Волокнистой составляющей

Рис. 1. Передняя панель автомобиля «Понтиак»; формование из коротко-волокнистой композиции

На свойства волокнистой композиции помимо высокой прочности армирующих волокон и жесткости пластичной матрицы оказывает влияние прочность связи на границе матрица — волокно.

Рис. 77. Изменение длины волокнистой композиции нихром — вольфрам при ;термо-циклировании по режимам 1100 ^600° С (/) и 1000 ?± s>570QC (2).

При исследовании структуры термоциклированных композиционных материалов обнаружили поры и трещины. Цепочки пор размещались в матрице вдоль границы раздела с волокном, нередко по ним распространяются трещины (рис. 80, а). Прилегающая к волокнам зона матрицы имеет мелкозернистое строение, за нею размещен крупнозернистый ободок. После длительного термоциклирования наблюдалось образование трещин вдоль границы раздела волокна с матрицей и в вольфрамовом волокне. Эти наблюдения согласуются с данными работы [14], в которой описано разрушение нихрома и вольфрама при термоциклировании волокнистой композиции.

деформации. Поры задерживают распространение крупных трещин. В этом проявляется благотворное влияние ми-кропор на механические свойства композиции. Вместе с тем разрушение нихромовой композиции при термоцикли-ровании часто совершается по областям, содержащим крупные микропоры. Вдоль сообщающихся микропор происходит избирательное окисление компонентов волокнистой композиции. Подобное влияние микропор проявляется на дальних стадиях термоциклирования. При кратковременных нагревах, когда размеры их невелики, микропоры не снижают прочности композиции. По-видимому, эффективность отжига, который может быть использован в качестве предварительной термической обработки, связана и с развитием тонкой микропористости.

Приведенные данные о структурных и размерных изменениях, происходящих притермоциклировании волокнистой композиции, свидетельствуют о большой роли термических напряжений. Композиция нихром — вольфрам (или молибден) составлена из материалов, по-разному ведущих себя при интенсивных теплосменах. В этих условиях металлы с ОЦК-упаковкой обычно уменьшают свою поверхность и волокна вольфрама и молибдена должны при термоциклировании укорачиваться. ГЦК-металлы, наоборот, увеличивают поверхность. Для сплава ЭИ435 это

Анализ напряжений и деформаций, возникающих при изменении температуры волокнистой композиции, содержится в работах [113, 125, 280]. При анализе обычно исходят из того, что размерные изменения волокна и матрицы, связанных в композиции, одинаковы и макроскопические смещения вдоль поверхности раздела отсутствуют. Волокно и матрица в процессе термоциклирования композиции находятся в объемном напряженном состоянии. С целью упрощения в изложенном ниже анализе рассмотрена задача о линейном напряженном состоянии волокнистой композиции.

Помимо описанной выше картины формоизменения, обусловленного совместным деформированием обоих элементов, при термоциклировании волокнистой композиции может иметь место формоизменение, связанное с пластической деформацией только одного элемента. Экспериментально это наблюдали в композициях на никелевой основе с вольфрамовыми и молибденовыми волокнами. Во время термо-циклирования их по указанным выше режимам длина образцов вдоль волокон увеличивалась. Удлинение образцов длиной 30 мм не сопровождалось изменением размеров волокон: в торцах образцов возникали выемки, глубина которых соответствовала приросту длины при термоциклировании. Коэффициент роста композиции в четырехминутном термоцикле по режиму 1000 <> 450° С составлял примерно 10~3, причем в вольфрамовой композиции он был больше, чем в молибденовой.

Рис. 8.3. Зависимость модуля Юнга (а) и модуля упругости при сдвиге (б) однонаправленной волокнистой композиции на основе борных волокон и эпоксидной матрицы от угла 6 (E2/?i = G2/Gi = 120; Ф2 = 0,65) [25].

6. Чему равна продольная прочность при растяжении однонаправленной волокнистой композиции, полученной методом намотки, при Ф2 = 0,65, стйа = 1,72-Ю8 МПа, аЬ1 = 82,7 МПа?

8. Насколько различаются зависимости относительного транс-версального модуля упругости ET/Ei от состава однонаправленной волокнистой композиции при гексагональной и кубической упаковках волокон? Е^1Ег — 100.

Рис. 373. Ударная вязкость и доля волокнистой составляющей в изломе стали ПЗ, содержащей разное количество фосфора (автор)

Поскольку хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе для стали можно четко различить по виду излома, порог хладноломкости нередко определяют но проценту волокна (В, %) матовой, волокнистой составляющей в изломе. Количество

и количество волокнистой составляющей в изломе (В) в зависимости от температуры в интервале охрупчивания. Чем ниже степень прокаливаемости, тем при более высоких температурах начинается охруп-чивание и тем ниже ат. Температура /Ш)м соответствует минимальной температуре, при которой сохраняется полностью волокнистое строение изломов высокоотпущенной стали после сквозной закалки (95 % мартенсита). При неполной прокаливаемости при /100М в изломе обнаруживаются кристаллические участки. При малой степени прокаливаемс.ет i при этой температуре излом полностью кристаллический и а, (ар) имеет низкое значение. Следует отметить, что различие в твердости в этом случае невелико.

