Mátrixként gyakran használnak színesfémeket - alumíniumot, magnéziumot, nikkelt vagy ezek ötvözeteit. A kompozitok szerkezete az alkalmazott töltőanyagtól függ. A következő típusú szerkezetek léteznek (1. ábra):

szemcsés (1. ábra, a);

rostos (1. ábra, b);

töltőszálak folyamatos fektetésével rétegezve (1. ábra, v);

szövet (1. ábra, G);

volumetrikus (1. ábra, d).

1. ábra. Fémmátrixú kompozit anyagok szerkezeti diagramjai:

a- szemcsés; b- rostos; v- rétegzett folyamatos szálfektetéssel;

G- szövet; d- szálak tömeges csomagolásával

V szálas kompozitok a töltőanyag keményítő. Ha a szál hosszának és átmérőjének aránya L/ d= 10 ... 10 3, akkor szálkompozitokat nevezünk diszkrét... A diszkrét szálak véletlenszerűen helyezkednek el a mátrixban, és minél nagyobb az arány L/ d, annál magasabb a keményedés mértéke. Ha L/ d→ ∞, akkor a kompozitok folytonos szálak lesznek.

Alumínium- és magnéziumszálas kompozitokhoz bórt, szénszálakat, szilícium-karbidokból, valamint tűzálló fémek és nagy szilárdságú acélok karbidjait, nitrideit és oxidjait használják. A titán és ötvözeteinek megerősítésére molibdénhuzalt, zafírszálakat, szilícium-karbidot és titán-boridot használnak. A magas hőmérsékletű nikkelszálas kompozitokhoz volfrám- vagy molibdénhuzalszálakat használnak.

A szálas kompozitok különböznek a hagyományos ötvözetektől, nagy szilárdsági jellemzőkkel, csökkentett repedési hajlamukkal és nagy fajlagos szilárdsággal rendelkeznek. Erősségüket a szálak tulajdonságai határozzák meg. A mátrix összetartja a szálakat és elosztja közöttük a feszültségeket. Ahol mechanikai tulajdonságok a szálak mentén lévő kompozitok sokkal jobbak, mint a keresztirányban.

A szálas kompozitok gyengén képlékenyek, azonban a repedés terjedésének sebessége bennük olyan kicsi, hogy a hirtelen tönkremenetelük lehetősége gyakorlatilag kizárt. Egy másik jellemzőjük az alacsony lágyulási sebesség az idő múlásával. Az ilyen kompozitok hátránya a rétegközi nyírással szembeni viszonylag csekély ellenállás, de ez az ellenállás sokkal nagyobb az ömlesztett szálcsomagolású szálas kompozitoknál.

Ellentétben a rostosokkal, a diszperziós erősítésű kompozitoknál a mátrix az alap, amely felveszi a terhelést, míg a diszpergált részecskék, amelyek töltőanyag, gátolják a diszlokációk mozgását a mátrixban. A legoptimálisabb a 10 ... 15 nm-es részecskeméret és a köztük lévő 100 ... 150 nm távolság egyenletes részecskeeloszlás mellett. Az ilyen kompozitokat szinte az összes technológiában használt fém és ötvözet, például az SAP - szinterezett alumíniumpor - alapján lehet beszerezni. Az SAP-ban a mátrix alumínium, a töltőanyag pedig apró alumínium-oxid Al 2 O 3 részecskék (6-8%). Az Al 2 O 3 tartalom növekedésével az SAP szakítószilárdsága nő és relatív nyúlása csökken.

1.2. Nem fémes mátrix kompozitok

A következő anyagokat gyakran használják mátrixként az ilyen kompozitokhoz:

polimer (epoxi, fenol-formaldehid, poliamid és egyéb gyanták),

széntartalmú,

kerámiai.

A szálak keményítőként szolgálnak:

üveg,

szén,

• organikus,

  whisker alapú (oxidok, boridok, karbidok, nitridek),

  fém drót.

A kompozitok tulajdonságai a kompozíció összetételétől, a komponensek kombinációjától és a köztük lévő kötések erősségétől függenek. A mátrix tulajdonságai határozzák meg a kompozit nyíró- és nyomószilárdságát, valamint a kifáradási kopással szembeni ellenállását. A keményítő tulajdonságait elsősorban az anyag szilárdsága és merevsége határozza meg.

A laboratóriumi munkák során megerősített üvegszálból készült profilozott termékeket vesszük figyelembe.

A szakértők azt jósolják: idővel ez az anyag a drága fémet és a rothadó fát egyaránt helyettesíti. Nincs analógja, és magasabb tulajdonságaikban és minőségeiben különbözik a hagyományos anyagoktól:

jobb fizikai és mechanikai jellemzők,

alacsony fajsúly ​​(4-szer könnyebb, mint az acél),

magas korrózió- és biológiai ellenállás,

nagy ellenállás az időjárással, az ultraibolya sugárzással és a vízi környezettel szemben,

alacsony lineáris tágulási együttható,

széles üzemi hőmérséklet tartomány -60 és +80 0 С között,

szeizmikus ellenállás - 100% -os rugalmas helyreállítás deformáció után, ellenállás a szélterheléssel szemben 300 km / h szélsebességig,

Alkalmazások: építőipar, lakás- és kommunális szolgáltatások, fogyasztási cikkek, energia, gyógyászat, vegyipar stb.

A pultrudált üvegszál a 21. század egyedülálló kompozit anyaga, élettartama legalább 50 év.

Az ilyen típusú kompozit anyagok közé tartoznak az olyan anyagok, mint az SAP (szinterezett alumíniumpor), amelyek alumínium-oxid diszpergált részecskékkel vannak megerősítve. Az alumíniumport olvadt fém permetezésével állítják elő, majd golyósmalomban oxigén jelenlétében körülbelül 1 mikronos méretűre őrlik. Az őrlés időtartamának növekedésével a por finomabbá válik, és nő az alumínium-oxid tartalma. Az SAP termékek és félkész termékek előállításának további technológiája magában foglalja a szinterezett alumínium tuskó hideg sajtolását, előszinterezését, melegsajtolását, hengerlését vagy extrudálását késztermékek formájában, amelyek további hőkezelésnek vethetők alá.

