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

Рис 2. Зависимость прочности композиционного материала (алюминий — сталь­ ная проволока SM-355) от температуры испытания [1]

Рис. 3. Длительная прочность алюминия и алюминия, армированного волокнами из Е-стекла при различных объемных долях волокна [12]

I — алюминий; 2 — V f = 6 об.%; 3 — V f = 8 об.%; 4 — V f = 18 об. %

она выше, тем прочнее связь на границе волокно—матрица и тем меньше работа разрушения.

Композиции А1 — кремнеземные волокна наряду с высокими прочностными свойствами обладают и высокой демпфирующей спо­ собностью: у композита А1 — 50 об.% Si0.2 при сравнительно вы­ соком уровне напряжения она выше, чем у чугуна, известного как материал с высокими демпфирующими свойствами [16].

Композиция А1 — волокна бора считается наиболее перспек­ тивной для создания элементов конструкций летательных аппара­ тов. Применение композиционного материала А1—В в деталях фюзеляжа самолета позволяет снизить вес ряда конструкций на 18—60°о [17]. Армирование А1-сплава 2024 50 об.% волокон бора или борсика повышает прочность материала до 120—130 кГІмлг, модуль упругости — до 2,4-104 кГ/млг [18, 19].

Ряд подробных исследований посвящен отработке режимов по­ лучения композиций. Так, в работе [20] изучалось влияние техно­ логических режимов на качество композиции А1—В, получаемой методом диффузионной сварки. По оптимальному режиму компо­ зиции, состоящие из однонаправленных волокон бора и матрица из А1-сплава 6061, получались при давлении 3,5 кГІмм2, темпера-

действие с матрицей и делает его более устойчивым даже в распла ,< ленной матрице. Это обстоятельство открывает широкие перспЬ--1 тивы применения волокон бора, покрытых нитридом бора, в техюлогии непрерывного литья. Кроме того, в работе [19] были прів& дены исследования прочности при температуре до 500° С и пошзе-

76

Iнесколько увеличить прочность материала в поперечном направ­ лении.

Армирование алюминия волокнами бора значительно увели­ чивает длительную прочность материала [19], причем она растет пропорционально объемной доле волокон и значительно выше не

\Т а б л и ц а 2. Термическая стабильность композиции AI — борсик

77

только алюминиевых сплавов, но и сплава САП (рис. 5). Так, композиция А1-сплав— бор ( V f = 35 об.%) разрушается через 100 ч при температуре 260° и напряжении 38,5 кГІмма, в то время как образцы из металла матрицы — при 15,4 кГ/мм2 [24]. Испыта­ ния на растяжение композиции А1—В (V f = 25 об.%) при темпе­ ратурах 20 и 430° С проводились в работах [20, 25]. Максимальная прочность при комнатной температуре достигала 70, а при 430° С — 52 кГІмм2. Удлинение при этом увеличилось с 2,5 до 6%. В этой же работе изучались сопротивление ползучести и усталостная прочность композиции А1—В.

Технология получения этой композиции заключалась в следую­ щем: борные волокна диаметром 0,1 мм и проволока из А1-сплава 1100 диаметром 0,12 мм наматывались на тонкую фольгу из А1-спла- ва 2024; пакет спекали в вакууме при температуре 450° С, давлении 2,8 кГІмм2 в течение 30 мин. В результате этих операций получи­ лась композиция с 22 А; 3 об. % бора. Матрица состояла из 45 об.%

А1-2024 и 55 об.% А1-1100.

Вэтой же работе изучалась ползучесть композиции алюминия

с25 об.% В при напряжениях 20 и 40 кГІмм2 и температурах 120—

200, 260 и 315° С. При обсчете результатов исследований исполь­ зовалась математическая модель ползучести [26], предполагающая

Исследование ползучести борного волокна [27] показало, что для волокон диаметром 120 мкм при температуре 815° С /if — 0,11, Kf = 450, а при 260° С п/ = 0,12. Из этих данных следует, что по­ казатель степени п в уравнении (2.1) не зависит от напряжения и температуры. Для алюминиевой матрицы [28] пт = 0,3, Кт = 250. Подставляя значения я и К в расчетную формулу, получим, что скорость ползучести при напряжении 22 кГ/мм3 должна быть ІО"5 \Іч. Эксперименты показали, что такая скорость достигается при напряжениях а ^ 30 кГІмм2. Это довольно хорошее совпаде­ ние расчета с экспериментом указывает на правильность предло­ женной модели.

