Файл: Колпашников, А. И. Армирование цветных металлов и сплавов волокнами.pdf

ции [125]. Контроль за протеканием этих реакций необ­ ходимый для контроля формы и размеров волокон уп­ рочняющей фазы, обеспечивается регулированием време­ ни кристаллизации и условий прохождения ' диффузи­ онных процессов. Практическое осуществление процес­ са. направленной кристаллизации расплавов во многом аналогично процессам получения монокристаллов и за­ ключаются либо в нормальном затвердевании, либо в зонной плавке. Нормальное затвердевание происходит в результате медленного выведения из печи с контролиру­ емой температурой расплавленной садки (лодочки). Возникает осевой тепловой поток, т. е. нормальный к плоскости сечения будущей волокнистой отливки. В про­ цессе вытягивания из печи лодочки каждое ее сечение проходит через сечение раздела между твердой и жид­ кой фазами. Матричная фаза непрерывна, волокна рас­ полагаются прерывистыми цепочками, причем геометрия волокон может быть различной, а наиболее це­ лесообразны волокна пластинчатой и стержнеоб­ разной формы [81]. Наиболее упорядоченная етруктупа получается при вертикальном вытягивании вниз [125].

Помимо направленного нормального затвердевания, волокнистые отливки из сплавов с изотермическим за­ твердеванием могут быть получены охлаждением в гра­ диентной печи.

Следует заметить, что в любых случаях концевые участки отливок имеют неупорядоченную структуру, что предопределяет большой процент отходов.

Процесс зонной плавки позволяет уменьшить степень загрязненности эвтектических сплавов, но температур­ ный градиент процесса трудно контролировать.

Волокнистые материалы можно получать направлен­ ной кристаллизацией многих систем А1 — СиАЬ,

А1—Ац2А1, LiF—NaF, А1—Si, Ag—Si, Bi—Ag и др.

В большинстве металлических композиций рассмат­ риваемого вида образуются пластинчатые волокна, осо­ бенно при большой объемной доле упрочняющей фазы. При наличии пластинчатых волокон получают материа­ лы с меньшим эффектом армирования, т. е. с умеренной долевой прочностью, но более изотропные, чем материа­ лы со стержнеобразными волокнами. Например, мате­ риал системы Та—С Г8% (по массе) С] после кристал­ лизации содержит 28% (объемн.) упрочняющей карбид­ ной фазы ТагС. Если волокна имеют форму пластин,

188

предел прочности этого материала 560 МН/м2 (56кгс/ /мм2), относительное удлинение 2%, в случае образова­ ния в этом же материале стержнеобразных волокон предел прочности его достигает 1100 МН/м2 (110 кгс/ /мм2), а относительное удлинение несколько понижается

стержнеобразных волокон объясняется малым количе­ ством дефектов в их строении.

Наиболее известным-материалом, получаемым на­ правленной кристаллизацией, является А1—Al3Ni. Этот материал после обычного литья, т. е. с хаотическим рас­ пределением упрочняющих частиц, имеет предел прочно­

(объемн.) Nb2C] составляет 350 МН/м2 (35 кгс/мм2), то после направленной кристаллизации увеличивается по­

но невысоких напряжений, но уступают им при малоцик­ ловом нагружении с высокими напряжениями.

Поведение волокнистых литейных материалов рас­ сматриваемого вида при повышенных температурах во многом напоминает поведение порошковых материалов.

В качестве примера материалов с повышенной темпе­ ратурной стойкостью можно привести Al+10%Al3Ni; Al-j-50%CuAl2 и Cu+2%Cr.

189

Рис. ПО. Схема вариантов обработки «войлока» [80]

кой роликом с одновременным растяжением (рис. 114). Этот процесс используется для получения стрингерных элементов. Радиус гиба составляет 203,2—317,5 мм [126]. С большим трудом армированные листы поддаются вы­ тяжке, неодинаковая пластичность компонентов оказы­ вается в этом случае явно заметнее, чем при гибке и вальцовке.