Az SAP ötvözeteket a repüléstechnikában nagy fajlagos szilárdságú és korrózióálló alkatrészek gyártására használják, amelyek 300-500 ° C-ig terjednek. Dugattyúrudak, kompresszorlapátok, tüzelőanyag-elemek és hőcserélő csövek készítésére szolgálnak.

Az alumínium és ötvözeteinek acélhuzallal történő megerősítése növeli szilárdságukat, növeli a rugalmassági modulust, a fáradtságállóságot és kiterjeszti az anyagszolgáltatás hőmérsékleti tartományát.

A rövid szálakkal történő megerősítést porkohászati ​​módszerekkel végzik, amely préselésből, majd hidroextrudálásból vagy tuskóhengerlésből áll. A váltakozó alumíniumfólia- és szálrétegekből álló szendvics típusú kompozíciók folyamatos szálakkal történő megerősítésekor hengerlést, melegsajtolást, robbantásos hegesztést és diffúziós hegesztést alkalmaznak.

Nagyon ígéretes anyag az "alumínium - berillium huzal" összetétel, amely megvalósítja a berillium erősítés magas fizikai és mechanikai tulajdonságait, és mindenekelőtt alacsony sűrűségét és nagy fajlagos merevségét. A kompozíciókat berilliumhuzallal, váltakozó rétegű berilliumhuzalból és mátrixlemezekből álló csomagok diffúziós hegesztésével állítják elő. Alumíniumötvözetekből, acél- és berilliumhuzalokkal megerősítve rakétatestrészeket és üzemanyagtartályokat készítenek.

Az "alumínium-szénszálak" összetételben az erősítés és a mátrix kis sűrűségű kombinációja lehetővé teszi nagy fajlagos szilárdságú és merevségű kompozit anyagok létrehozását. A szénszálak hátránya a törékenységük és a nagy reakcióképességük. Az "alumínium-szén" összetételt szénszálak folyékony fémmel történő impregnálásával vagy porkohászati ​​módszerekkel állítják elő. Technológiailag a legegyszerűbben megvalósítható szénszálkötegek áthúzása egy alumíniumolvadékon.

Az alumínium-szén kompozitot a modern vadászgépek üzemanyagtartályainak kialakításában használják. Az anyag nagy fajlagos szilárdsága és merevsége miatt az üzemanyagtartályok tömege a
harminc %. Ezt az anyagot repülőgép-gázturbinás hajtóművek turbinalapátjainak gyártásához is használják.

38.1. Osztályozás

A kompozit anyagok a mátrixban meghatározott módon elhelyezkedő töltőanyagokkal megerősített anyagok A töltőanyagok leggyakrabban magas atomközi kötésekkel, nagy szilárdságú és nagy modulusú anyagok, azonban rideg mátrixokkal kombinálva erősen plasztikus töltőanyagok is használhatók.

A kompozit anyagok kötőanyag-komponensei vagy mátrixai különbözőek lehetnek - polimerek, kerámiák, fémek vagy vegyesek. Ez utóbbi esetben polimatrnikai kompozit anyagokról beszélünk.

Az erősítő fázisok morfológiája szerint a kompozit anyagokat a következőkre osztják:

nulldimenziós (jelölése: 0,), vagy a mátrixban véletlenszerűen eloszló, eltérő diszperziójú részecskékkel erősítve;

egydimenziós szálas (jele: 1), vagy egyirányú folytonos vagy különálló szálakkal megerősített;

kétdimenziós réteges (jelölés: 2), vagy azonos orientációjú erősítő lamellákat vagy rétegeket tartalmaz (38.1. ábra).

A kompozit anyagok anizotrópiáját, amelyeket előre "terveztek" abból a célból, hogy a megfelelő szerkezetekben használják fel, szerkezetinek nevezzük.

Az erősítőfázisok mérete vagy az erősítőcella mérete szerint a kompozit anyagokat a következők szerint osztják fel:

szubmikrokompozitok (megerősítő cella mérete, szál vagy részecske átmérője<С 1 мкм), например, дисперсноупрочненные сплавы или волокни­стые композиционные материалы с очень тонкими волокнами:

mikrokompozitok (az erősítőcella mérete, a szálak átmérője, részecskék vagy a rétegek vastagsága ^ 1 mikron), például részecskékkel erősített anyagok, szénszálak, szilícium-karbid, bór stb., egyirányú eutektikus ötvözetek ;

makrokompozitok (az erősítőelemek átmérője vagy vastagsága -100 mikron), például réz- vagy alumíniumötvözetből készült, volfrám- vagy acélhuzallal vagy fóliával megerősített alkatrészek. A makrokompozitokat leggyakrabban a szerszámok súrlódó részei kopásállóságának növelésére használják.

38.2. Határfelületi kölcsönhatás kompozit anyagokban

38.2.1. Az alkatrészek fizikai-kémiai és termomechanikai összeférhetősége

A kémiai összetételükben és fizikai tulajdonságukban jelentősen eltérő anyagok egy anyagban való kombinációja előtérbe helyezi az összetevők termodinamikai és kinetikai kompatibilitásának problémáját a kompozit anyagok fejlesztése, gyártása és összekapcsolása során. Hermo alatt

dinamikus kompatibilitás alatt a mátrix és az erősítő töltőanyagok azon képességét értjük, hogy korlátlan ideig termodinamikai egyensúlyi állapotban legyenek a gyártási és működési hőmérsékleteken. Szinte minden mesterségesen előállított kompozit anyag termodinamikailag inkompatibilis. Kivételt csak néhány fémes rendszer képez (Cu-W, Cu-Mo, Ag-W), ahol nincs kémiai és diffúziós kölcsönhatás a fázisok között, érintkezésük korlátlan ideig.

Kinetikai kompatibilitás - a kompozit anyagok összetevőinek azon képessége, hogy bizonyos hőmérséklet-időintervallumokban metastabil egyensúlyt tartsanak fenn. A kinetikai kompatibilitás problémájának két aspektusa van: 1) fiziko-kémiai - erős kötés biztosítása a komponensek között és korlátozza az oldódási folyamatokat, a hetero- és reakció diffúziót a határfelületeken, amelyek rideg kölcsönhatási termékek képződéséhez és az anyag szilárdságának csökkenéséhez vezetnek. erősítő fázisok és a kompozit anyag egésze; 2) termomechanikus - a termikus és mechanikai eredetű belső feszültségek kedvező eloszlásának elérése és azok szintjének csökkentése; racionális kapcsolat biztosítása a mátrix deformációs keménysége és feszültséglazító képessége között, megelőzve a túlterhelést és a keményedési fázisok idő előtti tönkremenetelét.

