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

386.

12. D . Cratchley, A. A. Baker. Metallurgie, 1964, 64, N 414, 153. 13. D. Cratchley. Metallurg. Rev., 1965, 10, N 37, 79.

14.Волокнистые армированные материалы. M., «Мир», 1967, 238.

15.Современные волокнистые материалы. М., «Мир», 1970, 345.

18.K. G. Kreider, M. Marciano. Trans. Met. Soc. A1ME, 1969, 245, N 6, 1279.

19.К- G. Kreider, C. R. Leverant. Advanced Fibrous Reinforced Composites North

2N 3, 254

24.M. Salkind. J. Metals, 1968, 20, N 3, 30.

31.A. A. Baker, D. M. Braddick, P. IF. Jakson. J. Mater. Sei., 1972, 7, N 7, 7'47.

32.С. T. Lynch, /. P. Kerghow, B. R. Collins. CRC Critical Review in Solid

State Sei., November, 1970, 481.

33.P. E. Chin, J. M. Lin. Mater. Res. Stand., 1969, 29.

34.J. M. Lin et al. J. Mater. Sei., 1971, 6, N 4, 344.

35.P. IF. Jackson et al. J. Mater. Sei., 1971, 6, N 5, 427.

36.В. R. Butcher. J. Mater. Sei., 1972, 7, N 8, 877.

37.К- M. Prewo, К- G. Kreicur. Metallurg. Trans., 1972, 3, N 8, 2201.

38.R. P. Reed, D. M. Schuster. J. Compos. Mater., 1970, 4, N 10, 514.

39. D. Cratchley. Powder Metallurgy Bull., 1963, N 11, 59.

40.R. L. Mehan. ASTM STP., 1968, 438, 29.

41.S. S. Brenner. J. Appl. Phys., 1962, 33, 33.

42.R. W. Hertzberg. Trans. Met. Soc., AIME, 1965, 233, 342.

43.F. D. Lemkey. Trans. Met. Soc., AIME, 1965, 233, 344.

44.T. Taxapa. Когё рэа мэтору, 1970, N 42, 52.

45.R. IV. Kraft, D. L. Albright. Trans. Met. Soc., AIME, 1961, 221, 95.

50.H. R. Killies, E. Lamotte. Tagung Verbundwerkstoffe, 1970, Konstanz, BRD,

22—23. X 1970.

51.J. Maise, R. Gremion, J. KaPPenan, G. Jouguet. The Carbon Fibres Conf.,

Febr. 1971, Paper 15.

52. A. 1F. Morris. The Carbon Fibres Conf., Febr. 1971, Paper 17.

53.B. 1F. Howiett, D. C. Minty, G. F. Old. The Carbon Fibres Conf., Febr. 1971,

Paper 14.

54.G. Blankenbursgst. J. Austral. Inst. Metals, Nov. 1969, 236.

139

Глава III

УПРОЧНЕНИЕ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ ВЫСОКОПРОЧНЫМИ ВОЛОКНАМИ

1.КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВОЛОКНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МАГНИЯ И МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Магний и магниевые сплавы — самые легкие конструкционные материалы со сравнительно высокими механическими свойствами при нормальных температурах. Изделия из магния и его сплавов способны воспринимать большие ударные нагрузки и обладают хорошей демпфирующей способностью. Однако применение магние­ вых сплавов в большинстве конструкций могло быть значительно расширено при условии повышения их удельной прочности, жаро­ прочности и модуля упругости. В связи с этим большой интерес представляют исследования по армированию магния и магниевых сплавов высокопрочными и высокомодульными волокнами.

Разработка композиционных материалов на основе магния и магниевых сплавов представляется особенно актуальной и перспек­ тивной в связи с тем обстоятельством, что в последние годы наблю­ дается значительный и устойчивый рост получения магния. Так, если в США, стране, которая является основным производителем магния в капиталистическом мире, в 1967 г. его получали около 100 тыс. т, то в 1971 и 1980 гг. эта цифра увеличится соответственно до 200 и 400 тыс. т в год, при существенном снижении его стои­ мости [1 , 2 ].