Глава IV

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ АРМИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ КОМПОНЕНТОВ

Существующие методы испытаний и исследований металлических сплавов могут быть использованы в пол­ ном объеме и для армированных материалов. Однако сле­ дует учесть, что свойства армированных материалов за­ висят не только от свойств компонентов, но и от ряда факторов, главными из которых являются «конструкция» материала, характер связи и взаимодействия матрицы и волокон, их расположение относительно друг друга и по отношению к направлению прикладываемой нагрузки и т. д. На свойства армированных материалов сильно влияет и принятая технология их изготовления. Поэто­ му при разработке и исследовании армированных мате­ риалов необходим комплексный учет всех перечисленных факторов.

Применяемые методы испытаний и исследований должны обеспечивать получение надежных данных о свойствах и поведении материала в целом и его компо­ нентов в отдельности, что особенно важно при оценке влияния технологических факторов. В работе [1, с. 187] отмечается необходимость ...«иметь представление об общих характеристиках армированных материалов и не забывать об ограниченности наших методов. Испытания армированных материалов сопряжены с трудностями и требуют нового подхода к этой проблеме. Настоятельно необходимо усовершенствовать методы испытаний этих материалов и осмысленно трактовать их результаты». Это замечание сделано по поводу проблемы испытаний армированных .волокнами пластиков, но оно в полной мере может быть отнесено и к металлическим армирован­ ным материалам.

194

Известно, что предел прочности и модуль упругости армированных материалов определяют по правилу смеси. При этом предполагается существование надеж­ ных связей между .компонентами и не учитывается влия­ ние технологических факторов, а также характер взаимо­ действия волокон и матрицы, что может заметно изме­ нить конечные свойства готового продукта. Исходя из этого, при «конструировании» армированных материалов задача сводится к выбору волокон и определению не­ обходимой объемной доли волокон, обеспечивающей тре­ буемое упрочнение матрицы. Испытания компонентов производят стандартными методами. Чаще всего доста­ точно испытания на растяжение, с помощью которого определяют пределы прочности и текучести, а также по­ казатели пластичности материалов матрицы и волокон. Модули упругости компонентов могут быть определены по одному из существующих методов, например по ре­ зультатам испытаний на изгиб или растяжение.

Испытания компактных армированных материалов проводят как с помощью стандартных, так и нестандарт­ ных методов. Если стандартные методы испытаний не­ обходимы в основном для определения механических свойств и получения сопоставимых данных с целью оцен­ ки эффективности армирования, то использование нестан­ дартных испытаний в основном сводится к получению данных о поведении материала или конкретной конст­ рукции из этого материала в условиях, .в той или иной степени имитирующих условия его эксплуатации. В связи

сэтим нестандартные методы испытаний в ряде случаев играют решающую роль, так как вопрос о промышлен­ ном использовании материала обычно решается в связи

сконкретной конструкцией и ее поведением при нагру­ жении. Следует отметить, что нестандартные испытания сопряжены с трудностями различного порядка, так как при их использовании необходимо учитывать влияние формы образца, характер возникающих напряжений и воздействие, которое может оказать испытательная ма­ шина на результаты испытания. Кроме того, нестандарт­ ные испытания требуют создания специализированных

испытательных машин и ■стендов, что в значительной степени затрудняет и удорожает процесс испытаний.

При испытаниях армированных материалов могуг быть использованы как разрушающие, так и неразруша­ ющие методы контроля. С помощью разрушающих ме­

195

готовок 'С помощью рентгеновского просвечивания легк<? установить отличие в состоянии, и характере расположе­ ния волокон от случаев получения листов прокаткой (рис. 115). Результаты этих испытаний послужили осно­ ванием для вывода, что метод прокатки приемлем (и на­ иболее целесообразен из-за наиболее высокой произво­ дительности) только при получения армированных лис­ тов с однонаправленными волокнами, причем располо­ жение волокон в прокатываемой заготовке должно быть параллельным осям валков стана.