A fémmátrixok fizikai-kémiai kompatibilitásának javítására a következő lehetőségek állnak rendelkezésre erősítő töltőanyagokkal:

I. Új típusú erősítő töltőanyagok kifejlesztése, amelyek fémmátrixokkal magas hőmérsékleten érintkeznek, például kerámiaszálak, whiskerek és diszpergált részecskék szilícium-karbidokból, titánból, cirkóniumból, bórból, alumínium-oxidokból, cirkóniumból, szilícium-nitridekből, bórból stb.

II Gátbevonatok alkalmazása erősítő töltőanyagokra, például tűzálló fémek, titán-karbidok, hafnium, bór, titán-nitridek, bór, ittrium-oxidok bevonatai szénszálakra, bórra, szilícium-karbidra. A szálakon egyes, főleg fémes záróbevonatok a szálak mátrixolvadékok általi nedvesedésének javítását szolgálják, ami különösen fontos kompozit anyagok folyadékfázisú eljárásokkal történő előállításánál. Az ilyen bevonatokat gyakran technológiainak nevezik

Nem kevésbé fontos a technológiai bevonatok felhordása során felfedezett lágyító hatás, amely a szálak stabilizálásában, sőt szilárdságának növelésében nyilvánul meg (például amikor a bórszálakat fürdőben olvadékkal történő áthúzással aluminizálják, vagy ha szénszálakat vonnak be. nikkelezett utólagos hőkezeléssel).

III. Alkalmazása olyan fémmátrixok kompozit anyagaiban, amelyek a mátrixfémnél nagyobb affinitású elemekkel ötvözik az erősítő töltőanyagot vagy felületaktív adalékokat. A határfelületek kémiai összetételének ebből adódó változása meg kell akadályozza a fázisok közötti kölcsönhatás kialakulását A mátrixötvözetek felületaktív vagy karbidképző adalékokkal történő ötvözése, valamint technológiai bevonatok szálakra történő lerakása javíthatja az erősítő nedvesíthetőségét töltőanyag fémolvadék által.

IV. A mátrix ötvözése olyan elemekkel, amelyek növelik a mátrixötvözetben lévő erősítő töltőanyag kémiai potenciálját, vagy erősítő töltőanyag hozzáadása a telítési koncentrációhoz a kompozit anyag előállításának vagy üzemeltetésének hőmérsékletén. Ez az ötvözés megakadályozza az erősítő fázis feloldódását, azaz növeli a készítmény termikus stabilitását.

V. „Természetes” eutektikus kompozíciók típusú „mesterséges” kompozit anyagok készítése a megfelelő komponens-összetétel kiválasztásával.

Vi. A komponensek érintkezésének optimális időtartamának megválasztása egy adott kompozit anyagok beszerzési folyamatában vagy a szolgáltatás körülményei között, azaz a hőmérsékleti és erőtényezők figyelembevételével. Az érintkezés időtartamának egyrészt elegendőnek kell lennie az alkatrészek közötti erős tapadó kötések kialakításához; másrészt nem vezet intenzív kémiai kölcsönhatáshoz, rideg köztes fázisok kialakulásához és a kompozit anyag szilárdságának csökkenéséhez.

A kompozit anyagokban lévő alkatrészek termomechanikai kompatibilitását a következők biztosítják:

mátrixötvözetek és töltőanyagok kiválasztása minimális rugalmassági modulusokkal, Poisson-arányokkal, hőtágulási együtthatókkal;

közbenső rétegek és bevonatok és erősítő fázisok alkalmazása, amelyek csökkentik a mátrix és a fázisok fizikai tulajdonságainak különbségeit;

átmenet az egyfajta komponenssel történő megerősítésről a polierősítésre, azaz olyan erősítőszálak, részecskék vagy rétegek egy kompozit anyagban való kombinációjára, amelyek összetételükben és fizikai tulajdonságaikban különböznek egymástól;

az alkatrészek geometriájának, a megerősítés sémájának és léptékének megváltoztatása; az erősítő fázisok morfológiája, mérete és térfogati hányada; folyamatos töltőanyag cseréje diszkrétre;

a kompozit anyag előállítási módjainak és módozatainak megválasztása, a komponensei adott szintű kötési szilárdságának biztosítása.

38.2.2. Megerősítő töltőanyagok

A fémmátrixok megerősítésére nagy szilárdságú, nagy modulusú töltőanyagokat használnak - folytonos és diszkrét fém-, nemfém- és kerámiaszálakat, rövid szálakat és részecskéket, bajuszokat (38.1. táblázat).

A szénszálak az egyik legszélesebb körben használt és legígéretesebb erősítőanyag a gyártásban. A szénszálak fontos előnye, hogy alacsony fajsúly, hővezető képessége, közel a fémekhez (R = 83,7 W / (m-K)), viszonylag alacsony költség.

A szálakat egyenes vagy csavart myofilament kötegek, szövetek vagy szalagok formájában szállítják. A szálak átmérője az alapanyag típusától függően 2-10 mikron között változik, a kötélben lévő filameitek száma száztól tízezerig terjed.

A szénszálak rendkívül vegyszerállóak a légköri viszonyokkal és ásványi savakkal szemben. A szálak hőállósága alacsony: a levegőben a hosszú távú működés hőmérséklete nem haladja meg a 300-400 ° C-ot. A fémekkel való érintkezés során a vegyszerállóság növelése érdekében titán- és cirkónium-boridokból, titán-karbidokból, cirkóniumból, szilíciumból és tűzálló fémekből álló záróbevonatot visznek fel a szál felületére.

A bórszálakat hidrogén és bór-triklorid gázkeverékből, valamint volfrámhuzalból vagy szén-monofilamentekből 1100-1200 °C hőmérsékletre melegített bór kicsapásával állítják elő. Levegőn hevítve a bórszálak 300-350 ° C-on oxidálódni kezdenek, 600-800 ° C-on pedig teljesen elveszítik erejüket. Az aktív kölcsönhatás a legtöbb fémmel (Al, Mg, Ti, Fe, Ni) 400-600 °C hőmérsékleten kezdődik. A bórszálak termikus stabilitásának növelése érdekében vékony rétegek (2-6 μm) szilícium-karbidot (SiC / B / W), bórkarbidot (B4C / B / W), bór-nitridet (BN / B / W) alkalmaznak. gázfázisú módszer.

