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

объемной доли волокон, была предложена формула для расчета предела усталости композиции

меренной прочности к расчетной при объемной доле Ѵф Исследования показали возможность расчета предела усталости

композиций по результатам статических испытаний. Наряду с изу­ чением высокой прочности композиции алюминий — бор в направ­ лении волокон чрезвычайно важное значение имеет исследование так называемой поперечной прочности.

Исследования поперечной прочности композитов при растяже­ нии имеют большую значимость для установления применимости однонаправленных композиций в деталях конструкций, которые, как правило, подвергаются воздействию двухосного напряженного состояния. Систематические исследования поперечной прочности композиции А1—В начаты сравнительно недавно [17, 18, 32—35] и связаны с программой применения этих композиций в летательных аппаратах.

В последнее время [36] опубликованы результаты исследований поперечной прочности на модельном материале с плохой связью между волокном и матрицей. Этот материал получали сверлением отверстий в алюминиевом сплаве и установкой в них стальных стержней. Изучение изменения механических свойств таких ком­ позитов в зависимости от объемной доли волокон Vf и их располо­ жения в матрице показало, что снижение механических свойств композиции при изменении Vf происходит нелинейно, наиболее сложно меняется ее модуль упругости. Наиболее подробно попе­

0,14 мм—и изготовленных по различным технологиям);

3) типа матрицы (девять наиболее распространенных алюминие­ вых сплавов— 1100, 1145, 2024, 2019, 6061, 5052, 5056, 713, 528);

4)термообработки матрицы;

5)температуры испытания;

6)технологии изготовления композиции;

7)способа укладки волокон в матрице (гексагональное, квадрат­ ное);

81

VF(d = 0,105 мм), об.%

Рис. 10. Влияние объемной доли на модуль упругости [37]

Рис. 11 Влияние температуры на поперечную прочность композиции А1-6061—

борсик, Vf — 50 об.% [37]

1 — т е р м о о б р а б о т а н н ы й м а т е р и а л ; 2 — и сх о д н о е с о с т о я н и е

краев образца, что, вероятно, существенно повлияет на попереч­ ную прочность, было решено испытать серию образцов, у которых матрица на краях образца стравливалась и края представляли собой своеобразные щеточки из волокон бора.

Весьма характерно выглядели кривые деформации композиции: если матрица в композите была в исходном состоянии (нетермооб­ работанной), наблюдался низкий предел текучести, низкая проч­ ность (8,5 кГ/мм2) и сравнительно большая деформация до разру­ шения (0,25%), при термообработанной матрице пластичность па­ дала до 0,1%, а предел текучести совпадал с пределом прочности и достигал при Vf — 50 об. % 15,5 кГ/мм2. Как и для матричных сплавов, предел прочности сильно зависел от температуры (рис. И). При 315° С разница между термообработанной и нетермообработан­ ной матрицами исчезала.

Зависимость поперечной прочности композитов от объемной доли волокон была близка к расчетной, вычисленной на основании модели с отверстиями (см. рис. 12).

Анализ характера излома поперечных образцов показал, что разрушение происходит в двух направлениях: по матрице и по волокнам, с большим числом расщеплений. При наличии второго типа излома прочность композиции заметно отличается от прочности матрицы.

82

Подробное изучение факторов, влияющих на поперечную проч­ ность, показало, что, меняя вид матрицы, ее термообработку и вид волокон (толстые волокна лучше), можно добиться поперечной прочности 30 кПмм2, что в ряде случаев может расширить границы применения композитов А1—В в авиационно-космической технике.

На композиции А1-6061 -— 50 об. % В исследовалось влияние ударного нагружения на прочностные свойства материала. После ударного нагружения со скоростями от 0,7 до 2,4 см!сек композит испытывали на растяжение. Скорость ударного нагружения, вызы­ вающего разрушение композита (появление трещин), намного

в матрицу прочность композиции возрастала почти в 4 раза, т. е. от 3 до 12 кГ/мм2 (рис. 14). Наибольшая прочность, которая была достигнута в данной работе на композиции А1—А120 3, составляла 35 кГ/мм2 при Vf = 20 об. %. Однако лучшие показатели удельной прочности, жесткости и жаропрочности были получены при испыта-

83

[39]

Рис. 15. Влияние ориентации усов Al3Ni на прочность композиции А1—Al3Ni [44]

нии в интервале температур 500—550° С. Прочность композиции при температуре 500° С равнялась 30 кГ/мм2 и снижалась в основ­ ном из-за температурного разупрочнения усов. (Прочность уса при

эвтектических сплавов А1—Al3Ni выделяются сильновытянутые частички Al3Ni [42]. В системе AI—CuAl, эвтектика выпадает в виде пластин [43].

При хаотическом распределении вытянутых кристаллов, полу­ чаемых при обычной кристаллизации сплава А1—Al3Ni, материал имеет прочность 9,5 кГ/мм2 при относительном удлинении 20%. Если создать условия для однонаправленного роста усов Al3Ni, то прочность сплава повышается до 35 кГ/мм2 при относительном удлинении 2% (рис. 15). Влияние ориентации усов Al3Ni на проч­ ность материала при разрушении изучено в работе [44]. Ориента­ ция вытянутых эвтектик менялась от 0 до 90° относительно оси раз­ рушения. С увеличением разориентации прочность композиции резко падала.

Разрушение композиции А1—А13№ обычно начинается с разрыва усов Al3Ni, в результате чего образуются поры, которые при даль­

дующиеся пластины алюминия и CuÄl2 с объемным содержанием 45—50%. Изучение анизотропии свойств при испытании на изгиб показало, что максимальный прогиб происходит при расположении

84

3.МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА КОМПОЗИЦИЯХ

АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛ\В — СЕТКА XI8H9, АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ— ПРОВОЛОКА УЗ

При исследовании механических свойств композиционных мате­ риалов образцы испытывались на растяжение и на усталость.

А. Исследование механических свойств композиции алюминий — сетка Х18Н9Т

На образцах из сплава АМЦ, упрочненного 5 и 10 об.% сетки Х18Н9 (речь идет только об объемном проценте продольных воло­ кон), на машине «Пнстрон» изучалась зависимость изменения проч­ ности композиции от скорости деформирования. Исследование про­ водилось на образцах с рабочей частью 10 х 6 х 1 мм при скорос­ тях деформирования 0,02; 0,2; 2; 5; 10 и 20 см/мин. Обе композиции при скоростях деформирования свыше 2 см!мин показали резкое па­ дение прочности: от 23 (10 об.%) и 19 (5 об.%)до 6 и 7,5 кПмм2 (табл. 10).

Т а б л и ц а 10. Прочность композиции сплав АМЦ — сетка и. стали Х18Н9 при различных скоростях дефсрмирования

При переходе к высоким скоростям растяжения меняется харак­ тер разрушения композиции: при малых скоростях она разрушается

Рис. 32. Диаграммы цикличес­

кой прочности композиции алю­ миниевый сплав АМЦ — сетка из нержавеющей стали

1 — м а т е р и а л н е о т о ж ж е н н ы й ; 2 —

п о сл е о т ж и г а ; 3 — с п л а в А М Ц

ІО5 /V, цикло£

вязко со значительной остаточной деформацией, при больших ско­ ростях — хрупко. Причем зарождение хрупкого разрушения про­ исходит на поверхностях раздела между матрицей и поперечными волокнами. В этом случае поперечные волокна, точнее их поверх­ ности, являются ослабляющими композицию элементами. Проведен­

103