Свойства композиционных материалов

На свойства КМ значительное влияние оказывают правильное сочетание материала матрицы, форма, размер, химический состав армирующих элементов и способ получения КМ.

Для армирования КМ с металлической матрицей используют высокопрочные волокна углерода, бора, карбида кремния и вольфрама, оксидов алюминия и циркония, проволоку из стальных, вольфрамовых и молибденовых сплавов, а также нитевидные кристаллы («усы»).

Волокна углерода и бора используют обычно для армирования легких сплавов на основе алюминия и магния. Изделия из этих КМ характеризуются высокими прочностью и жесткостью и могут длительно эксплуатироваться при температурах 300…450 °С. Волокна бора с барьерным покрытием из карбида кремния могут успешно эксплуатироваться при температурах 600 °С и даже до 800 °С при соответствующем материале матрицы.

Волокна карбида кремния и вольфрама предназначены для армирования жаропрочных КМ на основе никелево-хромистых сплавов с рабочими температурами 1100…1300 °С.

Термостойкие и жаропрочные волокна из оксидов алюминия и циркония могут быть эффективными при армировании КМ, длительно работающих при температурах 1400…1600 °С.

Проволоку из стальных, вольфрамовых и молибденовых сплавов широко используют для армирования высокопрочных КМ.

Нитевидные кристаллы весьма перспективны в качестве армирующего материала для получения высокопрочных и жаропрочных КМ.

Волокна углерода имеют низкую плотность (1400…2000 кг/м³), высокий предел прочности при растяжении (до 3500 МПа), модуль упругости (до 700 000 МПа) и малый диаметр волокон (5…12 мкм).

Волокна углерода имеют относительно высокую химическую стойкость к атмосферным условиям и некоторым кислотам (серной, азотной, соляной), что определяет их долговечность при хранении, а также долговечность КМ на их основе. Термостойкость при длительной эксплуатации не превышает 400 °С. К недостаткам углеродных волокон следует отнести низкую прочность на сжатие, химическую активность при взаимодействии с расплавленными металлическими матрицами и малую смачиваемость, особенно с полимерными матрицами.

Волокна бора характеризуются низкой плотностью (2400…3000 кг/см³); прочностью при растяжении (до 3800 МПа) и модулем упругости (до 400 000 МПа). Для повышения термостойкости волокон на бор наносят тонкий слой (2…6 мкм) карбидов кремния или бора.

Волокна карбида кремния обладают плотностью 3200…3500 кг/м³, прочностью при растяжении 1700…2500 МПа, модулем упругости 450 000…480 000 МПа. Они жаростойки и жаропрочны и поэтому весьма перспективны для создания КМ на металлической основе с высокотемпературными характеристиками.

Высокая химическая стойкость к атмосферным воздействиям, практическое отсутствие реакции между материалами матрицы и волокнами и хорошая смачиваемоть позволяют использовать эти волокна без нанесения барьерных покрытий при изготовлении КМ с металлической матрицей.

Волокна из оксидов алюминия, циркония характеризуются высокими прочностью и теплостойкостью.

Металлическая проволока из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей широко используется для армирования КМ.

Нитевидные кристаллы («усы») - тонкие короткие волокна с монокристаллической структурой, диаметром до 10 мкм и длиной до 10 мм имеют прочность тем выше, чем меньше диаметр. Например, нитевидный кристалл железа диаметром 3 мкм имеет прочность при растяжении более 12 000 МПа, а при диаметре 10 мкм менее 3000 МПа.

Для создания КМ на металлической основе в качестве армирующих элементов применяют нитевидные кристаллы таких тугоплавких соединений, как карбиды кремния, бора, оксида алюминия и др.

Благодаря совершенству структуры нитевидные кристаллы имеют высокие, близкие к теоретическим прочностные характеристики. Например, нитевидные кристаллы из карбида кремния имеют плотность 3320 кг/м³, прочность при растяжении 21 000 МПа и модуль упругости 490 000 МПа.

Общие принципы выбора материалов

Качество конструкций, машин и оборудования во многом определяются правильным выбором материала для их изготовления. Материалы работают в различных условиях: при низких или высоких температурах, в агрессивных химических средах, при знакопеременных циклических нагружениях, в условиях трения и др.

Часто материалы работают в условиях одновременного воздействия перечисленных факторов. Поэтому при выборе материала в первую очередь требуется всесторонне рассмотреть условия его работы и ранжировать факторы, воздействующие на материал, по степени их влияния на надежность машины или механизма. Определяющие факторы должны быть учтены обязательно, менее определяющие - по возможности. Так, например, при выборе сталей и сплавов для газовых турбинных двигателей и сопел ракет, работающих в условиях воздействия активных газовых сред, следует рассматривать влияние на свойства материалов высоких температур, коррозионного растрескивания, питтинговой и щелевой коррозии, коррозии под напряжением, водородного охрупчивания, эрозии и общей коррозии. Однако обязательно следует учитывать влияние только первых шести факторов, а общую коррозию как менее важный фактор учитывают по возможности.