A 100-200 mikron átmérőjű szilícium-karbid szálakat 1300 °C-on hidrogénnel 1:2:10 arányban hígított szilícium-tetraklorid és metán gőz-gáz keverékéből és volfrámhuzalból állítják elő.

vagy szurok szénszálaimat. A legjobb szálminták szilárdsága 3000-4000 MPa 1100 °C-on

Folyékony szerves szilánokból nyújtással és pirolízissel nyert, multifilameit kötelek formájában lévő mag nélküli szilícium-karbid szálak ultrafinom f) -SiC kristályokból állnak.

A fémszálakat 0,13 átmérőjű huzal formájában állítják elő; 0,25 és 0,5 mm. A nagyszilárdságú acélokból, berilliumötvözetekből készült szálak elsősorban könnyűötvözetekből és titánból készült merevítőszerszámok készítésére szolgálnak. A rénium-, titán-, oxid- és karbidfázisokkal adalékolt tűzálló fémszálakat hőálló nikkel-króm, titán és egyéb ötvözetek erősítésére használják.

A megerősítéshez használt bajusz lehet fém vagy kerámia. Az ilyen kristályok szerkezete monokristályos, átmérője általában legfeljebb 10 mikron, a hosszúság és az átmérő aránya 20-100. A whiskereket különféle módszerekkel állítják elő: bevonatból növesztés, elektrolitikus leválasztás, gőz-gáz környezetből való lerakódás, kristályosítás a gázfázistól a folyékony fázison át. gőz-folyadék-kristály mechanizmussal, pirolízis, kristályosítás telített oldatokból, whiskerizálás

38.2.3. Mátrix ötvözetek

Fémkompozit anyagokban a mátrixokat főként könnyű deformálható és önthető alumínium és magnézium ötvözetekből, valamint réz, nikkel, kobalt, cink, ón, ólom, ezüst ötvözeteiből használják; hőálló nikkel-króm, titán, cirkónium, vanádium ötvözetek; tűzálló fémek króm és nióbium ötvözetei (38 2. táblázat).

38.2.4. A kötések típusai és a határfelületek szerkezete kompozit anyagokban

A töltőanyag és a mátrixok anyagától, a kompozit anyagok határfelületei mentén történő beszerzési módszerektől és módoktól függően hatféle kötést valósítanak meg (38.3. táblázat). A fémmátrixú kompozíciók komponensei közötti legerősebb kötést a kémiai kölcsönhatás biztosítja. A kötések gyakori típusa vegyes, amelyet szilárd oldatok és intermetallikus fázisok (például folyamatos öntéssel nyert "alumínium-bórszálak") vagy szilárd oldatok, intermetallikus és oxidfázisok képviselnek (ugyanaz az összetétel, amelyet a plazmafélkész termékek sajtolásával kapnak). stb.

38.3. Módszerek kompozit anyagok előállítására

A fémkompozit anyagok gyártásának technológiáját a termékek tervezése határozza meg, különösen akkor, ha összetett formájúak, és hegesztéssel, forrasztással, ragasztással vagy szegecseléssel kötések előkészítését igénylik, és általában több átmenetet tartalmaznak.

Kompozit anyagokból alkatrészek vagy félkész termékek (lemezek, csövek, profilok) gyártásának elemi alapja leggyakrabban az úgynevezett prepreg, vagy egy réteg erősítő töltőanyaggal ellátott, mátrixötvözetekkel impregnált vagy bevont szalagok; fémmel impregnált szálkásítók vagy egyedi szálak mátrixötvözet bevonattal.

Az alkatrészeket és a félkész termékeket az eredeti prepregek összeillesztésével (tömörítésével) állítják elő impregnálással, melegsajtolással, hengerléssel vagy csomagok prepregből történő kihúzásával. Előfordul, hogy mind a prepregek, mind a kompozit anyagokból készült termékek ugyanazokkal a módszerekkel készülnek, például por- vagy öntési technológiával, különböző módokon és különböző technológiai tengelyeken.

A prepregek, félkész termékek és fémmátrixú kompozit anyagokból készült termékek előállításának módszerei öt fő csoportra oszthatók: 1) gőz-gáz fázis; 2) vegyi és elektrokémiai; 3) folyékony fázis; 4) szilárd fázis; 5) szilárd-folyékony fázis.

38.4. Fémmátrix kompozitok tulajdonságai

A fémmátrixú kompozit anyagok számos vitathatatlan előnnyel rendelkeznek a többi építőanyaggal szemben, amelyeket extrém körülmények között történő munkára terveztek. Ezek az előnyök a következők: nagy szilárdság és. merevség magas törési szilárdsággal kombinálva; nagy fajlagos szilárdság és merevség (a végső szilárdság és a rugalmassági modulus aránya a fajsúlyhoz a / y és E / y); magas fáradási határ; magas hőállóság; alacsony hősokkérzékenység, felületi hibák, nagy csillapítási tulajdonságok, elektromos és hővezető képesség, gyárthatóság a tervezés, a feldolgozás és az összeillesztés során (38 4. táblázat).

Az anyagokra vonatkozó különleges követelmények hiányában a hővezető képesség, az elektromos vezetőképesség, a hidegállóság és egyéb tulajdonságok tekintetében a kompozit anyagok működéséhez szükséges hőmérsékleti intervallumokat a következőképpen határozzák meg:<250 °С - для материалов с полимерными матрицами; >1000 ° С - kerámia mátrixú anyagokhoz; A fémmátrixú kompozit anyagok lefedik pl. a határértékeket

Egyes kompozit anyagok szilárdsági jellemzőit a 38 5. táblázat tartalmazza.

Az összekötő kompozit anyagok fő típusai manapság a csavarozás, szegecselés, ragasztás, forrasztás és hegesztés, valamint kombinálás, amely sok esetben még nem hagyta el a kísérleti szakaszt

38.5. Kompozit anyagok hegeszthetőségi problémái

Ha a hegeszthetőség alatt egy anyag azon képességét értjük, hogy olyan hegesztett kötéseket hozzon létre, amelyek tulajdonságaiban nem rosszabbak, akkor a fémmátrixú kompozit anyagokat, különösen a rostosakat, a nehezen hegeszthető anyagok közé kell sorolni. Ennek több oka is van.