При получении листов, армирующие элементы кото­ рых ориентированы различно по отношению к направле­ нию прокатки, происходит разрушение волокон, направ­ ление которых совпадает с направлением прокатки (при превышении некоторого критического, но невысокого значения степени деформации), на отдельные отрезки (или даже частицы) длиной, меньшей, чем эффективная длина волокна (ем. рис. 115,6). Это значительно снижа­ ет эффект армирования. Исключение составляют компо­ зиции, в которых волокна и матрица имеют при темпе­ ратуре прокатки сопоставимые значения показателей пластичности. Получение листов сваркой взрывам не вы­ зывает разрушения волокон независимо от характера их расположения в заготовке и от направления распрост­ ранения фронта ударной волны (см. рис. 115, в). Выше­ сказанное косвенным путем подтверждается и результа­ тами 1механических испытаний.

Из других неразрушающих методов испытаний сле­ дует отметить метод фотоупругости, позволяющий оце­ нить напряженное состояние материала изделия в про­ цессе нагружения, выявить местонахождение участков со свойствами, отклоняющимися от нормальных. Этот ме­ тод применим, например, для испытаний сосудов высо­ кого давления [1]. Определенное место занимают акус­ тический методы. Например, акустическое прозвучивание используют для контроля наличия трещин или несплошностей по границам между волокнами и матрицей.

Радиационные методы можно применять для выявле­ ния характера расположения волокон с помощью мече­ ных атомов, вводимых в состав волокна. Однако в каж ­ дом конкретном случае необходимость применения того или иного метода должна быть обоснована с учетом конкретного назначения и профиля армированного из­ делия, а также с учетом задач и характера испытаний.

197

В процессе изготовления армированных материалов могут измениться свойства компонентов, что связано с технологической схемой производства, е взаимным воз­ действием компонентов друг на друга. Поэтому три ис­ следовании армированных материалов необходимо ис­ пользовать методы, обеспечивающие выявление всех факторов, влияющих на свойства и состояние компонен­ тов, а значит и на свойства армированного материала.

Поскольку армированные материалы являются со­ ставными, качество соединения компонентов (матричных элементов можду собой и с волокнами) играет .первосте­ пенную роль и при разработке технологии производства этому вопросу должно уделяться первостепенное внима­ ние. Оценка качества соединения компонентов при раз­ работке и исследованиях более трудна для армирован­ ных материалов, чем для биметаллов, так как приходит­ ся учитывать способность к соединению элементов как однородной (матрица— матрица), так и разнородной (матрица — волокно) пар. Поэтому исследовать влияние технологических параметров на качество соединения компонентов можно лишь раздельно, но с сохранением постоянства режимов при изготовлении образцов каждой из указанных пар. Наиболее эффективны в данном 'слу­ чае испытания на сдвиг по границе контакта компонен­ тов. Эти испытания позволяют получить объективные данные о качестве соединений, так как при их проведении можно использовать одинаковую схему испытаний как для образцов пары матрица — матрица, так и пары мат­ рица — волокно.

Данные о качестве соединения можно получать и при испытаниях на растяжение образцов, конструкция ко­ торых представлена на рис. 116. Параметры образцов рассчитывают из условия равнопрочное™ сечений, рабо­ тающих на растяжение (до разрыва) и на сдвиг (до раз­ рушения). Из этого условия размеры образца (см. рис. 116,а) для испытания пары матрица — матрица должны удовлетворять выражению li^0,45 I*.

Расчетная длина контактного участка волокна и мат­ рицы (см. рис. 116,6) при испытаниях образцов пары

* 1\ — в данном случае размер сечения образца по толщине, по которому возможен разрыв при испытаниях на растяжение; I — дли­ на участка образца, на котором деформация п.ри испытаниях носит сдвиговой характер.

198