Высокопрочных алюминиевых

Высокопрочные углеродные волокна — эпоксидное связующее4 ........ ; '. . 84.3 38,7 23,2 16,9 12,7 11,3

Высокомодульные углеродные волокна • — эпоксидное связующее Высокопрочные углеродные волокна — эпоксидное связующее 52,7 84,3 42,9 76,7 38 67,5 33 59 28,8 50,6 23,9 42,2 19 33,7 14,1 25,3

По-видимому, при этом волокна становятся гладкими и их адгезия к матрице значительно ослабляется по сравнению с высокопрочными волокнами. Сопротивление сдвигу между слоями уменьшается, в связи с чем высокая теоретическая эффективность не реализуется из-за снижения способности передавать нагрузку от слоя к слою. Высокопрочные углеродные волокна практически предпочтительны для высокожестких конструкций, поскольку они воспринимают до 100% общей нагрузки. Упругие волокна в зависимости от используемой матрицы зачастую могут воспринимать только 40—70% от предельно допустимой нагрузки. Кроме того, несмотря на высокую жесткость графита, его работа на сжатие обычно несколько ниже, чем на растяжение.

1 — высокомодульные углеродные волокна; 2 — борные; 3 — высокопрочные углеродные; 4 — Кевлар-49; 5 — S-стекло; 6 — Е-стекло.

По своим механическим характеристикам семейство углеродных волокон на основе ПАН делится на «высокопрочные» (НТ) и «высокомодульные» (НМ). Высокопрочные углеродные волокна получаются при температурах ниже 1400 °С, а высокомодульные — при высокой температуре 1800—3200 °С.

Композиционные материалы, армированные углеродными волокнами. Армированные углеродными волокнами композиционные материалы в зависимости от типа матрицы делятся на армированные пластмассы и армированные металлы. Рассмотрим их особенности на примере широко применяемых на практике углепластиков. Как следует из данных, приведенных в табл. 1.1, среди всех армирующих волокон только арамидные волокна имеют плотность, меньшую плотности углеродных волокон. Но высокопрочные углеродные волокна прочнее арамидных, а высокомодульные углеродные волокна имеют модуль упругости, близкий к модулю упругости борных волокон. Поэтому именно углеродные волокна нашли широкое применение в конструкциях, которые должны иметь ограниченный вес. Среди всех армированных пластмасс углепластики обладают наиболее высокими стойкостью к усталостным испытаниям и долговечностью. Углепластики хорошо проводят электрический ток и могут использоваться для изготовления плоских нагревательных панелей. Углепластики плохо пропускают рентгеновские лучи. Они имеют очень низкий коэффициент линейного расширения и оказываются наиболее подходящими материалами для конструирования космических аппаратов, подвергающихся значительным перепадам температур между солнечной и теневой сторонами. В то же время они хрупки и обладают низкой ударной прочностью. Поэтому во многих случаях предпочти-

Углеродные волокна можно получать из многих полимерных волокон [1] . В этой главе мы рассмотрим вопросы получения и свойства выпускаемых в промышленном масштабе волокон, в частности высококачественных углеродных волокон. В зависимости от режима термообработки углеродные волокна подразделяются на карбонизованные и графитизированные. Вследствие различия их кристаллического состояния первые называют карбоновыми или углеродными, а вторые — графитовыми.О По физическим характеристикам они подразделяются на высококачественные и низкокачественные (низкосортные) углеродные волокна. К высококачественным волокнам относятся: 1) высокопрочные углеродные (I) и высокомодульные графитовые (II) волокна, углеродные волокна с повышенной прочностью и удлинением (III) [на основе полиакрилонитрила (ПАН)] ; 2) высокомодульные графитовые волокна (IV) [на основе жидкокристаллических (мезофазных) пеков]. К низкосортным волокнам или волокнам общего назначения относятся: 1) низкографитизированные углеродные (V) и графитовые (VI) волокна и материалы (на основе ПАН); 2) низкографитизированные углеродные (VII) и графитовые (VIII) волокна и материалы (на основе обыч-

образом метод поворотного стола [50] . Удилища должны обладать определенными свойствами. Как и клюшки для игры в гольф, они должны быть легкими и, в зависимости от способа рыбной ловли и вида рыбы, иметь необходимые размеры (длину и толщину). Поэтому выпускаются самые разнообразные по размерам удилища [51 — 53] . Для этого используются различные типы волокон (высокомодульные и высокопрочные углеродные волокна, борные волокна, волокна Кевлар и другие); при этом варьируются схемы ориентации и содержание волокон, тип полимерной матрицы и метод формования. Для повышения прочности часто дополнительно ориентируют волокна под углом 90°. Как и при производстве клюшек для игры в гольф, важно обеспечивать регулярность расположения волокон в структуре материала и низкую пористость связующего. Так как удилища представляют собой тонкостенные трубки, то при снятии их с оправки могут возникнуть искривления, и поэтому необходимо совершенствовать условия формования удилищ методом поворотного стола, дополняя его методом обмотки лентами, оптимизировать условия отверждения и т. д. В табл. 3. 18 обобщены различные технологические приемы формования удилищ.