Для армирования магния и его сплавов применяется высоко­ прочная стальная и титановая проволока, волокна бора и углерода, нитевидные кристаллы карбида кремния и сапфира. Большое пре­ имущество магниевых сплавов как матрицы композиционных ма­ териалов заключается в том, что они практически не реагируют с основными классами армирующих волокон [3]. Именно это обстоя­ тельство позволяет применять для получения магниевых компо­ зиций жидкофазные технологии.

Исследования взаимодействия бора с магнием и его сплавами показали, что бор не растворяется в магнии, попытка ввести бор в магний и сплавы на его основе не привела к сплавлению этих материалов [3]. Хотя бориды магния и существуют, они обра­ зуются только при определенных условиях, а именно при вос­ становлении магнием борного ангидрида. Обнаружено четыре устой­ чивых борида магния: MgB2, MgB4, MgBe и MgB12.

141

Растворимость углерода в магнии не обнаружена [3]. Однако существует два карбида магния MgC, и Mg2 C8. Эти соединения образуются при пропускании этапа над нагретым порошком маг­ ния в течение нескольких часов. Оба карбида нестабильны и раз­ рушаются уже при 490° С.

Наиболее интересным материалом на основе магния в настоя­ щее время является композиция магний — волокна бора, которая характеризуется высокими значениями прочностных свойств. Про­ изводство композиционных материалов системы магний — бор воз­ можно в связи с пониженной химической активностью волокон бора по отношению к магниевой матрице и хорошей совмести­ мостью бора и магния. Волокна бора обладают длительной терми­ ческой стабильностью в жидком магнии и его сплавах при темпера­ турах до 750°, что позволяет применять методы пропитки и литья для получения композиционного материала [4]. Можно сказать, что магний — единственный конструкционный металл, который в жидком состоянии стабилен по отношению к борному волокну.

Волокна бора, извлеченные из композита путем растворения матрицы в ледяной уксусной кислоте, исследовались в целях опре­ деления их механических свойств и состояния поверхности. На рис. 1 приводятся данные о стабильности высокопрочного волокна бора на воздухе и в инертной атмосфере (аргон) при температу­ рах до 675° [4]. Высокая прочность волокон бора, характерная при испытании в аргоне, сохраняется и при введении их в магние­ вую матрицу, о чем, в частности, говорят результаты, приведен­

Стабильность волокон бора в магниевой матрице и отсутствие межфазового взаимодействия на границе раздела матрица — во­ локно подтверждается также и микроструктурным анализом (рис. 2 ).

Использование технологических процессов, сводящих до мини­ мума повреждение поверхности волокон и обеспечивающих проч­ ную связь между наполнителем и матрицей, является непременным условием создания высокопрочных композитов магний— бор.

Композиционные материалы на основе магния и магниевых сплавов в настоящее время получают следующими способами: горячим прессованием (диффузионная сварка); осаждением из га-

142

Рис. 1. Прочность волокон бора при испытаниях при повышенных температурах на воздухе (/) и в аргоне (//) [4]

Рис. 2. Микроструктура поперечного сечения композита магний — 25 об.%

бора, X 400 [4]

зовой фазы; пропиткой волокон жидким металлом (фасонное литье, пропитка под давлением и вакуумное всасывание); непрерывным литьем.

Изготовление композиционных материалов методом горячего прессования с использованием в качестве арматуры непрерывных волокон позволяет сводить до минимума повреждение волокон и термическое воздействие на них в процессе изготовления, тем самым повышая прочность композиции.

