Высокопрочной конструкционной

Армирование металлов высокопрочными волокнами позволяет получать материалы с чрезвычайно высокой прочностью и жесткостью. В таких материалах волокно является главным компонентом, несущим нагрузку. Матрица передает внешнюю нагрузку волокнам, связывает волокна вместе, защищает их от повреждения и воздействия внешней среды и придает материалу другие требуемые физико-химические свойства, например сопротивление окислению или коррозии, электро- и теплопроводность и т. д.

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.

Как уже отмечалось в этой главе, композиционные материалы, применяющиеся для изготовления изделий в судостроении, разделяют на две различные группы: материалы, упрочненные стекловолокном, и материалы, упрочненные высокопрочными волокнами. Рассмотрим вначале перспективы применения стеклопластиков. Они уже получили распространение в судостроении, в частности, при изготовлении прогулочных лодок. Однако затраты на их изготовление составляют небольшую и довольно изменчивую часть общих капиталовложений в судостроение, поэтому промышленность, занимающаяся разработкой материалов из стеклопластиков, непрерывно ведет поиски новых рынков сбыта своей продукции. Рост популярности стеклопластиков не вызывает сомнений. Похоже, что сокращение числа квалифицированных деревоот-делочников и ухудшение доступности дерева как строительного материала в судостроении приведут к окончательной замене дерева конкурирующими материалами, такими, как стеклопластики. Размер судов, изготовляемых из стеклопластиков, непрерывно растет (длина их достигает 60 м). Эти материалы получат большее применение для изготовления рыболовных судов, хотя, вероятно, внедрение их будет проходить медленно. Это, главным образом связано с относительно большой стоимостью материала по сравнению со сталью — его основным конкурентом.

Основное внимание уделяется композитам, армированным высокопрочными волокнами; им посвящено восемь глав книги. В остальных двух главах книги излагаются свойства композитов с дисперсными включениями. Рассмотрены как микромеханические аспекты разрушения, так и феноменологические подходы, учитывающие структуру материала косвенным образом. Большое внимание уделяется усталостному и замедленному разрушению композитов.

Большинство практически важных металлических компо- JK зиционных материалов армировано хрупкими высокопрочными волокнами, которые обладают большим разбросом прочности. Причиной такого разброса являются структурные дефекты, возникающие либо в ходе механических испытаний, либо в процессе получения волокон. Прочность таких хрупких волокон следует определять на основе большого числа испытаний, так как она имеет статистическую природу.

Для наиболее ответственных теилонагруженных деталей газотурбинных двигателей (рабочих и сопловых лопаток), а также деталей системы энергоснабжения наземных турбинных установок, характеристики которых влияют на КПД двигателя, требуется применение новых высокожаропрочных материалов на рабочие температуры 1100—1300° С. Такие материалы широко исследуются у нас в стране и за рубежом [37, 83]. К ним относятся композиционные материалы с ориентированной структурой, т. е. дисперсноупрочненные, эвтектические и армированные высокопрочными волокнами, а также системы, в которых используются кислородные и бескислородные тугоплавкие соединения, получаемые методом порошковой металлургии.

В табл. 6.3 приведены в качестве примера механические свойства композитов, армированных высокопрочными волокнами (углеродным волокном и борволокном) [6.16]. Из приведенных данных видно, что у этих материалов ударные вязкости оказываются сравнительно низкими. На рис. 6.24 показано изменение ударной вязкости в зависимости от содержания стекловолокна в различных композитах, составленных на основе термопластичных пластмасс [6.17]. Пример металлического композита приведен на рис. 6.25. Это алюминий, армированный борволокном, покрытым карбидом кремния [6.18]. Для него можно найти, как влияет на ударную вязкость направление волокна в зависимости от направления удара.

порошок, песок, частицы другого полимерного материала, часто обладающего более высокой эластичностью по сравнению с относительно хрупкой матрицей. По существу, кристаллические термопластичные материалы частично также являются композициями, состоящими из аморфной и кристаллической фаз, обладающих различными деформационными свойствами. Другим типом композитных материалов являются такие, которые состоят из полимерной матрицы, армированной высокопрочными волокнами, часто стеклянными, а также борными, углеродными, металлическими и другими или тканями из указанных волокон. Еще одним типом композиционных материалов являются согласно делению, приведенному в работах [52, 90], композиции со скелетной или взаимопроникающей структурой. Здесь обе фазы непрерывны в определенных областях и поэтому не могут быть разделены на матрицу и наполнитель.