Усталостная прочность композиций А1—В и Al-сплав — В значительно больше, чем чистой матрицы, как на малой, так и на большой базе испытания (рис. 6). В работах [29, 30] изучали уста­ лостную прочность композиции на основе алюминиевых сплавов 6061 и 1100, армированных 25 об.% бора, и показали, что она находится в прямой зависимости от усталостной прочности мате­ риала матрицы (рис. 7). Аналогичные результаты были получены при испытании композиции А1—В на изгиб [31]. Композицию получали методом горячего прессования, диаметр волокон бора составлял 0,125 мм, доля волокон в композиции — 47 об.%.

78

SO

20

W

Рис 5. Длительная прочность композиции алюминий — бор [19]

/ _ А 1 -сп л ав — 41 о б .% б о р а ; 2 — а л ю м и н и й — 33 о б .% б о р а

Матрица композиционного материала, представляющая собой алюминиевый сплав (1% Mg; 0,6% Si; 0,25% Cu; 0,25% Cr), в одних случаях подвергалась термообработке (500° С, 1 ч, вода, старение 170° С, 6 ч), в других случаях оставалась необработанной. Основ­ ная часть образцов испытывалась при комнатной температуре, но небольшое количество — при 200° С, причем нагрев осуществлялся пропусканием тока.

Рис. 7. Влияние матрицы на усталостные характеристики композиции алюми­ ниевый сплав— борное волокно [31]

I — А 1-6061 — 2 5 о б .% В ; 2 — А 1 - П 0 0 — 25 о б .% В

т е р м о о б р а б о т к и ; 4 — с р а з р у ш е н и е м в о л о к о н ; с п л а в п о с л е т е р м о о б р а б о т к и ; 5 — а л ю м и ­ н и евы й с п л а в R R - 5 8

79

На рис. 8 приведены данные об усталостной прочности компо­ зиции А1—В. Для сравнения нанесена кривая усталости сплава RR-58. Анализ результатов показал, что усталостная прочность мало зависела от структурного состояния матрицы. Однако тип разрушения зависел от термообработки матрицы: при высоких напряжениях и термообработанной матрице имело место разру­ шение волокон с последующим разрушением матрицы; при низких напряжениях и нетермообработанной матрице разрушалась вна­ чале матрица, которая и определяет прочность композиции.

Рис. 9. Кривые циклической прочности композиции А1—В [31]

При повышенной температуре усталостная прочность компо­ зиции А1—В низкая — 25 кГ/мм2 (рис. 9). Создается впечатление, что при высоких напряжениях (малом числе циклов до разрушения) циклическая прочность при 200° С выше, чем при комнатной тем­ пературе. Низкая усталостная прочность композиции при повы­ шенной температуре связана с низкой усталостной прочностью ма­ трицы.

Металлографические исследования показали, что трещины в мяг­ кой матрице никогда не распространялись через волокна. Труд­ ность анализа процесса разрушения композиции в большинстве случаев не позволила утвердительно говорить о каком-либо одном механизме разрушения: как правило, имеет место проявление не­ скольких механизмов усталостного разрушения матрицы, волокна, границ между волокнами и матрицей. В работе [25] проводили испытания на усталость композиции А1 — 25 об.% В в условиях плоского изгиба с поддержанием постоянной нагрузки, при комнат­ ной температуре и температуре 260° С. В этой серии испытаний от­ ношение переменного напряжения к среднему напряжению цикла, обозначаемое индексом А, было равно 0,95. Предел усталости ком­ позита на базе N = ІО7 циклов был одинаковым при 20 и 260° С и достигал 32 кГІмм2. Предел прочности этой композиции при тех же температурах составлял 60 кГІмм2. Таким образом, у-отношение

ского изгиба равнялся 25 кГІмм2, А = 0,67. В композиции А1 —

80