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

ное для сравнения исследование композиций, упрочненных только продольными волокнами, показало, что в этом случае разупрочнения материалов при высоких скоростях деформирования не наблюдалось. Снижение прочности с ростом скорости деформирования относится только к композициям с сеточной арматурой и связано со спецификой деформирования этих материалов.

Испытания на усталость композиций алюминий — сетка Х18Н9 проводились в условиях повторного растяжения на пульсаторе типа «Шенк» с частотой нагружения 2800 циклов в минуту на образцах сечением 3 X 1,5 мм (рис. 32).

Эффект армирования отчетливо просматривается при больших напряжениях, т. е. в области малоцикловой усталости. Даже не­ большая объемная доля волокна (9%) заметно повышает цикличес­ кую прочность исходной матрицы. При больших сроках службы наблюдается сходимость кривых усталости армированного и неармированного материалов, т. е. при большом числе циклов усталостная прочность определяется циклической прочностью матрицы.

Верхняя кривая на этом графике относится к композиции АМЦ — сетка Х18Н9. При увеличении прочности матрицы (прочность алю­ миния 6 кГІмм2, сплава АМЦ — 10—12 кГІмм2) усталостная проч­ ность композиции заметно увеличивалась, особенно при малых цик­ лах нагружения. Так, при ІО4 циклах она возрастала от 7 (алюминие­ вая матрица) до 14 кГ/мм2 (сплав АМЦ).

Кривая усталости композиции сплав АМЦ — Х18Н9 идет парал­ лельно кривой усталости композиции алюминий — Х18Н9 со смеще­ нием вверх на б—7 кГ/мм2. Однако для кривых всех композиций при больших сроках службы наблюдается сближение с кривой усталости материала матрицы. Таким образом, при большом количестве циклов нагружения (10“) предел усталости композита приближается к пре­ делу усталости матрицы, в то время как в области малоцикловой усталости композиционный материал имеет существенное преиму­ щество перед материалом матрицы.

На основании проведенных экспериментов по изучению механи­ ческих свойств композиций алюминиевый сплав — стальная_сетка представляет определенный интерес оценка их возможностей.

'1 ак как при получении листового композиционного материала трудно ввести в матрицу более 40 об. % сетки, материал которой не может быть в предельно упрочненном состоянии (иначе не спле­ тешь хорошей сетки), можно в первом приближении оценить пре­ дельную прочность алюминиевых сплавов, упрочненных сетками.

Если принять предел прочности матрицы равным 15 кГІмм2, предел прочности волокон около 200 кГ/мм2и объемную долю рабо­ тающих волокон 20%, прочность композита будет близка к 50 кГІ /мм2 при удельном весе 4,8 г/см3. Однако при этом композиция будет иметь сравнительно большое равномерное удлинение, высокое со­ противление разрушению, малую зависимость прочности от ориента­ ции волокон.

104

Б. Исследование прочностных свойств композиции АМГ-3 (АМЦ, САП) — углеродистая проволока

Прочностные свойства композиции алюминиевый сплав АМГ-3— углеродистая проволока (сгв = 250 кГ/мм2) определялись на об­ разцах в виде пластин размером 150 X 15 X 2 мм, которые испыты­ вались на растяжение на машине «Инстрон>> со скоростью 2 мм/мин.

Схематичный вид кривой деформации представлен на рис. 33. Пластическая деформация композиции была небольшой (2%), про­ волоки разрушались одновременно.

Из табл. 11 видно, что средняя прочность образцов достигает ПО кГ/мм2 при Vf — 40 об.%, т. е. близка к максимальной, достиг-

Т а б л и ц а П. Прочность композиции сплав АМГ-3 — углеродистая проволока

нутой при армировании алюминия. Модуль упругости равнялся 12 000 кГ/мм2 при удельном весе 4,8 г/см3.

На листовых образцах (150 х 12 X 2 мм) из композиций АМЦ — сталь, САП — сталь с объемным содержанием стальных волокон 15% исследовалось влияние надрезов на прочность этих материалов при растяжении.

Было сделано два вида надрезов: а) крайнее волокно перереза­ лось наполовину; б) волокно перерезалось полностью и надрез ос­

его прочность.

