кр композиты

1.19 Волокнистые композиционные материалы, природа их прочности, ее зависимость от дефектности кристаллической решетки.

Волокнистые КМ.

Прочность КМ определяется следующими факторами:

- высокая прочность армирующих волокон

-жесткость

-прочность связи на границе матрица-волокно

Требования к материалу матрицы:

-химическая стойкость

-жесткость

-прочность в определенных направлениях

-стабильность св-в в определенном температурном интервале

Требования к материалу армирующей фазы:

-высокая прочность

-жесткость

-низкая плотность

-химическая стойкость

-стабильность свойств в определенном температурном интервале

Плотность КМ определяется поведением упрочнителя и матрицы в процессе деформации. Чем выше отношение модуля Юнга волокон к модулю Юнга матрицы, тем выше прочность

С ростом дефектов (их числа) прочность падает

Волокнистые композиционные материалы представляют собой матрицу, армированную наполнителем (арматурой). Роль арматуры выполняют волокна различной формы.

3,5,24 Прочность сцепления волокон с матрицей и ее роль в механизме разрушения и статистической прочности композиционных материалов

Прочность сцепления волокон с матрицей

Во время получения КМ идут 2 процесса, которые конкурируют друг с другом

- увеличение прочности связи между волокном и матрицей вследствие их взаимного растворения или химического взаимодействия

-за счёт этого же взаимодействия уменьшается плотность армирующей фазы

Совместное действие этих процессов приводит к экстремальной зависимости величины сдвиговой прочности на границе волокно-матрица => и прочность всего КМ от толщины этой зоны взаимодействия его компонентов

Прочность материала связана с наличием дефектов

1-прочность волокна

2 – прочность контакта волокно-матрица

4 Классификация композиционных материалов по матрице, виду упрочнителя, назначению

Классификация композиционных материалов по матрице:

-металлические КМ (Al, Cu, сплавы и т.д.)

-неметаллы (С)

-интерметаллиды (Ti₃Al)

-керамика(оксиды)

-полимерные КМ

По материалу армирующей фазы:

-металлы и сплавы

-органические материалы

-неметаллы

-стекло

-керамика

По назначению

-жаропрочные

-термостойкие

-ударопрочные

-со специальными свойствами (магнитные, эл-ие)

-общего вида

2 Что собой представляет композиционный материал?

Что такое композиционный материал?

Композиционный материал – материал, состоящий в объеме их 2ух или более фаз или компонентов, существенно отличающихся по химическим и физическим свойствам, форме и назначению

Между этими фазами имеется четкая граница раздела и они образуют регулярную структуру

Первая фаза - матрица или связующее. Представляет собой непрерывную среду

Вторая фаза – упрочнитель, наполнитель. Представляет собой дисперсную фазу в виде волокон, нити, сетки, ткани, стержни и т.д.

Совместная работа этих двух фаз создает эффект равносильный созданию нового материала, с новыми или улучшенными свойствами.

6 Свойства дисперсноупрочненных сплавов на примере (САП или никельсодержащих сплавов) и области их применения

Свойства дисперсно-упрочненных сплавов на примере САП

САП – спеченный алюминиевый порошок

Д о 20% может содержаться Al₂O₃, при этом предел прочности увеличивается до 450МПа

С увеличением содержания Al₂O₃ увеличивается прочность, при этом увеличивается коррозионная стойкость, износостойкость, модуль Юнга

На примере никельсодержащих сплавов

Для увеличения прочности сначала добавляем Cr, V, W. Эти элементы образуют твердый раствор изменяя электронную конфигурацию. Из-за этого уменьшалась диффузионная подвижность атомов и жаропрочность повышалась.

Потом в никелевые сплавы вводили Al, Ti, Ni, Ta эти элементы образуют интерметаллиды

-Для сплава ДУКМ Ni-Cr с дисперсной фазой из HFO₂ предел прочности 750-850 Мпа

Сплав пластичен, матрица пластична, прочная с заданной дефектной структурой; равномерная – дисперсная структура за счет армирующей фазы

Введение более прочных, чем матрица частиц – ДУКМ

Области применения ДКМ не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жидкости, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т.д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т.д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т.д.) и в других областях народного хозяйства.

https://bstudy.net/750871/tehnika/svoystva_primenenie_dispersno_uprochnennyh_kompozitov

7 Зависимость прочности вещества от степени дефектности кристаллической решетки. Прочность кристаллических и аморфных веществ сходство и различие

Зависимость прочности от степени дефектности

Теория Меткалфа

Если x <x_крит, то дефекты зоны взаимодействия не влияют на прочность армирующей фазы

Если x~x_крит, то прочность армирующей фазы зависит от дефектов зоны

Если x>x_крит, то возникает излишнее взаимодействие, рост дефектов приводит к критическому уменьшению прочности армирующей фазы

X=kt^0,5

k=Aexr[-Q/(RT)]

х – толщина диф-го слоя

t- время взаимодействия

k – константа скорости реакции

A- эмпирический коэффициент

В кристаллических веществах все частицы, располагаются в определенном порядке. В аморфных веществах этот порядок носит относительный характер

Аморфные тела их свойства не зависит от направления.