I. A hegesztési és keményforrasztási módszerek közé tartozik a kompozit anyagok fémmátrixon történő összekapcsolása. Megerősítő töltőanyag hegesztett vagy keményforrasztott varratban, vagy teljesen hiányzik (például szálas vagy réteges kompozit anyagokban az erősítés irányával keresztben elhelyezkedő tompavarratoknál), vagy csökkentett térfogatú (diszperziósan edzett anyagok huzalokkal történő hegesztésekor) diszkrét erősítő fázist tartalmaz), vagy megsértették az erősítés folytonosságát és irányát (például szálas kompozíciók diffúziós hegesztése során az erősítés irányában). Következésképpen a hegesztett vagy keményforrasztott varrat egy kompozit anyagszerkezet gyengített szakasza, amelyet figyelembe kell venni a kötés tervezése és hegesztésre való előkészítése során. A szakirodalomban vannak javaslatok kompozíciós komponensek autonóm hegesztésére az erősítés folytonosságának megőrzése érdekében (például volfrámszálak nyomáshegesztése volfrám-réz összetételben), azonban a szálas kompozit anyagok autonóm tompahegesztése speciális él-előkészítést igényel, szigorúan be kell tartani a megerősítési lépést, és csak fémszálakkal megerősített anyagokhoz alkalmas. Egy másik javaslat a kritikusnál nagyobb hosszúságú átfedő szálú tompakötések elkészítése, azonban nehézségek merülnek fel a kötés mátrixanyaggal való feltöltése és a szál-mátrix határfelület mentén történő erős kötés biztosítása során.

II. Célszerű figyelembe venni a hegesztési melegítés hatását a fiziko-kémiai kölcsönhatások kialakulására egy kompozit anyagban egy olyan kötés példáján, amely akkor keletkezik, amikor egy ív megolvasztja a szálas anyagot az erősítés irányában (38.2. ábra). Ha a mátrixfém nem rendelkezik polimorfizmussal (például Al, Mg, Cu, Ni stb.), akkor a kötésben 4 fő zóna különíthető el: 1 - a mátrix visszatérő hőmérsékletére melegített zóna (a hegesztéssel analóg módon) homogén anyagok esetében ezt a szakaszt fő anyagnak nevezzük); 2 - zóna, amelyet a mátrixfém visszatérési hőmérséklete és átkristályosítása korlátoz (visszatérési zóna); 3-zóna,

korlátozza a mátrix átkristályosítási és olvadási hőmérséklete (újrakristályosodási zóna); 4 - a mátrix olvadáspontja feletti fűtési zóna (nevezzük ezt a zónát hegesztésnek). Ha a kompozit anyagban a mátrix Ti, Zr, Fe és egyéb polimorf átalakulású fémek ötvözetei, akkor a 3. zónában a mátrix teljes vagy részleges fázisú átkristályosodásával járó alzónák jelennek meg, de ebből a szempontból ez a momentum jelentéktelen.

A kompozit anyag tulajdonságainak változása a 2. zónában kezdődik, itt a visszanyerési folyamatok eltávolítják a kompozit anyag szilárd fázisú tömörítése során elért mátrix deformációs keményedést (folyadékfázisú módszerekkel előállított kompozitoknál a lágyulás nem figyelhető meg a ez a zóna).

A 3. zónában a mátrixfém átkristályosodása és szemcséinek növekedése következik be. A mátrix atomjainak diffúziós mobilitása révén lehetővé válik az interfázis kölcsönhatás továbbfejlesztése, amely a kompozit anyag előállítása során megindult, megnő a rideg rétegek vastagsága, és a kompozit anyag egészének tulajdonságai romlanak. Fúziós hegesztés
A porok vagy prepregek porral vagy permetezett mátrixszal történő szilárd fázisú tömörítésével nyert halaknál porozitás lehetséges az olvadáshatár és a szomszédos fázishatárok mentén, ami nemcsak a szilárdsági tulajdonságokat rontja, hanem a hegesztett kötés tömítettségét is.

A 4. zónában (hegesztési varrat) 3 területet lehet megkülönböztetni:

4. szakasz "a hegesztési tengely szomszédságában, ahol a fémmátrix olvadék íve alatti erős túlmelegedés és a fém olvadt állapotban való tartózkodásának leghosszabb időtartama miatt az erősítő fázis teljes feloldódása következik be;

4" szakasz, amelyet az olvadék alacsonyabb melegítési hőmérséklete és az erősítő fázis rövidebb érintkezési ideje az olvadékkal jellemez. Itt ez a fázis csak részben oldódik az olvadékban (például csökken a szálak átmérője, üregek jelennek meg az olvadékon. felületük, a vasalás egyirányúsága zavart);

4. szakasz "", ahol az erősítő fázis méreteiben észrevehető változás nem következik be, de az olvadékkal intenzív kölcsönhatás alakul ki, törékeny kölcsönhatási termékek köztes rétegei vagy szigetei képződnek, és az erősítő fázis szilárdsága csökken. Ennek eredményeként a 4-es zóna a hegesztés során a kompozit anyag maximális károsodásának zónája lesz.

III. A kompozit anyagok hegesztett kötéseiben a mátrixanyag hőtágulásának és az erősítő fázisnak a különbségei miatt további termoelasztikus feszültségek keletkeznek, amelyek különböző hibák kialakulását idézik elő: repedések, a rideg erősítő fázisok tönkremenetele a legmelegebb zónában 4 az illesztés, delamináció a fázisközi határok mentén a 3. zónában.

A kompozit anyagok hegesztett kötéseinek jó tulajdonságainak biztosítása érdekében a következőket javasoljuk.

Először is, az ismert illesztési módok közül előnyben kell részesíteni a szilárd fázisú hegesztési módszereket, amelyeknél a kisebb bevitt energia miatt a csatlakozási zónában minimálisan elérhető az alkatrészek tulajdonságainak romlása.

Másodszor, a nyomáshegesztés módját úgy kell megválasztani, hogy kizárják az erősítő alkatrész elmozdulását vagy összenyomódását.

Harmadszor, kompozit anyagok fúziós hegesztésénél olyan módszereket és módokat kell kiválasztani, amelyek biztosítják a minimális hőbevitelt a csatlakozási zónába.