Флокен — разрыв тела отливки под действием растворенного в стали водорода и внутренних напряжений, проходящий полностью или частично через объемы ,первичных зерен аустенита. Флокен в изломе термически обработанной отливки имеет вид сглаженных поверхностей без металлического блеска (матового цвета) на общем сером фоне волокнистой составляющей.

На поверхности излома в зоне переходных температур наблюдаются четко выраженные, локализованные зоны хрупкого и вязкого разрушений (рис. 27), и, следовательно, сериальная кривая волокнистой составляющей в изломе и порога хладноломкости Г5 0 могут быть установлены вполне надежно. Комнатная температура для ванадия любой степени чистоты соответствует области вязкого разрушения, т. е. температура начала перехода в хрупкое состояние при ударном изгибе и для ванадия с содержанием О + N, равным ~5000 анм, ниже +20° С. Тем не менее уменьшение чи-3. Зак. 1593 33

Изломы биметаллических образцов, полученные при различных температурах испытаний, показан на рис. 99. По фотографиям изломов трудно судить о долях вязкой и хрупкой составляющих, но при прямом наблюдении излома, варьируя наклон и освещение поверхности на каждом участке излома, их можно определить вполне достоверно. Следует отметить, что доля волокнистой составляющей в молибденовом покрытии и в стальной основе неодинакова. Эта составляющая для молибденового покрытия и стальной основы биметаллических образцов определяется отдельно, после чего рассчитывается среднее значение доли вязкой составляющей в изломе (учитывая, разумеется, и различие площади молибдена и стали с последующим округлением до второй цифры (0 или 5). Результаты таких измерений приведены в табл. 19.

Для деформированного молибдена характерно, что переход в хрупкое состояние происходит в определенном интервале температур (в данном случае 175—120° С), в котором ударная вязкость и доля волокнистой составляющей в изломе не имеют постоянных значений (наблюдается значительный разброс результатов). Если принять, что температура перехода Т50 соответствует середине этого интервала, то она равна ~ 150° С. Так как тонкий молибденовый слой при испытаниях не разрушается вместе со сталью, биметаллический образец имеет такие же сериальные кривые

Для определения работы распространения трещины применяются методы, связанные с разделением работы разрушения на составляющие. Недостатки этих методов в том, что используемые образцы невелики и скорость движения трещины в них не всегда соответствует реальным скоростям. При хрупких разрушениях мала точность фиксации скорости распространения трещины. Энергетическими критериями сопротивляемости металла движению бегущей трещины могут быть доля волокнистой составляющей в изломе образца или по толщине листового металла; скорость распространения трещины; разнообразные критерии Робертсона. Перспективным представляется метод тепловой волны, когда удается регистрировать работу разрушения при продвижений трещины на десятки и сотни миллиметров, в том числе и на натурных образцах.

Отсутствие тесной связи между ударной вязкостью, критической температурой хрупкости, уровнем легирования и структурой препятствовало введению их в расчетные методы. Д. И. Ньюхауз, разделив работу разрушения образца при ударном нагружении на две составляющие, показал, что работа распространения трещины пропорциональна площади волокнистой составляющей в изломе и одинакова для различных строительных сталей.

820° С (40ХН) и 20 мин выдержки закаливали в масле, жидком стекле и в струе воздуха. Действительный размер зерна аустенита для обеих марок сталей № 9, 10. Определялась твердость и микроструктура. По мере уменьшения скорости охлаждения твердость изменялась от 56 до 35 HRC, а содержание мартенсита — от 100 до 10%. Температура отпуска (440—500° С) выбиралась из расчета получения на всех образцах твердости HRC = 32—35. Из заготовок получили образцы IV типа по ГОСТ 9454-60, радиус надреза 0,25 мм. Образцы разрушались на копре МК-30 после охлаждения до заданной температуры согласно ГОСТ 9455-60. Ударная вязкость и доля волокна в изломе в зависимости от содержания мартенсита в структуре и температуры испытания представлены на рис. 1. Каждая точка получена по трем образцам. Характерно, что сталь 40ХН-имеет более высокую ударную вязкость и большую площадь волокнистой составляющей в изломах, чем сталь 40Х, при одинаковых температурах испытания.

В области переходных температур для обеих марок сталей, независимо от условий термической обработки и структуры, получена общая связь ударной вязкости (энергии распространения трещины) от доли волокнистой составляющей в изломе (рис. 2). Только за пределами переходной области рассеяние резко возрастает, что объясняется снижением энергии зарождения трещины при охлаждении ниже Ткн и увеличением степени деформации до зарождения трещины при температуре выше Ткв. Единство зависимости ударной вязкости от вида излома и различие в критической температуре хрупкости, определяемой по виду излома, представляется целесообразным использовать для оценки роли структуры в методике выбора стали.