ВУЗ:
Составители:
Рубрика:
4. УПРОЧНИТЕЛИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
Высокая температура рекристаллизации обеспечивает стальной проволоке
сохранение прочности при высокой температуре (до 500 °С), особенно из
сталей аустенитного класса.
При изготовлении КМ с алюминиевой матрицей, армированной стальной
проволокой, температура не должна превышать 550 °С во избежание активного
взаимодействия между компонентами. КМ получают сваркой, взрывом,
прокаткой в вакууме, диффузионным спеканием. Для надежного сцепления
компонентов при использовании твердофазных методов необходимо
обновление контактных поверхностей, разрушение оксидных пленок.
Более высокой жаропрочностью обладает проволока из тугоплавких
металлов (Mo, W, Та). Высокие прочностные свойства такой проволоки
сохраняются до 1200-1500 °С и поэтому ее применяют для армирования
жаропрочных матриц.
Для повышения длительной прочности на поверхность проволоки
наносят методом напыления тонкие (4-12 мкм) барьерные покрытия, например,
из карбидов титана и гафния, оксидов алюминия и гафния. Это увеличивает
рабочие температуры и срок службы жаропрочных сплавов. Недостатком
напылителя является их высокая плотность.
Малой плотностью и большой удельной прочностью обладает проволока
из бериллия. Механические свойства проволоки высоко зависят от качества ее
поверхности. Бериллиевую проволоку получают выдавливанием из литой или
порошковой заготовки, заключенной в оболочку. Лучшим материалом
оболочки является никель. После волочения оболочку с проволоки удаляют и
для улучшения поверхности проволоку подвергают электрохимическому
полированию. При волочении проволоки, предназначенной для получения КМ
в качестве оболочки используют материал матрицы, и в этом случае отпадают
операции правки и полирования. Ценным свойством сильнодеформируемой
бериллиевой проволоки является высокая температура рекристаллизации
(700 °С). Бериллиевую проволоку целесообразно применять для армирования
22
с последующим осаждением бора из газовой среды на горячей вольфрамовой
нити (d = 12 мкм). В результате взаимодействия бора с вольфрамом сердцевина
борных волокон состоит из боридов вольфрама различного состава: WB, W
2
B
5
,
WB
5
. При продолжительном нагреве сохраняется в основном WB
4
. Волокна
бора имеют ромбическую кристаллическую решетку и диаметр d = 70...200
мкм.
Прочность сердцевины значительно ниже прочности волокна в целом.
В сердцевине возникают напряжения растяжения. Это приводит к появлению
остаточных напряжений и возникновению радиальных трещин. При небольшой
плотности волокна бора обладают высокой прочностью и жесткостью. Высокая
прочность борных волокон объясняется мелкокристаллической структурой.
Большое влияние на прочность оказывает и структура их поверхности.
Поверхность имеет ячеистое строение, напоминающее по внешнему виду
початок кукурузы (см. рис. 1.3). Наличие крупных зерен на поверхности, а
также включений, трещин, пустот снижают прочность борных волокон.
При температуре выше 400 °С борные волокна окисляются, а выше 500°С
вступают в химическое взаимодействие с алюминиевой матрицей. Для
повышения жаростойкости и предохранения от взаимодействия с матрицей на
борные волокна наносят покрытия из карбида кремния, карбида и нитрида бора
толщиной 3-5 мкм.
В настоящее время наряду с чисто борными волокнами выпускают
волокна бора, оплетенные стекловолокном. Такие комбинированные волокна
обладают более высокой устойчивостью. Основной недостаток борных волокон -
высокая стоимость, которую можно снизить путем увеличения диаметра, а
также заменой вольфрамовой основы на углеродную.
Высокими прочностью, удельной прочностью и термической
стабильностью механических свойств отличаются высокомодульные
углеродные волокна. Их получают путем высокотемпературной термической
обработки в инертной среде из синтетических и органических волокон.
В зависимости от вида исходного продукта углеродные волокна могут быть в
виде нитей, жгута, тканых материалов, лент, войлока. Наиболее широко для
производства углеродных волокон используют вискозу, полиакрилнатрия
(ПАН).
При нагреве синтетическое волокно разлагается с образованием
лентообразных слоев углерода с гексагональной структурой, называемых
микрофибриллами (рис. 4.1, а-в). Группы одинаково ориентированных
микрофибрилл, разделенных узкими порами, образуют фибриллы. Поперечные
23
Цель работы: изучение различных упрочнителей.
Задание: изучить виды и свойства упрочнителей. Их возможные
композиции с различными матрицами.
Из металлических упрочнителей широко применяют стальную
проволоку, которая является наиболее дешевым и технологичным
упрочнителем. В настоящее время в основном используют проволоку из
коррозионностойких сталей аустенитного, аустенитно-мартенситного и
мартенситного классов. Высокая степень пластической деформации при
получении проволоки обуславливает большую пластичность структурных
дефектов и высокие прочностные характеристики. Например, проволока из
стали 18х15Н5АМЗ диаметром 0,16-0,3 мм. имеет
матриц, обладающих малой плотностью, т. е. на алюминиевой, титановой или
магниевой основах.
Для армирования металлических и полимерных матриц широко
используют борные волокна. Они характеризуются высокой прочностью,
твердостью, малой склонностью к разрушению при повышении температуры.
Борные волокна получают разложением хлорида и бромида бора в среде
водорода по реакции