Negyedszer, a fúziós hegesztést javasolni kell a kompozitok termodinamikailag kompatibilis komponensekkel, mint például réz-volfrám, réz-molibdén, ezüst-volfrám, vagy hőálló töltőanyagokkal, például szilícium-karbid szálakkal, vagy záróbevonatú töltőanyagokkal megerősített összekapcsolására. szálakként.bór bórkarbid vagy szilícium-karbid bevonattal.

Ötödször, az elektródának vagy a töltőanyagnak, illetve a fúziós hegesztéshez vagy keményforrasztáshoz használt közbenső távtartók anyagának olyan ötvöző adalékokat kell tartalmaznia, amelyek korlátozzák az erősítő komponens feloldódását és a határfelületi kölcsönhatás rideg termékeinek képződését a hegesztési folyamat és az azt követő működés során. hegesztett szerelvények.

38.5.1. Kompozit anyagok hegesztése

A szálas és laminált kompozitok leggyakrabban átfedik egymást. A födém hosszának az anyagvastagsághoz viszonyított aránya jellemzően nagyobb, mint 20. Az ilyen kötések tovább erősíthetők szegecses vagy csavaros kötésekkel. Az átlapolt kötések mellett lehetőség van tompa- és sarokhegesztett kötések kialakítására az erősítés irányában, ritkábban pedig az erősítés irányában keresztben. Az első esetben a hegesztési vagy forrasztási módszerek és módok helyes megválasztásával egyenlő erősségű kapcsolat érhető el; a második esetben a kötési szilárdság általában nem haladja meg a mátrixanyag szilárdságát.

A részecskékkel, rövid szálakkal és bordákkal megerősített kompozit anyagok hegesztése ugyanazokkal a technikákkal történik, mint a diszperziós keményedésű ötvözetek vagy por anyagok. Ebben az esetben az alapanyaghoz hegesztett kötések egyenletes szilárdsága akkor érhető el, ha a kompozit anyag folyadékfázisú technológiával készül, hőálló töltőanyagokkal megerősítve és a megfelelő hegesztési módok és hegesztőanyagok megválasztásával. Egyes esetekben az elektróda vagy a töltőanyag hasonló vagy összetételében közel állhat az alapanyaghoz.

38.5.2. Árnyékolt gázos ívhegesztés

A módszert kompozit anyagok fúziós hegesztésére használják reaktív fémek és ötvözetek (alumínium, magnézium, titán, nikkel, króm) mátrixával. A hegesztést nem fogyó elektródával végezzük argon atmoszférában vagy hélium keverékében. A hegesztés anyagokra gyakorolt ​​termikus hatásának szabályozására célszerű impulzusívet, nyomott ívet vagy háromfázisú ívet használni.

Az ízületek szilárdságának növelése érdekében ajánlatos a varratokat kompozit elektródákkal vagy töltőhuzalokkal végezni, amelyeknek az erősítő fázis térfogata 15-20%. Erősítő fázisként rövid bór-, zafír-, szilícium-nitrid- vagy szilícium-karbid-szálakat használnak.

38.5.3. Elektronsugaras hegesztés

Az eljárás előnyei az olvadt fém és az erősítő töltőanyag oxidációjának hiánya, a fém vákuumos gáztalanítása a hegesztési zónában, a magas energiakoncentráció a gerendában, ami lehetővé teszi a minimális olvadási szélességű kötések létrehozását. zóna és a hőhatás zóna. Ez utóbbi előny különösen fontos a szálas kompozitok erősítés irányú kötéseinél. A kötések speciális előkészítésével töltőanyag-távtartókkal történő hegesztés lehetséges.

38.5.4. Ellenállási ponthegesztés

Az erősítő fázis jelenléte egy kompozit anyagban csökkenti annak hő- és elektromos vezetőképességét a mátrixanyaghoz képest, és megakadályozza az öntött mag kialakulását. Kielégítő eredményeket értek el burkolati rétegekkel ellátott vékonylemez kompozit anyagok ponthegesztésénél. Különböző vastagságú lemezek vagy kompozit lemezek homogén fémlemezekkel történő hegesztésekor a hegesztési pont magjának a lemezek érintkezési síkjába kerülése és az anyag elektromos vezetőképessége közötti különbségek kiegyenlítése érdekében különböző vezetőképességű elektródákat választanak, a perifériás zóna összenyomásakor az elektródák átmérőjét és görbületi sugarát, a burkolóréteg vastagságát, további tömítéseket használnak.

A folt átlagos szilárdsága 0,5 mm vastag (50%-os száltérfogat-hányadú) egytengelyűen megerősített bór-alumínium lemezek hegesztésekor a bór fényes ekvivalens szakasz szilárdságának 90%-a. A keresztben megerősített boraluminium lemezek kötési szilárdsága nagyobb, mint az egytengelyű megerősített lemezeké.

38.5.5. Diffúziós hegesztés

Az eljárást nagy nyomáson, forrasztóanyag használata nélkül hajtják végre. Tehát az összeillesztendő boraluminium anyagokból készült alkatrészeket egy lezárt retortában 480 °C-os hőmérsékletre melegítik, legfeljebb 20 MPa nyomáson, és ilyen körülmények között tartják 30-90 percig. A boralumínium diffúziós ellenállású ponthegesztésének technológiai folyamata titánnal közel megegyezik a fúziós ponthegesztéséval. A különbség az, hogy a hegesztési módot és az elektródák alakját úgy választják meg, hogy az alumíniummátrix melegítési hőmérséklete közel legyen az olvadási hőmérséklethez, de az alatt van. Ennek eredményeként az érintkezési ponton 0,13-0,25 μm vastagságú diffúziós zóna képződik.

A diffúziós ponthegesztéssel átlapolt minták 20-120 °C hőmérsékleti tartományban történő feszültségvizsgálatkor az alapanyag mentén tönkremennek, és a szálak mentén elszakadnak. 315 ° C hőmérsékleten a minták nyírással megsemmisülnek a csomópontnál.

