Лабораторная работа № 3

Тема: Изготовление заготовок из композиционных материалов.

Задачи:

• закрепить знания об основных видах композиционных материалов;

• получить представления о различных способах упрочнения композиционных материалов.

Работа рассчитана на четыре академических часа.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы, упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица свя­зывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные ма­териалы (рисунок 1).

Композиционные материалы с волокнистым наполни­телем по механизму армирующего действия делят на дискретные и с непрерывным волокном. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50—100%), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жест­кость конструкции при одновременном снижении ее металлоем­кости.

Рисунок 1 - Схема структуры (а) и армирования непрерывными волокнами (б) композиционных материалов: 1 — зернистый (дисперсно-упрочненный) материал; 2 — дискретный волокни­стый композиционный материал; 3 — непрерывно волокнистый композиционный ма­териал; 4 — непрерывная укладка волокон; 5 — двухмерная укладка волокон; 

6,7 — объемная укладка волокон

Прочность композиционных материалов опреде­ляется свойствами волокон; матрица в основном должна пере­распределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть зна­чительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материа­лах уменьшают скорость распространения трещин, зарождаю­щихся в матрице, к практически полностью исключают внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материа­лов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления в полями напря­жения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаро­прочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повы­шением температуры.

Основным недостатком композиционных материалов с одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостатка лишены материалы с объемным армированием.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие материалы называют композиционными?

2. Какие существуют типы композиционных материалов?

3. Какие материалы используются в качестве матрицы КМ?

4. Чем определяется упрочняющее действие наполнителя?

5. Приведите классификацию КМ по виду наполнителя.

6. Какими прочностными свойствами обладают волокна?

7. Назовите особенности порошковых композиционных материалов.

Задания к лабораторной работе

1. Объясните механизм упрочнения композиционных материалов (КМ) с зернистым 4 и волокнистым 4 наполнителем.

2. Назовите особенности и обоснуйте основное назначение порош­ковых, дисперсно-упрочненных и волокнистых КМ.

3. Используя рисунки 2 и 3, обоснуйте повышенную эксплуатаци­онную надежность КМ с волокнистым наполнителем.

Рисунок 2 – Схема разрушения композиционного материала

с волокнистым наполнителем:

1 – волокна; 2 – трещина; 3 – матрица;

Р – растягивающая нагрузка

1. Обоснуйте преимущества применения КМ с волокнистым напол­нителем в транспортном машиностроении, для чего:

а) по данным таблицы 1 определите удельную прочность _B/(ρg), км, освоенных промышленностью КМ системы алюминий —сталь и поли­мер—стекло;

Рисунок 3 – Влияние волокнистого наполнителя в структуре композиционного материала на диаграмму деформации конструкционного графита и композиционного материала на его основе с волокнистым наполнителем:

1 – кривая нагрузки конструкционного графита; 2 – кривая нагружения КМ; АВ – отрезок, характеризующий сопротивление композита распространению трещины; ВС – нижний отрезок со стрелкой в сторону точки С характеризует деформацию композита при первичном приложении нагрузки, а верхний отрезок со стрелкой в сторону точки В – при повторном приложении нагрузки

Таблица 1 – Свойства волокнистых композиционных материалов

Композиционный материал		B, ГПа	Е, ГПа	ρ, г/см3
Матрица	Наполнитель
Металлическая матрица
Алюминий	Сталь	1,4	110	4,8
Алюминий	Бор	1,2	225	2,6
Алюминий	Углерод	0,9	210	2,3
Никель	Вольфрам	0,8	265	12,5
Никель	Углерод	0,7	225	5,3
Эвтектический сплав NiAl-Cr		1,2	180	6,4
Углеродная матрица
Углерод	Углерод	0,4	170	1,6
Полимерная матрица
Стекловолокнит		2,1	60	2,0
Органоволокнит		2,1	100	1,3
Карбоволокнит		1,1	170	1,4
Бороволкнит		1,2	220	2,0

б) на основании плотности КМ (таблица 1), наполнителя (таблица 2) и матрицы (алюминий — 2,7 г/см³, полимер — 1,2 г/см³) по урав­нению аддитивности свойств КМ, видоизменив выражение (1) для плотности, вычислите содержание, %, волокнистого наполнителя в КМ системы алюминий — сталь и полимер—стекло. Полученный результат округлите с точностью 5 %;

(1)

где ^К, ^В, ^М – прочность соответственно композита, волокна и матрицы,

V^В, V^М – объемные доли в композите соответственно волокна и матрицы.

Таблица 2 – Характеристика волокнистого наполнителя композиционных материалов

Материал наполнителя	Диаметр волокна, мкм	B, ГПа	Е, ГПа	ρ, г/см3
Сталь	150	3,5	200	7,9
Стекло	10	4,0	85	2,5
Кевлар	15	4,5	150	1,4
Углерод:
высокопрочный	7	5,5	300	1,85
высокомодульный	7	3,0	650	2,0
Карборунд	120	3,0	430	3,2
Бор	100	3,5	400	2,6
Нитевидные кристаллы:
корунда	-	30	1000	3,8
карборунда	-	40	800	3,2

в) рассчитайте удельную прочность перспективных КМ с алюминиевой и полимерной матрицей при наполнении их нитевидными кристал­лами карборунда (см. п. 4б и таблицу 1). Предел прочности при растяже­нии алюминиевой и полимерной матриц принять равным _B = 60 МПа;

г) сравните удельную прочность КМ с алюминиевой и полимерной матрицей (см. п. 4в) с удельной прочностью традиционных материалов конструкционного назначения, вычисленной по следующим данным:

Конструкционный материал	B, МПа	ρ, г/см3
Стали……………………………………	1250	7,9
Титановые сплавы…………………….	1200	4,5
Алюминиевые сплавы…………………	600	2,7

2. Оцените количественно потенциальные возможности композиционных материалов для уменьшения материалоемкости машиностроительной продукции, изготовленной из традиционных материалов.

Содержание отчета

1. Тема и задачи работы.

2. Описание механизма упрочнения композиционных материалов.

3. Особенности и обоснование основного назначения порош­ковых, дисперсно-упрочненных и волокнистых КМ.

4. Обоснование повышенной эксплуатаци­онной надежности КМ с волокнистым наполнителем.

5. Обоснование преимуществ применения КМ с волокнистым напол­нителем в транспортном машиностроении.

6. Выводы по работе.