8 Получение дисперсноупрочненных композиционных материалов методами внутреннего насыщения (окисления, азотирования, карбидизации).

Получение ДУКМ методом насыщения

Пример из ЛК

Нужно взять сплав металлов, которые существенно различаются по химическому сродству (O₂, C, N₂, Si, S) при этом матричный металл не должен создавать с диффундиндирующим эл-ом в рамках заданных концентраций термодинамически устойчивых соединений. Легирующий элемент (Ti) обязан создавать устойчивые соединения (TiO), при этом (CuO) не должен синтезироваться

Диф-ая подвижность диффундирующих в металле (О2) должна быть достаточной, чтобы проводить процесс в технологически применимом интервале

Диффузионная подвижность легирующего эл-та должна быть меньше, чем у диффундирующего элемента

Метод не подходит для крупногабаритных изделий

Дисперсно-упрочненные материалы содержать работоспособность до температур равных 0,9 Т_пл

У дисперсноупрочненных материалов прочности сохраняются только до температуры равной 0,6 Т_пл

9 Требования к волокнам, матрицам композиционных материалов и их совместимости

Требования к волокнам

Требования к материалу матрицы:

-химическая стойкость

-жесткость

-прочность в определенных направлениях

-стабильность св-в в определенном температурном интервале

Требования к материалу армирующей фазы:

-высокая прочность

-жесткость

-низкая плотность

-химическая стойкость

-стабильность свойств в определенном температурном интервале

Требования к волокнистым КМ:

-равномерные расположения волокон в матрице

-минимальная деградация волокон

Совместимость:

- технологическая (близость технологических параметров)

-кинетическая (способность компонентов находиться в состоянии метастабильного равновесия, контролируемого адсорбций, скоростью диффузии и химическими р

-термодинамическая (способность компонентов находиться в состоянии равновесия неограниченное время)

10 Дисперсноупрочненные композиционные материалы. Механизмы упрочнения и природа прочности. Методы получения

ДУКМ

Введение более прочных, чем матрица дисперсно-упрочненных КМ

Механизмы упрочнения ДУКМ в обход частиц дислокациями (механизмы Орована)

- соответствует начальному этапу нагружения

2. Пере частиц дислокациям отвечает пластической деформации.

3.При промежуточных значениях внутренних напряжений наблюдается переходное состояние между двумя механизмами

Методы получения:

-Метод внутреннего насыщения

-Химическое соосаждение солей

-экструзия метод пропитки метод смешения порошков порошков

11,22,14 Распределение напряжений в дискретных волокнах, расположенных в матрице. Эффективная длина волокон и методы ее определения. Условия оптимального напряженного состояния в волокнистых композиционных материалах

Распределение напряжений в дискретных волокнах, расположенных в матрице. Критическая длина волокон и расчет.

Представьте распределение напряжений в дискретных волокнах, расположенных в матрице.

При l > l кр.- в средней части волокна достигается значение растягивающего напряжения, соответсвующего напряжению в бесконечно длинном волокне!

15 Механизмы упрочнения в ДУКМ, отличие от дисперсионнотвердеющих материалов

Механизм упрочнения ДУКМ

1.Обход частиц дислокациями (механизм Орована) – соответствует начальному этапу нагружения

2. Перерезание частиц дислокациями (Аксель и Ленел) – отвечает существенной пластической деформации

3. При промежуточных значениях внутренних напряжений наблюдается переходное состояние между жвумя механизмами

Дисперенотвердеющие КМ (ДТКМ) имеют аналогичный алгоритм упрочнения, что и ДУКМ

частицы образуются из матрицы в ходе термической обработки

ДУКМ сохраняет работоспособность до температуры равной 0,9 Т_пл, а у ДТКМ прочность сохраняется только до температуры равной 0,6 Т_пл

16 Какие структуры в ДУКМ можно получить различным распределением армирующих частиц в матрице

Структуры ДУКМ

Агрегатную структуру можно получить следующими способами:

-методы порошковой металлургии

-метод поверхностного окисления порошка

-механическое измельчение

-пропитка

-экструзия

Дисперсную структуру можно получить следующими способами

-химическое соосаждение солей

-метод внутреннего насыщения

-прокаливание

-высушивание

-термическая обработка

Формируем и спекаем, получаем размер частиц ~100нм

17,21 Зависимость механизмов разрушения от величины угла между направлением волокон и осью приложенной нагрузки

Различные механизмы разрушения КМ

Различные механизмы разрушения КМ\

• При малых материал разрушается в результате разрыва волокон от нормальных напряжений за счет течения матрицы параллельно волокнам

• При разрушения КМ идет по механизму сдвига

• При прочность КМ определяется 3 видом разрушения, исходя из нормальной прочности матрицы

Т.е. в зависимости от того под каким углом расположено волокна и нагрузка разрушения КМ идет по различным механизмам

20 Представьте основные области применения КМ

Основные области применения КМ

Транспортная инфраструктура:

-судостроение

-самолетостроение

-автомобилестроение

Строительная индустрия

Энергетика

Радиотехника

Нефтедобыча

Газодобыча

Цветная металлургия

Химия

Космическая техника

Медицина

Горная промышленность

Ракетостроение

Военная промышленность