38.5.6. Ékpréses hegesztés

A hagyományos szerkezeti ötvözetekből készült hegyek és a kompozit anyagokból készült csövek vagy testek összekapcsolására kifejlesztettek egy módszert a különböző keménységű fémek hegesztésére, amelyet mikroklinoprésnek nevezhetünk. A befecskendezési nyomást a különböző hőtágulási együtthatójú (K. TP) anyagokból készült hőkompressziós hegesztőszerszám tüske és tartójának melegítése során fellépő hőfeszültségek okozzák. A csúcs elemeit, amelyek érintkezési felületére ékmenetet viszünk fel, kompozit anyagból készült csővel, valamint tüskével és kalitkával szereljük össze. Az összeszerelt készüléket védő környezetben 0,7-0,9 hőmérsékletre melegítik a leginkább alacsony olvadáspontú fém olvadáspontjától számítva. A szerszámtartó nagyobb CTE-vel rendelkezik, mint a tartó. A melegítés során a tüske és a tartó munkafelületei közötti távolság csökken, és a menet csúcsán lévő kiemelkedései ("ékei") benyomódnak a cső burkolati rétegeibe. A szilárd fázisú csatlakozás szilárdsága nem kisebb, mint a mátrix vagy a bevont fém szilárdsága.

38.5.7. Robbantásos hegesztés

A robbantásos hegesztést fémkompozit anyagokból készült lemezek, profilok és csövek összekapcsolására használják, amelyek fémszálakkal vagy kellően magas műanyag tulajdonságokkal rendelkező rétegekkel vannak megerősítve, hogy elkerüljék az erősítő fázis összenyomódását, valamint kompozit anyagok összekapcsolására különféle fémek és ötvözetek hullámaival. A kötések szilárdsága általában megegyezik, vagy még nagyobb is (a húzószilárdság miatt) az összeillesztendő alkatrészekben használt legkevésbé erős mátrixanyag szilárdságával. A kötések szilárdságának növelésére más anyagokból készült közbenső távtartókat használnak.

Az ízületek általában pórusoktól és repedésektől mentesek. Az átmeneti zónában az olvadt területek, különösen a különböző fémek robbanása során, eutektikus típusú fáziskeverékek.

38.6. Kompozit anyagok forrasztása

A forrasztási eljárások nagyon ígéretesek a kompozit anyagok összekapcsolására, mivel olyan hőmérsékleten végezhetők, amely nem befolyásolja az erősítő töltőanyagot, és nem okoz fázisközi kölcsönhatást.

A forrasztás a szokásos technikákkal történik, azaz forraszanyagba mártással vagy sütőben. Nagyon fontos a forrasztáshoz szükséges felület-előkészítés minőségének kérdése. A folyasztószeres forrasztott kötések érzékenyek a korrózióra, ezért a folyasztószert teljesen el kell távolítani a kötésből.

Forrasztás kemény- és lágyforraszokkal

A bór-alumínium keményforrasztására számos lehetőséget fejlesztettek ki. Az alacsony hőmérsékletű keményforrasztáshoz használt forrasztóanyagokat tesztelték. Az 55% Cd -45% Ag, 95% Cd -5% Ag, 82,5% Cd-17,5% Zn összetételű forrasztóanyagok ajánlottak a 90 ° C-nál nem magasabb hőmérsékleten működő alkatrészekhez; 95% Zn - 5% Al összetételű forrasztás - 315 ° C-ig terjedő üzemi hőmérséklethez. A forraszanyag nedvesedésének és szétterülésének javítására 50 μm vastagságú nikkelréteget visznek fel az összeillesztendő felületekre. A magas hőmérsékletű keményforrasztást alumínium-szilícium rendszer eutektikus keményforrasztási ötvözeteivel végzik 575-615 °C közötti hőmérsékleten. A forrasztási időt minimálisra kell csökkenteni a bórszálak szilárdságának romlásának veszélye miatt.

Az alumínium-szén kompozíciók egymással és alumíniumötvözetekkel való keményforrasztásának fő nehézségei az alumínium-szén forraszanyagokkal való gyenge nedvesíthetőségével kapcsolatosak. A legjobb forrasztóanyagok a 718-as ötvözet (A1-12% Si) vagy a 6061-es ötvözetből készült váltakozó fóliarétegek. A forrasztást kemencében, argon atmoszférában, 590 °C hőmérsékleten 5-10 percig végezzük. A boralumínium és a szén-alumínium titánnal való összekapcsolására alumínium-szilícium-magnézium rendszerű keményforrasztó ötvözetek használhatók. A kötési szilárdság növelése érdekében ajánlatos nikkelréteget felvinni a titán felületre.

Eutektikus diffúziós keményforrasztás. Az eljárás abból áll, hogy a második fémből vékony réteget viszünk fel a hegesztendő alkatrészek felületére, amely eutektikumot képez a mátrixfémmel. Az alumíniumötvözetekből készült mátrixokhoz Ag, Cu, Mg, Ge, Zn rétegeket használnak, amelyek eutektikus hőmérséklete alumíniummal 566, 547, 438, 424 és 382 ° C. A diffúziós folyamat eredményeként a második elem koncentrációja az érintkezési zónában fokozatosan csökken, és a vegyület olvadáspontja nő, megközelítve a mátrix olvadáspontját. Így a forrasztási kötések a punkok hőmérsékletét meghaladó hőmérsékleten működhetnek.

A boraluminium diffúziós keményforrasztásánál az összekapcsolandó részek felületeit ezüsttel és rézzel vonják be, majd összenyomják és 510-565 °C hőmérsékleten acélretortában vákuumban vagy 7 MPa nyomás alatt tartják. inert atmoszféra.

A kompozit anyagok fémmátrixból állnak(gyakrabban A1, Mg, Ni és ötvözeteik), nagy szilárdságú szálakkal (szálas anyagok) vagy finom tűzálló részecskékkel megerősítve, nem oldódik az alapfémben (diszperziós keménységű anyagok). A fémmátrix a szálakat (diszpergált részecskéket) egyetlen egésszé köti. Rost (diszpergált részecskék) plusz egy kötőanyag (mátrix), amelyek alkotják

Rizs. egy

1 - szemcsés (diszperziós keménységű) anyag (l/d-én): 2 - diszkrét szálas kompozit anyag; 3 - folyamatosan rostos kompozit anyag; 4 - szálak folyamatos lerakása; 5 - szálak kétdimenziós halmozása; 6,7 - szálak tömeges csomagolása

vagy más kompozíció kapta a nevet kompozit anyagok(196. ábra).

Szálas kompozit anyagok.

