4 Упрочнение металлов волокнами с применением взрыва

Композиционные материалы волокнистого строения занимают особое место среди упрочненных материалов. Волокнистая арматура высокой прочности создает возможность упрочнения только в том направлении, в котором это требуется конструктивно, что обеспечивает максимальное использование прочности волокон. Волокна наполнителя могут быть как непрерывными, т.е. имеющими размер, соизмеримый с размерами заготовки или детали, и дискретными, т.е. существенно меньше габаритных размеров заготовки или детали.

Волокна в ВКМ являются несущим элементом и имеют высокие прочность и модуль упругости. Матрицы скрепляют упрочняющие элементы в единый монолит и в случае разрушения отдельных элементов перераспределяют напряжение на другие. Между матрицей и волокнами образуется переходный слой, служащий связью, через которую передаются напряжения. Переходный слой определяет уровень свойств ВКМ.

При производстве ВКМ следует исходить из следующих условий: волокна в матрице должны быть распределены в заданном объемном содержании равномерно, повреждение волокон исключается, соединение матрицы и волокна не должно приводить к снижению прочности волокон.

4.1 Материалы с металлической матрицей и волокнистым упрочнителем

Матрица является основным составляющим компонентом. Объединяя в одно целое многочисленные волокна, позволяет композиции воспринимать различного рода нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг).

К материалу матрицы предъявляются следующие требования: малый собственный удельный вес; способность претерпевать пластическую деформацию не ниже %; неспособность образовывать с армирующими волокнами на границе раздела матрица – волокно хрупких неметаллических соединений; простота промышленного получения и невысокая стоимость. В качестве металла матрицы наиболее широко используют алюминий, медь, магний, свинец, титан, никель, кобальт и их сплавы.

Армирующие материалы выбирают из соображений сохранения их свойств при эксплуатационных температурах и силовых режимах работы ВКМ. Для армирования используют нитевидные кристаллы, поликристаллические неметаллические волокна, высокопрочную металлическую проволоку и другие материалы.

Нитевидные кристаллы (усы) являются перспективным материалом для армирования металлов, но их применение практически недостаточно развито, так как многие материалы, из которых производят усы, активно взаимодействуют при повышенных температурах с металлическими матрицами, а это существенно снижает прочность ВКМ. В последнее время перспективными армирующими материалами являются нитевидные кристаллы окиси алюминия, окиси магния, карбида кремния и других, имеющих сверхвысокую прочность в широком температурном интервале, малую плотность обладающие химической инертностью по отношению ко многим металлам.

Металлические волокна (проволока). Проволока из бериллия, вольфрама, молибдена, стали, титана и др.

Металлические волокна обладают удовлетворительной прочностью, и, в отличие от неметаллических волокон, могут деформироваться совместно с матрицей. Если удлинение при разрыве волокон бора и керамики составляет 0,2-0,8 % и углеродных 0,5-1,5 %, то металлических 2-5 %. Применяя металлические волокна, можно изготавливать полуфабрикаты ВКМ различной конфигурации и сложные детали без разрушения армирующих волокон.

Армирующий материал может быть не только в виде проволоки, но и в виде сетки, ленты и другой конфигурации, что обеспечивает получение ВКМ со специальными свойствами (например, необходимой электропроводностью, теплопроводностью, температурным коэффициентом линейного расширения и др.)