8. Отримання волокон та вусів

8.1. Загальні відомості

Серед виробів, які виготовляються методами порошкової металургії, особливе місце посідають композиційні порошкові матеріали. Вони складаються з двох або більше компонентів, які відрізняються за хімічним складом. У структурі композиційних матеріалів такі компоненти (складові) розділені видимою межею. Властивості композиційних матеріалів значною мірою відрізняються від властивостей їх складових і залежать від них. Їх особливість полягає в тому, що вони однорідні в макромасштабі і неоднорідні в мікромасштабі. Здебільшого вони мають наперед задані склад, властивості та розподіл складових у їх об’ємі.

Застосування композиційних матеріалів для виготовлення відповідальних деталей машин та механізмів дозволяє значно знизити їх матеріаломісткість , підвищити міцнісні та експлуатаційні характеристики. Це зумовлено тим, що композиційні матеріали мають високі міцність, жорсткість, підвищену опірність до втомного руйнування, малу чутливість до концентраторів напруг. Крім того, композиційні матеріали мають високі зносостійкість та ряд інших властивостей, які роблять їх ефективними в застосуванні в різних галузях техніки, особливо спеціального призначення. Тому до них разом із загальними вимогами ставляться ряд спеціальних:

1. високі міцнісні властивості за відносно низької густини;

2. висока пластичність за малого відносного подовження під час розтягування;

3. підвищена опірність динамічним і термічним навантаженням;

4) можливість регулювання властивостей в широких межах зміною їх структури.

Застосування таких композиційних матеріалів, що відповідають цим вимогам, для виготовлення відповідальних деталей машин і механізмів дозволяє значно понизити їх матеріаломісткість, підвищити міцність і експлуатаційні характеристики.

Зазвичай композиційні матеріали складаються з безперервної матриці і дискретного , рівномірно розподіленого в об'ємі композиції компонента, який називається армувальним , або зміцнювачем.

Композиційні матеріали класифікують за структурою матеріалу матриці, типом армувальних компонентів та їх орієнтації. За структурою їх класифікують на такі: 1) волоконні та шаруваті; 2) дисперснозміцнені;

3) евтектичні.

Волоконні композиційні матеріали. Ці матеріали складаються з матриці, у якій рівномірно розподілені одновимірні компоненти у формі волокон, ниткоподібних кристалів, «вусів» тощо.

Міцнісні властивості таких композиційних матеріалів залежать від властивостей матриці і волокон, а також від їх кількісного співвідношення. За рівномірного розподілу волокон у матриці, їх однорідності, орієнтації в одному напрямі та неможливісті проковзування між волокнами і матрицею осьове навантаження, прикладене до матеріалу, пов’язане з напруженням співвідношенням

,

де F — площа поперечного перетину зразка.

Якщо поверхня руйнування плоска, то руйнівне навантаження Р_max пов'язане з осьовою напругою руйнування такою самоюзалежністю.

Міцність композиційного матеріалу під час розтягування можна визначити так:

.

Оскільки поверхня руйнувань проходить через обидва компоненти, то

,

де F_в і F_м — відповідно площа поперечного перетину волокна і матриці.

Під час руйнування композиційного матеріалу напруження на волокнах приблизно дорівнюють середній міцності волокон у композиції , а напруження в матриці – середньому напруженні течії в момент руйнування волокон . Тому останній вираз можна записати так:

Якщо в будь-якому поперечному перетині матеріалу відносна площа волокон і матриці однакова, то це рівняння набуде вигляду

,

де і — відповідно об’ємні частки волокна і матриці.

Це рівняння називають правилом суміші або адитивності і воно справедливе для тих випадків, коли розкид значень міцності волокон має вузький інтервал. Такій умові відповідають металеві дроти. У разі використання крихких волокон — «вусів», яким властива велика дисперсія механічних властивостей, недостатньо використовувати тільки середнє значення міцності, слід враховувати її дисперсію.

Об’єм волокон V_в, що вводяться в матрицю, має певні обмеження. За великих об’ємів волокон спостерігається відхилення від правила адитивності, оскільки не вдається здійснити їх рівномірне укладання в місцях зіткнення декількох волокон утвореної тріщини, що стають магістральними. Останнє знижує міцність композиційного матеріалу. Якщо об’ємна частка волокон мала, на них різко зростають напруження, що спричиняється їх дробленням. У разі, коли деформаційне зміцнення матриці заповнює втрату міцності волокон, що руйнувалися, міцність композиції визначають властивостями матриці:

.

де – міцність матриці.

Сумісним розв’язанням двох останніх рівнянь можна визначити мінімальну об'ємну частку волокон, вище якої справедливе рівняння адитивності:

.

Із співвідношення випливає, що для матриць, які сильно зміцнюються, різниця (, , менша, ніж без деформаційного зміцнення.

Основна мета армування — отримання композиції, міцність якої вища від міцності матриці:

.

За співвідношенням можна обчислити критичну об’ємну частку волокон, яку необхідно збільшити, щоб одержати ефект зміцнення:

.

Отже чим більша різниця між міцностями волокон і матриці, тим менша критична об'ємна частка волокон, яка може змінюватися в широких межах (від 1 до 50 %). Звідси також випливає, що властивості міцності волоконних композиційних матеріалів значною мірою залежать від властивостей матеріалу матриці і волокон, які, в свою чергу також залежать від матеріалу волокон і методу їх отримання.