Файл: Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами..pdf

Глава II

АРМИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ВОЛОКНАМИ

1. ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Алюминиевые сплавы, вероятно, были одним из первых материа­ лов, подвергнутых армированию волокнами. Выбор алюминия и его сплавов в качестве одного из основных материалов матрицы волокнистых композиций неслучаен:

1)алюминиевые сплавы обладают широкой гаммой различных механических свойств, которые к тому же управляются с помощью термомеханических воздействий;

2)алюминий широко применяется в ряде отраслей промышлен­

ности;

3)низкая температура плавления этого металла позволяет весьма «технологично» получать соединение компонентов компо­ зиции.

Значительное количество подробных обзорных работ у нас [1,2]

ив зарубежной литературе [3, 4] по армированию алюминия позво­ ляет лишь кратко изложить основные свойства наиболее распро­ страненных волокнистых композиций на основе алюминия, обратив

были проведены, по-видимому, в сороковых годах [5]. Н. М. Бес­ коровайный и Я- Б. Фридман упрочняли силумин стальной прово­

оптимальном расположении арматуры по отношению к растягиваю­ щей нагрузке сопротивление разрушению материала повышалось на 70%, а удельный вес его увеличился всего на 15%. В работе [6] изучался композит, состоящий из АІ-матрицы (99,99% Al), арми­ рованной холоднотянутой проволокой из нержавеющей стали диа­ метром 0,15 мм с 0 „ = 297 кГІмм2. Композиции с объемными доля­ ми от 4 до 32,8% были составлены по следующей схеме.

1. Навивка проволоки на алюминиевые листы на токарном станке (расстояние между витками задавалось путем установки различной скорости поперечной подачи).

72

2.Горячее прессование заготовок в вакууме при температуре 500° С в течение 4 ч.

3.Медленное охлаждение композита до 95° С под давлением, что обеспечивало небольшое течение матрицы и тем самым снижало остаточные напряжения, возникающие в результате различия коэффициентов термического расширения компонентов компо­ зиции.

Вэтой работе изучалось изменение субструктуры матрицы в ком­ позите в процессе его деформирования. В композите с 11 об.%

волокон увеличение деформации от 4- КГ4 до 8 -10“3 мм/мм приводит к образованию в матрице ячеистой структуры и плотность дислока­ ций увеличивается более чем на порядок— от ІО7 до ІО8 1 /см2. В неармированной матрице при тех же степенях деформации также развивается ячеистая структура с той же плотностью дислокаций. Различие в получении ячеистых структур заключалось лишь в том, что чистый алюминий деформировался до заданной деформации

9,8 кГ/мм2. Проведенное исследование позволяет сделать вывод, что волокна в композите не являются барьером для задержки дислока­ ций, и, следовательно, армирование не оказывает влияния на плот­ ность и распределение дислокаций в матрице.

Исследованию композиции АМГ-6 — стальная проволока ЭП322 (іd = 0,23 мм, Стц = 285 кПммг) посвящена работа [7]. Полученные листы отжигали при температуре 150° С в течение 1 ч и прокаты­ вали вхолодную поперек волокон с обжатием 15—20%. Компози­ ционный материал имел прочность 54 кГ/мм2 при объемной доле Vf — 10 об. °о. Ползучесть композита А1 — стальная проволока SM-355 исследовалась в работе [8]. Изучалось влияние объемной доли волокна на скорость установившейся ползучести и параллель­ но — ползучесть чистого алюминия и проволоки из стали SM-355. В зависимости от объемной доли волокна скорость ползучести ме­ нялась в интервале 5 -10“4—1,2-10“7 ІІч. Скорость ползучести ком­ позита с V ; — 32,8 об.% на 3 порядка ниже, чем матрицы. Значе­ ния ее как для проволоки, так и для композита подчиняются экспо­ ненциальному закону

Форзит с сотрудниками [9] применил метод горячей прокатки для армирования алюминиевого сплава L73 и DTD-687 сеткой и волокнами из стальной нержавеющей проволоки FV 530В и STA-1. Исследовалась статическая и циклическая прочность композита, в результате было установлено, что армирование 8 об.% волокна при температуре 300° С почти в 2 раза увеличивает прочность мат­ рицы — от 5,6 до 11,6 кГ/л-ш2. При комнатной температуре она уве­ личивалась ненамного — от 40 до 51 кГ/мм2. Испытания этого ма­ териала на ползучесть при 150° С показали, что напряжение, вы-

73

Т а б л и ц а 1. Механические свойства композиции алюминиевый сплав L73—сталъ

Армирование алюминия сеткой не дает большого прироста прочно­ сти, наоборот, прочность иногда снижается, при этом резко сни­ жается и удельная прочность.