При горячем прессовании [4, 5] волокно (чаще всего борволокно) укладывается на барабан между слоями фольги из метал­ ла или сплава матрицы и обрызгивается специальным связующим, которое в дальнейшем выгорает, для фиксирования волокон в опре­ деленном положении. Полученный многослойный материал сни­ мают с барабана, разрезают на заготовки соответствующих разме­ ров и формы и в виде пакета с требуемым расположением волокон в слоях прессуют. Вначале прессование производится при неболь­ шом давлении, которое при достижении температуры соединения повышают до требуемой величины, после истечения заданного интервала времени давление снимают и готовое изделие из компо­ зиционного материала медленно остывает.

Фирмой GTC (США) методом горячего прессования были изго­ товлены панели размером 50 х 1 0 0 мм из композиционного мате­ риала магний — бор [4]. Волокна и прослойки фольги располага­ лись в 5 слоев, что дало возможность получить композицию с объем­ ной долей до 0,25. Производство композита осуществляется в инерт­ ной атмосфере с использованием специальной установки, которая состоит из гидравлического пресса (усилие 75 т) и камеры прессо­ вания, изготовленной из нержавеющей стали. Соединение слоев

143

композиции производилось между плитами из нержавеющей стали размером 62 X 127 мм. Плиты нагревались с помощью обычных нагревателей электросопротивления.

Композиционный материал, изготовленный этим методом, обла­ дал высокой удельной прочностью, жесткостью и высоким сопро­ тивлением циклическим нагрузкам. Образцы его были испытаны при комнатной и повышенной температурах: 200, 300, 400 и 500°

5

*

Рис. 3. Зависимость удельной прочности композиции маг- ^ & ннй — 25 об. % бора от тем-

пературы испытания [4]

(см. табл. 1). На рис. 3 показана удельная прочность компози­ ции магний — 25 об.°о бора в зависимости от температуры испы­ тания. В этом случае удельный вес композиции у = 1,96 гісм3.

В табл. 2 приведены характеристики, полученные при растяже­ нии образцов, приготовленных по оптимальному режиму прессо­ вания.

Т а б л и ц а 2. Предел прочности и модулъ упругости образцов композиции магний — 25 об.% бора при комнатной температуре

Приведенные результаты показывают, что прочность компози­ ции, получаемой методом диффузионной сварки, достаточно близка к значениям, подсчитанным по правилу аддитивности с учетом прочности волокна, извлеченного из матрицы. Следует отметить, что прочность волокон бора, извлеченных из композита, изготов­

На основании исследования различных режимов горячего прес­ сования, в процессе которых давление изменялось от 3,5 до 14 кГІмм2, а температура — от 350 до 600° С, были выбраны опти­ мальные параметры, обеспечивающие максимальную прочность композиции: давление— 7 кГ/мм2, температура — 525° С, вре­ мя — 1 ч.

144

В табл. 3 указана прочность и жесткость при комнатной тем­ пературе композиции магний — бор в зависимости от объемной доли волокна. Причем следует отметить, что параметры прессова­ ния при изготовлении этих композитов не являлись оптимальными

Средняя прочность борных волокон в этом случае достигала 248 кГІмм2\ а после изготовления композита и извлечения воло­ кон из матрицы она снизилась до 192 кГІмм.2.

Результаты, приведенные в табл. 3, показывают, что повышение давления прессования (до 14 кГ/мм2) в 2 раза выше оптимального (7 кГІмм2) приводит к повреждению волокна и тем самым к значи­ тельному снижению прочности композита по сравнению с расчет­ ной величиной, особенно композиций с малыми объемными долями

являются рекордными для магниевых сплавов; в практике до сих пор не существовало ни одного жаропрочного материала на основе магния, прочность которого при температуре 500° С былаѵбы на­ столько высокой и составляла 67% от прочности при темпера­ туре испытания 20° С.

Композиционный материал магний— бор, изготовленный го­ рячим прессованием, характеризуется отличным сцеплением между матрицей и волокном [7]. Анализ волокон, выделенных из разорван­ ных образцов, показывает, что даже после дробления отдельных волокон они остаются в композиции нагруженными и продолжают

и свойствам композиции, полученной методами порошковой ме­ таллургии, на основе порошков магния (магниевых сплавов) и

145