105

Испытание на растяжение композиции алюминиевый сплав — стальная проволока показало ее большие практические возмож­ ности. Хотя в наших экспериментах для упрочнения матрицы ис­ пользовалась проволока не слишком высокой прочности (250 кП /мм2), удалось получить композиции с прочностью ПО кГ/мм2. Легко подсчитать, что если прочность проволоки будет равна 500 кГІмм2 (а это вполне реально), то теоретически достижимы прочности алю­ миниевых композиций около 200 кГ/мм2. Единственным, пожалуй, препятствием здесь являются технологические трудности. Как пра­ вило, высокопрочные проволоки имеют небольшой диаметр, поэтому технологически чрезвычайно трудно сделать композит, в котором при деформировании все проволоки будут нагружены равномерно. Даже пластичная матрица не сможет до конца выправить положения. В экспериментах с высокопрочными проволоками малого диаметра

нам приходилось неоднократно наблюдать начало их разрыва при напряжениях 0,8 ав композита и даже ниже. Преодоление указан­ ных трудностей сулит получение высокопрочных алюминиевых ма­ териалов для комнатной и повышенной температур.

На образцах из сплава АМГ-3, армированного проволокой диа­ метром 1 мм из стали У8 (сха = 250 кГ/мм2), на машине МУРС-2000

106

изучалась усталостная прочность этого материала при повторном растяжении. Объемная доля волокон достигала 11,3%. Вырезанные из пластин образцы для испытания на усталость содержали в рабо­ чем сечении всего три волокна, представляя собой своеобразный «макрокомпозиционный» материал. Результаты усталостных испы­ таний этого материала представлены на рис. 34.

Ограниченный предел усталости на бае 10е циклов составлял 20 кПммг при пределе прочности композиции 42 кПммг. Сравне­ ние кривых усталости композита и сплава типа АМГ-3 показывает, что при длительном испытании наблюдается сближение усталостной прочности композита и матрицы. Характер разрушения компози­ ции в некоторых случаях выражался в нарушении связи на границе волокно — матрица с «вытягиванием» волокон (рис. 35).

Усталостные испытания композиции алюминий — сетка из стали Х18Н9Т дали аналогичные с предыдущими композициями резуль­ таты, что находится в хорошем соответствии с литературными дан­ ными; сетка, видимо, не внесла существенных изменений в процесс усталостного разрушения композита.

Приближение усталостной прочности композита к прочности матрицы при больших сроках службы, очевидно, вызвано тем, что

Рис. 35. Виды усталостного разрушения композиции АМГ-3 — сталь У8

107

при большом числе циклов до разрушения и малой деформации ком­ позиции под действием приложенного напряжения вклад волокон в циклическую прочность композиции невелик. При напряжении, близком к пределу усталости матрицы, пластическая деформация за цикл мала, на волокна передается небольшая нагрузка и они практически не работают на усталость.

Предел усталости композиции может быть выражен как

где awe и аш,„ •— соответственно предел усталости композициии мат­ рицы.

Экспериментальные данные показывают, что для увеличения циклической прочности композиций необходимо либо применение во­

риалов были изучены для практической композиции САП — сталь­ ная проволока.

4.ВЛИЯНИЕ АРМИРОВАНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА САП-1

Выбор материала САП-1 в качестве матрицы обусловлен его вы­ сокой жаропрочностью. Для длительной работы САП применяется в интервале температур 350—500° С, а максимальная рабочая темпе­ ратура составляет 550—620° С. Наибольшее значение предела проч­ ности (45—50 кГІмм2) при испытании в условиях нормальных тем­ ператур получено на прутках из САПа.

При температурах 350—500СС САПы по прочностным свойствам превосходят стареющие алюминиевые деформируемые сплавы. При­ чем если у стареющих сплавов алюминия с повышением температуры прочность падает сначала медленно, а затем резко, то у САПов это происходит более плавно.

На рис. 36 показан характер изменения механических свойств САПов и стареющих сплавов алюминия в зависимости от темпера­ туры испытания [70]. На рисунке видно, что ниже 250—300е С спла­ вы Д16Т и В95 более прочны, чем САПы, а при температурах выше 300° С наоборот. По характеристикам пластичности материалы САП уступают высокопрочным алюминиевым сплавам, однако работа раз­

ату для сплава Д16Т - 1 [71]. Вязкость разрушения Gc при растя­ жении широких образцов с центральной трещиной для материала САП также выше, чем для сплава Д16Т-1.

Важнейшей особенностью материала САП является то, что даже длительные выдержки (до 5000 ч) при температурах 500—600“ С

108