Следующим этапом выбора материала должен быть процесс определения комплекса необходимых свойств материала, обеспечивающих надежную и долговечную работу конструкций, машин и оборудования в заданных условиях эксплуатации. Так как конструкционные материалы характеризуются механическими, физико-химическими и технологическими свойствами, то рассматривать необходимо всю гамму свойств, особенно если в конструкции должны работать разные материалы.

Физико-химические свойства

Физические свойства определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. Из важных физических свойств можно выделить теплопроводность, плотность, коэффициент линейного расширения. Низкая теплопроводность уменьшает теплопритоки и придает материалу теплоизолирующие свойства, а высокая теплопроводность способствует снижению температурных градиентов в изделиях. Для летательных аппаратов большое значение имеет уменьшение массы конструкции, поэтому для них целесообразно использовать материалы с большой удельной прочностью, которая определяется отношением прочности материала к его плотности. В этом отношении более перспективны алюминиевые, магниевые и титановые сплавы, а также композиционные материалы. Применение в соединениях деталей из раличных материалов обусловливает необходимость учета их коэффициентов линейного расширения.

Под химическими свойствами понимают способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Детали любого изделия должны быть совместимы с рабочей средой. Коррозия, коррозионная усталость, коррозия под напряжением, водородное охрупчивание и т.д. могут вызвать повреждения в металле и привести к хрупкому разрушению конструкции. Для криогенных конструкций важное значение имеет влияние химического взаимодействия низкокипящих продуктов (жидкий кислород, водород и др.) со сплавами, из которых изготавливаются эти конструкции. Такие химически активные металлы, как титан и его сплавы, магниевые сплавы, алюминиевые сплавы, при ударном нагружении могут самопроизвольно загораться при контакте с жидким кислородом.

Механические свойства

Основой выбора материалов для создания надежной и работоспособной техники являются их механические свойства, в первую очередь, прочностные, которые характеризуют способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под действием различного рода нагрузок, в разных средах и при различных температурных условиях.

Расчет конструкции на прочность производят по допустимым напряжениям [s], определяемым из условий прочности при статическом нагружении или долговечности при циклическом нагружении.

При статическом нагружении допускаемое напряжение равно отношению предельного для данного материала напряжения к коэффициенту безопасности, т.е. к коэффициенту запаса прочности n. Для пластичных материалов за предельное напряжение принимают предел текучести, для квазихрупких - временное сопротивление:

или .

Значение коэффициента запаса прочности зависит от многих факторов: разброса характеристик прочности; присутствия в материале дефектов, допускаемых техническими условиями; степени схематизации расчетной процедуры и т.д.

В России за допускаемое принимается минимальное напряжение, определяемое по пределу текучести или временному сопротивлению. Такая же методика принята во многих странах. Однако в некоторых странах, например в Чехии. Словакии, Германии, Польше, для определения допускаемых напряжений расчет ведется только по пределу текучести, а в Японии - только по временному сопротивлению.

Коэффициент запаса может меняться в широких пределах в зависимости от условий работы оборудования и опыта работы с данным материалом.

По данным отечественной практики, рекомендуемые значения коэффициентов запаса для серийных материалов обычной техники составляют: n_т = 1,5 и n_в = 2,4.

Однако расчеты на прочность конструкций по номинальным напряжениям с учетом коэффициентов запаса не всегда гарантируют необходимый ресурс их работы. Это связано с тем, что назначаемые запасы прочности не учитывают ряда факторов, которые способствуют возникновению повреждений и разрушений несущих элементов конструкций и машин. К этим факторам относятся: присутствие в металле дефектов типа трещин, как исходных, так и возникающих в процессе эксплуатации; наличие микро- и макронеоднородностей металла по толщине, в зонах сварных швов и т.д.; появление локальных напряжений вследствие их концентрации, а также остаточных технологических напряжений; нестабильность эксплуатационного нагружения из-за статических и импульсных перегрузок, стационарных и нестационарных циклических нагрузок.

Пластичность характеризует способность материала к пластическому течению при повышении предела текучести, а вязкость - способность поглощать энергию внешних сил при разрушении.

У разных материалов соотношение пластичности и вязкости может очень сильно различаться. Например, алюминий имеет малую вязкость при высоком относительном удлинении. Наоборот, термообработанная (улучшенная) легированная сталь при сравнительно небольшом относительном удлинении может иметь высокую вязкость.

Пластичность и вязкость в конструкторские расчеты не входят и являются качественными показателями.

Широко принятым критерием работоспособности металлических сплавов и сварных соединений, особенно используемых при низких температурах, является ударная вязкость, определенная на образцах с надрезом.

Надежность конструкций, работающих в условиях многократного подъема и сброса давления, зависит от сопротивления материалов усталостному разрушению.

Металл установок или изделий, подвергаемых многократному нагреву или захолаживанию, испытывается на сопротивление термической усталости.

В случае длительного нагружения конструкций при высоких температурах производятся испытания ползучести и длительной прочности материала.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: