазменного напыления. Полученная заготовка снимается с оправки, раскатывается и используется как листовой полуфабрикат. В процессе вакуумного горячего прессования происходит диффузионная сварка алюминиевой матрицы. При этом, так же как при использовании полимерных матриц, трудно избежать пористости, в связи с чем должен быть обеспечен строгий контроль параметров процесса. 8. Испытания

дения АН УССР. В этих исследованиях изучали структурные особенности волокнистых металлических композиционных материалов при нагреве до 3000° С и растяжении, а также определяли теплофизические характеристики кинетики термической деструкции углеметаллопластиков при кратковременном одностороннем высокотемпературном нагреве.

Обычно химическую совместимость составляющих композиции подразделяют на термодинамическую и кинетическую [93 ]. Термодинамическая совместимость компонентов определяется их диаграммами равновесия. Однако для неравновесных систем, к которым относится большинство металлических композиционных материалов, эти диаграммы состояния могут лишь указывать тип или направленность реакций, а также возможные фазовые равновесия. Отсутствие термодинамической совместимости вовсе не исключает возможности использования данной комбинации составляющих, так как, варьируя параметры получения композиционных материалов, можно добиться приемлемой кинетической совместимости компонентов. Кинетическая совместимость зависит от таких термически активируемых процессов, как диффузия, скорость химических реакций, скорость растворения или образования новой фазы.

Тип химического взаимодействия между волокнами и матрицей в металлических композиционных материалах определяет их принадлежность к одной из трех групп. Приводимое ниже деление основано на термодинамической совместимости или несовместимости составляющих композиционного материала. Во многих отношениях такое деление весьма условно, и не всегда тот или иной композиционный материал можно отнести к конкретной группе. Однако для дальнейшего обсуждения даже такое деление будет полезным.

С геометрической точки зрения поверхность раздела бесконечно тонка. Однако с физико-химической точки зрения она имеет конечную толщину и представляет некоторую область, в которой происходят сложные процессы адсорбции, сегрегации примесей, растворения и роста новых фаз. В связи с этим, определяя поверхность раздела в металлических композиционных материалах, следует иметь в виду, что она представляет собой зону конечной толщины с существенно измененным химическим составом. В этой области формируется связь между матрицей и упрочняющими волокнами, которая необходима для передачи напряжений между составляющими композиционного материала. Из этого определения непосредственно следует, что связь между составляющими композиционного материала необходима для передачи напряжений через поверхность раздела, поэтому состояние последней во многом определяет механические свойства композиций.

и связь в ней осуществляется в результате взаимодействия двух окисных пленок — А12О3 и В2О3. В работе [50] предлагается различать шесть типов связи между волокном и матрицей в металлических композиционных материалах: механическая связь; связь путем растворения и смачивания; связь, возникающая в результате химической реакции с образованием продуктов взаимодействия; связь, обусловленная обменными химическими реакциями; связь в композиционных материалах, армированных волокнами окислов, и, наконец, смешанная связь.

вами — глубиной изложения и широтой охвата материала — чревата, естественно, определенными издержками. Отдельные главы различаются по построению, уровню и стилю изложения и слабо связаны между собой; иногда встречаются повторения, излишне детальный анализ сравнительно несложных вопросов или, напротив, привлечение неочевидных конечных результатов без необхо^ димых пояснений. Недостатки эти, впрочем, невелики и не мешают достижению основной цели книги — ознакомить широкий круг исследователей и инженеров с современными представлениями о свойствах поверхностей раздела и их влиянии на эксплуатационные характеристики металлических композитов.

В композитах с металлической и полимерной матрицами имеется много общих проблем, связанных с поверхностью раздела. Например, аппретирование в стеклопластиках обеспечивает образование переходной зоны между упрочнителем и матрицей. С другой стороны, можно убедиться в том, что для применяемых на практике металлических композитов характерно подобное же изменение свойств при переходе через поверхность раздела. Если компоненты полностью нерастворимы, химически инертны и не смачиваются, то в композите отсутствует связь, обеспечивающая необходимые свойства. Модифицирование поверхностей в таких композитах с целью создания связи приводит к появлению гради-ен:та состава в той зоне, где формируется связь. Из этих соображений вытекает следующее определение поверхности раздела, предложенное в первой главе:

Все вопросы стабильности поверхности раздела, кинетики и регулирования реакции связаны с использованием металлических композитов при высокой температуре. Обсуждение этих трех проблем составляет основное содержание данной главы.