1 — армированный сплав;

2 — неармнрованный

Из анализа таблицы видно, что армирование сеткой мало изме­ няет прочность, но в 2—3 раза увеличивает долговечность материа­ ла. Изучение влияния армирования на распространение трещины в условиях знакопеременного нагружения на плоских образцах (Vf = 8 об.% проволоки) с центральным надрезом показало, что даже такое небольшое содержание волокон существенным образом снижает скорость роста трещины и увеличивает ее критическую длину (рис. 1).

Эксперименты, проведенные в работе [10] на материале силу­ мин — нержавеющая сталь, полученном методом литья, показали, что в целом армирование увеличивает сопротивление усталостному разрушению. Однако отмечается, что в области длительной устало­ сти (N )> 10s циклов) упрочняющее влияние волокон отсутствует. Эффект армирования наблюдается только в области малоцикловой усталости.

В работе [11] изучали сопротивление ударным нагрузкам, демп­ фирующие и другие механические свойства армированного материа­

74

ла, полученного в оболочке в инертной атмосфере по схеме: очистка, сборка листов в пакет, помещение пакета в стальную оболочку, прессование в оболочке, наполненной аргоном при 500° С, термиче­ ская обработка, холодная подкатка при степени деформации 2%, искусственное старение, окончательная прокатка со степенью деформации 2%. В качестве армирующего волокна была исполь­ зована сталь АМ-355 диаметром 228 мкм и ав = 330 кГІмм2. Объемную долю волокон меняли от 15 до 50 об. %. Предел прочности композиции после обработки составлял 122 кГ/мм2. При понижении температуры он повышался до 150 кГІмм2 (рис. 2). Было отмечено некоторое повышение сопротивления действию ударных нагрузок. Что же касается демпфирующих свойств, то они остались на уровне материала матрицы.

;Композиция А1—кремнеземные волокна. Высокие прочностные

16,8 кГІмм2. Самую высокую прочность показал образец алюминия, армированного на 50% по объему волокнами из плавленого алитированного кварца (сгв при 20° С — 75 кГІмм2, ов при 400° С — 40 кГІмм2). Надо заметить, что прочность сплава А1-7075 при 400° равнялась всего лишь 5 кГІмм2. Волокна Si02 имеют при комнат­ ной температуре сравнительно низкий модуль упругости, который почти не снижается с повышением температуры. Поэтому армиро­ вание этими волокнами особенно целесообразно для материалов, работающих в условиях повышенной температуры.

Модуль упругости волокон из Е-стекла (7350 кГІмм2) прак­ тически не менялся до 500° С. Такие же результаты были получены при армировании алюминиевого сплава волокнами из Е-стекла [13]. Низкий удельный вес этих волокон (2,5 г/см3) позволяет получать композиции с высокими удельными характеристиками. Сущест­ венный недостаток волокон из кварца и Е-стекла — низкая стати­ ческая усталость, т. е. снижение прочности во времени под действи­ ем влаги и С02, которые способствуют росту уже имеющихся в стек­ ле дефектов. Однако этот недостаток устраняется путем нанесения на волокно защитного слоя, который предотвращает непосредствен­ ный контакт между волокнами и способствует смачиванию и сцеп­ лению между волокнами и матрицей ■[12, 15].

Прочность композиционного материала А1—Si02 практически не менялась при выдержках в течение 150 ч при температуре 400° С (рис. 3), а наклон экспериментальных кривых при испытании на длительную прочность композиции соответствует наклону кривой, характеризующей изменение свойств волокна. Повышение объем­ ной доли упрочняющих волокон лишь повышает уровень длитель­ на прочности. Испытания при температуре 260° С показали, что серость ползучести композиции А1 — стеклянное волокно состав­ и т менее 1% от скорости ползучести матрицы [14]. Ударная вязюегь композиции явно зависит от температуры прессования: чем

75