Композиционные материалы, армированные углеродными волокнами. Армированные углеродными волокнами композиционные материалы в зависимости от типа матрицы делятся на армированные пластмассы и армированные металлы. Рассмотрим их особенности на примере широко применяемых на практике углепластиков. Как следует из данных, приведенных в табл. 1.1, среди всех армирующих волокон только арамидные волокна имеют плотность, меньшую плотности углеродных волокон. Но высокопрочные углеродные волокна прочнее арамидных, а высокомодульные углеродные волокна имеют модуль упругости, близкий к модулю упругости борных волокон. Поэтому именно углеродные волокна нашли широкое применение в конструкциях, которые должны иметь ограниченный вес. Среди всех армированных пластмасс углепластики обладают наиболее высокими стойкостью к усталостным испытаниям и долговечностью. Углепластики хорошо проводят электрический ток и могут использоваться для изготовления плоских нагревательных панелей. Углепластики плохо пропускают рентгеновские лучи. Они имеют очень низкий коэффициент линейного расширения и оказываются наиболее подходящими материалами для конструирования космических аппаратов, подвергающихся значительным перепадам температур между солнечной и теневой сторонами. В то же время они хрупки и обладают низкой ударной прочностью. Поэтому во многих случаях предпочти-

Углеродные волокна можно получать из многих полимерных волокон [1] . В этой главе мы рассмотрим вопросы получения и свойства выпускаемых в промышленном масштабе волокон, в частности высококачественных углеродных волокон. В зависимости от режима термообработки углеродные волокна подразделяются на карбонизованные и графитизированные. Вследствие различия их кристаллического состояния первые называют карбоновыми или углеродными, а вторые — графитовыми. ) По физическим характеристикам они подразделяются на высококачественные и низкокачественные (низкосортные) углеродные волокна. К высококачественным волокнам относятся: 1) высокопрочные углеродные (I) и высокомодульные графитовые (II) волокна, углеродные волокна с повышенной прочностью и удлинением (III) [на основе полиакрилонитрила (ПАН)] ; 2) высокомодульные графитовые волокна (IV) [на основе жидкокристаллических (мезофазных) пеков]. К низкосортным волокнам или волокнам общего назначения относятся: 1) низкографитизированные углеродные (V) и графитовые (VI) волокна и материалы (на основе ПАН); 2) низкографитизированные углеродные (VII) и графитовые (VIII) волокна и материалы (на основе обыч-

образом метод поворотного стола [50] . Удилища должны обладать определенными свойствами. Как и клюшки для игры в гольф, они должны быть легкими и, в зависимости от способа рыбной ловли и вида рыбы, иметь необходимые размеры (длину и толщину). Поэтому выпускаются самые разнообразные по размерам удилища [51 — 53] . Для этого используются различные типы волокон (высокомодульные и высокопрочные углеродные волокна, борные волокна, волокна Кевлар и другие); при этом варьируются схемы ориентации и содержание волокон, тип полимерной матрицы и метод формования. Для повышения прочности часто дополнительно ориентируют волокна под углом 90°. Как и при производстве клюшек для игры в гольф, важно обеспечивать регулярность расположения волокон в структуре материала и низкую пористость связующего. Так как удилища представляют собой тонкостенные трубки, то при снятии их с оправки могут возникнуть искривления, и поэтому необходимо совершенствовать условия формования удилищ методом поворотного стола, дополняя его методом обмотки лентами, оптимизировать условия отверждения и т. д. В табл. 3. 18 обобщены различные технологические приемы формования удилищ.

Механические свойства (типичные) высокопрочных алюминиевых сплавов системы AI—Zn—Mg—Cu

а—скорость охлаждения при закалке может быть уменьшена, что целесообразно, так как при этом уменьшаются внутренние напряжения, наличие которых увеличивает склонность к коррозионному растрескиванию (снижает прочность при испытании в коррозионно-активных средах). Это является главным недостатком наиболее высокопрочных алюминиевых сплавов. Поэтому при закалке сплава В95 применяют не холодную, а подогретую до 80— 100°С воду.

Высокопрочные алюминиевые сплавы. Прочность этих сплавов достигает 550—650 МПа, но при меньшей пластичности, чем у дуралюми-нов. Высокопрочные алюминиевые сплавы, кроме меди и магния, содержат цинк. Представителем высокопрочных алюминиевых сплавов является сплав В95 (табл. 21) и более прочный В96.