Теоретическому анализу процесса ползучести композитных материалов был посвящен ряд работ. Для расчета ползучести металлических композитов с непрерывными волокнами в модели Мак-Дэйнелса <и др. [56] использовано правило смеси и сделаны следующие предположения:

В пользу механизма затупления вершины трещины свидетельствует также поведение некоторых металлических композитов. При введении малых количеств (2—5%) дисперсных (размером 1— 5 мкм) слабо связанных с матрицей твердых сферических частиц в материал, которому обычно присущи малые значения энергии разрушения, вязкость последнего может существенно увеличиться. Слабая поверхность раздела способствует образованию округлых полостей и не может выдерживать растягивающих напряжений,, вследствие чего трещина тормозится из-за уменьшения локальных растягивающих напряжений, а вершина ее притупляется полностью. Таким образом, работа разрушения композита значительно увеличивается [18].

композита, полученного в этих условиях, свидетельствовали о слабой связи на поверхности раздела. Двуслойное покрытие Ti — Ni облегчало смачивание усов сапфира и существенно улучшало связь. Как следует из сравнения прочности композитов, армированных усами с покрытием и без него, в первом случае предел прочности выше (рис. 6). Характер разрушения композита также изменяется: в первом случае разрушение происходит по поверхности раздела и сопровождается вытягиванием волокон, во втором имеет место сдвиговое разрушение матрицы. Эти опыты показали возможность изготовления упрочненных усами металлических композитов с повышенным уровнем прочности.

получения необходимых свойств композита. С получением усов сапфира Саттон и его сотрудники [45, 48] начали интенсивные исследования с целью разработки упрочненных усами металлических композитов. Поскольку никель технологически весьма перспективен, значительные усилия были затрачены на упрочнение сапфиром Ni-сплавов. Были подтверждены многие прежние данные о влиянии поверхностно-активных металлов на смачивание сапфира бинарными сплавами [47]. В табл. 1 приведены некоторые результаты исследования поверхностного натяжения и связи в системах Ni— А^Оз. Одно из наиболее важных наблюдений в ранних работах Саттона и его сотрудников касалось влияния Ti и Zr на разрушение композита. Легирование этими высокоактивными элементами приводит к нежелательному разрушению сапфира при очень низкой величине эффективной прочности на сдвиг, причем это разрушение происходит по поверхности раздела. На рис. 12 представлена схема образования связи в этих системах, с помощью которой авторы объяснили наблюдаемый эффект. Конкурирующие процессы, а именно, ослабление сапфира и усиление связи на поверхности раздела, приводят к появлению максимума на кривой прочности связи, которая не совпадает с работой адгезии WUJl,

Одним из важнейших предназначений металлических композитов, армированных усами или волокнами, является их применение при высоких температурах, поскольку отличные прочностные свойства композитов позволяют обеспечить более высокие рабочие характеристики современных тепловых машин. Одной из задач в этом плане является разработка композита на Ni-основе для

Значительные усилия направляются на разработку армированных волокнами металлических композитов, в которых металлическая матрица усиливается высокомодульными волокнами. Одна из главных целей разработки таких композитов состоит в использовании их в качестве конструкционных материалов для элементов конструкций, которые должны выдерживать высокие напряжения при повышенных температурах. Для подобного класса композитов кажется логически оправданным выбор вольфрамовых волокон благодаря их высокой прочности на растяжение как при комнатной, так и при повышенной температурах и благодаря их устойчивости при высоких температурах. Боль-

Изложенный выше подход эффективен в тех случаях, когда поведение композита до разрушения является линейно-упругим. Для металлических композитов, а также для материалов, у которых дисперсной фазой являются частицы, необходимо учитывать нелинейность характеристик и особенности механики разрушения.

6.2.4. Усталостная прочность металлических композитов, армированных волокном