Представляют практический интерес металлические материалы, являющиеся композицией из сравнительно мягкой матрицы, армированной высокопрочными волокнами. При этом матрица обладает высокими пластическими свойствами, в силу чего она менее чувствительна к концентрациям напряжений. В последние годы были проведены многочисленные исследования композиционных материалов. Одно из таких исследований было посвящено титану, армированному молибденовыми волокнами [83]. Известно, что у молибдена длительная прочность во много раз больше, чем у титана. Свойства материалов можно изменять в широких пределах, изменяя долю матрицы в композиционном материале. При этом можно добиться необходимого эффекта, не меньшего, чем при легировании и термической обработке [50]. Во многих отраслях техники композиционные материалы находят широкое применение.

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы * (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле {дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно {дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту

Шестерни из пластмасс обладают способностью к самосмазыванию, имеют высокие химическую стойкость и ударную вязкость, являются низкошумными и т. д. Но по сравнению со стальными шестернями они выдерживают меньшие силовые нагрузки. Вследствие этого пластмассовые шестерни используются главным образом в редукторах различных контрольно-измерительных приборов. Однако если армировать пластмассовые шестерни высокопрочными волокнами, то можно повысить их стойкость к силовым воздействиям. Одной из основных прочностных характеристик шестерен является прочность зубьев при статическом изгибе. Для того чтобы выяснить эффективность армирования волокнами зуба шестерни, к которому приложена изгибающая нагрузка, прежде всего необходимо рассчитать распределение напряжений в изотропном зубе шестерни под действием изгибающей нагрузки. На рис. 5.23 показана модель зуба шестерни (модуль т = 5, число зубьев z = 30, угол приложения нагрузки а = 20°), использованная для расчета распределения напряжений [12] . Как показано на рисунке, в точках F и F' пересекаются центральная линия трохоиды, описанной относительно центра закругления зуба, и основная огибающая зуба. Введем систему координат OXY с центром в точке пересечения линии FF' и осевой линии зуба шестерни. Нагрузка Р действует перпендикулярно к поверхности зуба у его края. При анализе напряжений в зубе шестерни предполагают плоское деформированное состояние и используют метод конечных элементов. На рис. 5.24 показано распределение главных напряжений внутри зуба шестерни, изготовленной из неармированной эпоксидной смолы. К краю этого зуба приложена нагрузка 9,8 Н/мм. Видно, что значительные напряжения возникают только вблизи поверхности зуба шестерни. Следовательно, если армировать волокнами поверхностный слой зуба, то можно ожидать повышения его прочности при изгибе.

Табл. 1.—Предел прочности высокопрочной конструкционной легированной стали

Табл. 2. — Химич. состав наиболее широко применяемой высокопрочной конструкционной

Табл. 3. — Механич. свойства наиболее широко применяемой высокопрочной конструкционной стали

прочности (кг/лгл!2) сварных швов из высокопрочной конструкционной стали

Табл. 9.— Шкала прочности по твердости для высокопрочной конструкционной стали

высокопрочной конструкционной стали (а&>180

Способность металлов поддаваться обработке резанием приобретает особенно большое значение в связи с широким распространением высокопрочной конструкционной легированной стали в машиностроении.

Болты из высокопрочной конструкционной стали условно подразделяют на высокопрочные и сверхвысокопрочные.

Особенность сплавов этого типа, отличающая их от высокопрочной конструкционной стали, состоит в том, что при высокой прочности сохраняются пластичность, малая чувствительность к трещине, особенно при статических нагрузках, и очень высокие характеристики по Ирвину: при аь ^ 1,9 — 2,06 Гн/м2 (200 — 210 кГ/мм2) ф ~ 50%, ak ^ 490 кн-м/м2 (5 кГ-м/см2) [267, 300, 301]. Прочность можно довести до 2,7 Гн/м2 (280 кГ/мм2) при •ф = 40% и даже до 3,4 Гн/м2 (350 кГ/мм2), но с потерей пластичности.

Для получения высокопрочной конструкционной керамики необходимы следующие условия:

Таб.т. 2. — Хпмич. состав наиболее широко применяемой высокопрочной конструкционной