Выбор высокопрочных алюминиевых сплавов весьма велик (некоторые из них приведены в табл. 20.1). Соотношение компонентов и режим термической обработки этих сплавов обычно выбирают с таким расчетом, чтобы склонность к КРН была минимальной. Термическая обработка с образованием твердого раствора влияет на склонность к коррозионному растрескиванию, так как изменяет состав сплава в области границ зерен и микроструктуру сплава [33]. В некоторых случаях эксплуатационные температуры, особенно превышающие комнатные значения, могут приводить к искусственному старению сплава. При этом склонность к растрескиванию может увеличиться, и в присутствии влаги или хлорида натрия произойдет преждевременное разрушение металла. Любой из описанных выше сплавов проявляет наибольшую склонность к растрескиванию в тех случаях, когда растягивающее напряжение действует по нормали к направлению прокатки. По-видимому, в этом случае в процессе участвует большая часть граничных поверхностей удлиненных зерен, вдоль •которых распространяются трещины.

Коррозионная усталость. Коррозионная среда отрицательно влияет на усталостную прочность практически всех конструкционных металлов и сплавов. Так, в речной воде, являющейся сравнительно малоагрессивной средой, усталостная прочность нержавеющих сталей снижается на 10— 30 %, углеродистых и легированных конструкционных сталей —в 1,5—2 раза, высокопрочных алюминиевых сплавов —в 2—3 раза. Особенно сильное воздействие среды наблюдается при наличии концентраторов напряжений. Как правило, при испытании в коррозионных средах не наблюдается физический предел выносливости, поэтому при большом числе циклов (108—109) нагружения несущая способность образца может оказаться очень низкой. Это заставляет значительно увеличивать запасы прочности конструкций, подвергающихся циклическим нагрузкам и работающих в коррозионной среде.

В высокопрочных алюминиевых сплавах трещины ЗР возникают часто при наличии рисок от механической обработки, малых радиусов галтельных переходов и распространяются по границам зерен (рис. 42 и 43).

Вторая стадия — стадия ускоренного развития (ускорение заметно увеличивается) соответствует следующей зоне излома, в которой тонкие усталостные микрополоски превращаются в грубые (рис. 75, в). Это относительно широкие светлые полоски,, разделенные темными полосками и расположенные на более крупных плато. Ширина грубых усталостных полосок во второй зоне в алюминиевых сплавах достигает 3,5 мкм; в высокопрочных алюминиевых сплавах (типа В95) увеличение ширины .микрополосок происходит более интенсивно, чем в сплавах сред-непрочных (Д16Т,-АК4-1). Начало второй стадии часто совпадает с изменением ориентации поверхности разрушения. При увеличении электронного микроскопа в зоне излома, соответствующей второй стадии, .помимо усталостных линий выявляются отдельные разобщенные малые участки с ямочным рельефом. Зти отдельные очаги однократного разрушения возникают у крупных частиц избыточных фаз, неметаллических включений.

Так, в первой стадии развития разрушения различие между шириной полоски и макроскоростью (или между количеством полосок и числом циклов, пошедших на их образование) для высокопрочных алюминиевых сплавов меньше, чем для сплавов средней прочности. Наблюдалось, что на расстоянии 6 мм от центра щелевого надреза при максимальном напряжении цикла ,,мн 0,1 ГН/м2, R.a = 0,2 одна микрополоска образовывалась: в сплаве В95 — за 1 цикл, в сплавах Д16Т1 и АК4-1Т1 — за 2, а в сплаве Д16Т — за 3 цикла.

В некоторых случаях на поверхности излома высокопрочных алюминиевых сплавов наблюдается блестящая зона с пятнистым строением, которая многими исследователями классифицируется как металлургический дефект — светловина. Однако, как показало фрактографическое исследование разрушившейся детали из сплава В93 (рис. 102), в этой зоне наблюдается складчатое строение излома, характерное для усталостного разрушения, и зафиксировано наличие полосок.

64. Особенности разрушения свариваемых высокопрочных алюминиевых сплавов. —• В кн.: Алюминиевые сплавы. Вып. 6. Свариваемые сплавы. М., «Металлургия», 1969, с. 116—123. Авт.: Т. А. Гордеева, Т. А. Володина, И. П. Жегина, Т. В. Алексеева.

Алюминий, цинк и их сплавы успешно используются в качестве металлизационных покрытий для защиты высокопрочных алюминиевых сплавов типа алюминий — цинк—магний от коррозии под напряжением и коррозионного растрескивания. Разрушение этих сплавов на практике случается очень редко. Напыляемые металлические покрытия толщиной 125 мкм обеспечивают полную защиту сроком более 10 лет, а также протекторную защиту в случае повреждения основного металла.