ábrán. A 196. ábra rostos kompozit anyagok megerősítésének sémáit mutatja be. A szálas töltőanyaggal (keményítővel) ellátott kompozit anyagokat az erősítő hatásmechanizmusa szerint különálló anyagokra osztják, amelyekben a szálhossz és az átmérő aránya l / d „10-tL03, folyamatos szálakkal pedig amely l / d = társ. A diszkrét szálak véletlenszerűen helyezkednek el a mátrixban. A szálak átmérője a töredékektől a több száz mikrométerig terjed. Minél nagyobb a szál hosszának és átmérőjének aránya, annál nagyobb a keményedés mértéke.

A kompozit anyag gyakran egy réteges szerkezet, amelyben minden réteget nagyszámú párhuzamos folytonos szál erősít meg. Mindegyik réteg megerősíthető folytonos szálakkal is, amelyeket egy szövetbe szőttek, amely az eredeti formája, a végső anyagnak megfelelő szélességben és hosszban. A szálakat gyakran háromdimenziós szerkezetekké fonják.

A kompozit anyagok a szakítószilárdság és a tartóssági határ magasabb értékében (50-100%-kal), a rugalmassági modulusban, a merevségi együtthatóban különböznek a hagyományos ötvözetektől (Ely)és csökken a repedésképződésre való hajlam. A kompozit anyagok használata növeli a szerkezet merevségét, miközben csökkenti a fémfogyasztást.

44. táblázat

Fém alapú kompozit anyagok mechanikai tulajdonságai

A kompozit (szálas) anyagok szilárdságát a szálak tulajdonságai határozzák meg; a mátrixnak elsősorban az erősítő elemek közötti feszültségeket kell újraosztania. Ezért a szálak szilárdságának és rugalmassági modulusának lényegesen nagyobbnak kell lennie, mint a mátrix szilárdsági és rugalmassági modulusa. A merev erősítőszálak elnyelik a terhelés során a kompozícióban fellépő feszültségeket, szilárdságot és merevséget adnak annak a szálorientáció irányában.

A bórt alumínium, magnézium és ötvözeteik keményítésére használják (kb. b = 2500 - * - 3500 MPa, E = 38h-420 GPa) és szén (st v = 1400-g-3500 MPa, E 160-450 GPa) szálak, valamint nagy szilárdságú és rugalmassági modulusú tűzálló vegyületekből (karbidok, nitridek, boridok és oxidok) készült szálak. Tehát a 100 mikron átmérőjű szilícium-karbid szálak st b = 2500- * t3500 MPa, E= 450 GPa. Rostként gyakran használnak nagy szilárdságú acélhuzalokat.

A titán és ötvözeteinek megerősítésére molibdénhuzalt, zafírszálakat, szilícium-karbidot és titán-boridot használnak.

A nikkelötvözetek hőállóságának növelése volfrám- vagy molibdénhuzallal való megerősítéssel érhető el. Fémszálakat olyan esetekben is alkalmaznak, amikor nagy hő- és elektromos vezetőképességre van szükség. A nagy szilárdságú és nagy modulusú szálas kompozit anyagok ígéretes keményítői az alumínium-oxidból és -nitridből, szilícium-karbidból és -nitridből, bór-karbidból stb., amelyek b = 15 000-28 000 MPa és E= 400 - * - 600 GPa.

asztal A 44. ábra néhány rostos kompozit tulajdonságait mutatja be.

A fém alapú kompozit anyagok nagy szilárdsággal (st b, a_x) és hőállósággal rendelkeznek, ugyanakkor alacsony képlékenyek. A kompozitokban lévő szálak azonban csökkentik a mátrixban keletkező repedések terjedési sebességét, és szinte teljesen kiküszöbölik a hirtelen

Rizs. 197. A rugalmassági modulus függése E (a)és o végső ellenállás a (b) bór-alumínium kompozit anyagban (/) mentén és keresztben (2) tengelye erősítés a bórszál térfogati tartalmából

törékeny pusztítás. Az egytengelyű szálas kompozit anyagok megkülönböztető jellemzője a mechanikai tulajdonságok anizotrópiája a szálak mentén és keresztben, valamint alacsony érzékenység a feszültségkoncentrátorokkal szemben.

ábrán. A 197 a c és a függést mutatja E bór-alumínium kompozit anyag bórszál tartalomból (/) mentén és keresztben ( 2 ) megerősítési tengely. Minél nagyobb a rostok térfogattartalma, annál nagyobb a b, a_ t és E a megerősítés tengelye mentén. Figyelembe kell azonban venni, hogy a mátrix csak akkor tudja átadni a feszültségeket a szálakra, ha erős kötés van az erősítőszál-mátrix határfelületén. A szálak érintkezésének megakadályozása érdekében a mátrixnak teljesen körül kell vennie az összes szálat, ami legalább 15-20% tartalommal érhető el.

A mátrix és a szál nem léphet kölcsönhatásba egymással (ne legyen kölcsönös diffúzió) a gyártás vagy az üzemeltetés során, mivel ez a kompozit anyag szilárdságának csökkenéséhez vezethet.

A szálas kompozit anyagok tulajdonságainak anizotrópiáját figyelembe veszik az alkatrészek tervezésénél, hogy az ellenállási mezőt a feszültségmezőkkel optimalizálják.

Az alumínium-, magnézium- és titánötvözetek megerősítése folytonos tűzálló bór-, szilícium-karbid-, titán-diborid- és alumínium-oxid-szálakkal jelentősen növeli a hőállóságot. A kompozit anyagok sajátossága az alacsony lágyulási sebesség (198. ábra, a) növekvő hőmérséklettel.

Rizs. 198. Az 50% bórszálat tartalmazó bór-alumínium kompozit anyag hosszú távú szilárdsága a titánötvözetek szilárdságához képest (a) és a nikkel kompozit anyag hosszú távú szilárdsága a csapadékban keményedő ötvözetek szilárdságához viszonyítva (b) :

/ - bór-alumínium kompozit; 2 - titánötvözet; 3 - diszperziós szilárdságú kompozit anyag; 4 - csapadékkal keményedő ötvözetek

Az egy- és kétdimenziós megerősítésű kompozitok fő hátránya a rétegközi nyírással és keresztirányú töréssel szembeni alacsony ellenállás. Az ömlesztett megerősített anyagoknak nincs ez a hátránya.

• A polimer, kerámia és egyéb mátrixokat széles körben használják.