Диссертация написанное для получения академической степени магистра PhD. доц. У. Н. Рузиев Ташкент 2022

Анализ существующихметаллических слоистых композиций



Композиционные материалы  – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д.Сочта-ние разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик[1-7, 16-20].
По функциональным признакам все производимые в настоящее время слоистые композиты подразделяются на следующие виды: коррозионно-стойкие, антифрикционные, электротехнические (проводниковые и контактные), инструментальные, износостойкие, термо - биметаллы, биметаллы для глубокой вытяжки и бытовых изделий.Применение коррозионностойких слоистых композитов характеризуется высокой эффективностью и экономичностью: значительно сокращается расход легирующих элементов, снижается стоимость машин и механизмов, повышается ресурс их работы. Из этих материалов изготовляются детали и конструкции, работающие в условиях низких и высоких температур и давлений, при воздействии различных агрессивных сред[1-7, 16-20].
По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсно-упрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях внутри кристаллов), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок[1-7, 16-20].
Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20–25% (по объему), тогда как дисперсно-упрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов – нового класса композиционных материалов – еще меньше и составляют 10–100 нм[1-7, 16-20].
Композиционные материалы с металлической матрицей. При создании композитов на основе металлов в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. Наполнителем служат или высокопрочные волокна, или тугоплавкие, не растворяющиеся в основном металле частицы различной дисперсности[1-7, 16-20].
Свойства дисперсно-упрочненных металлических композитов изотропны - одинаковы во всех направлениях внутри кристаллов. Добавление 5–10% армирующих наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов) приводит к повышению сопротивляемости матрицы нагрузкам. Эффект увеличения прочности сравнительно невелик, однако ценно увеличение жаропрочности композита по сравнению с исходной матрицей. Так, введение в структуру жаропрочного хромоникелевого сплава тонкодисперсных порошков оксида тория или оксида циркония позволяет увеличить температуру, при которой изделия из этого сплава способны к длительной работе, с 1000 до 1200° С. Дисперсно-упрочненные металлические композиты получают, вводя порошок наполнителя в расплавленный металл, или методами порошковой металлургии[1-7, 16-20].
Армирование металлов волокнами, нитевидными кристаллами, проволокой значительно повышает как прочность, так и жаростойкость металла. Например, сплавы алюминия, армированные волокнами бора, можно эксплуатировать при температурах до 450–500° С, вместо 250–300° С. Применяют оксидные, боридные, карбидные, нитридные металлические наполнители, углеродные волокна. Керамические и оксидные волокна из-за своей хрупкости не допускают пластической деформации материала, что создает значительные технологические трудности при изготовлении изделий, тогда как использование более пластичных металлических наполнителей позволяет производить переформование. Получают такие композиты пропитыванием пучков волокон расплавами металлов, электроосаждением, смешением с порошком металла и последующим спеканием и т.д.[1-7, 16-20].
По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяются на три группы[1-7, 16-20]:
• с нульмерныминаполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;
• с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;
• с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.
По схеме расположения наполнителей в структуре основного металла выделяют три группы композиционных материалов:
• с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;
• с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;
• с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.
По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:
• композиционные материалы, содержащие компоненты из металлов или сплавов;
• композиционные материалы, содержащие компоненты из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и другие;
• композиционные материалы, содержащие компоненты из неметаллических элементов, углерода, бора и другие;
• композиционные материалы, содержащие компоненты из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и другие.
Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений
[1-7, 16-21].
Все способы получения композиционных материалов подразделяются на твердофазные, жидкофазные и осаждённые [2-5, 18 - 21].
Широкое применение получила сварка взрывом для изготовленияслоистых композитов, при которой соединение образуется в твердой фазе [2-5, 22-26]. Сварка взрывом используется для изготовления многослойных листов, полос, цилиндрических заготовок изделий из композиционных материалов, армированных волокнами и т.д. Основными проблемами, возникающими при плакировании взрывом, являются появление непроваров по периметру, а также растрескивание свариваемых плит, что особенно характерно при соединении толстолистовых крупногабаритных изделий [2-5, 22-26].
Изделия из МСК производятся различными методами литья, литейного плакирования, прокатки, сварки и наплавки. Причем, перспективнымнаправлением является использование литейных технологий, т.к.онипозволяют изготовлять такие композиции, которые другими методами изготовить либо невозможно, либо нерационально.
Литейные технологии позволяют значительно повыситьпроизво-дительность труда, снизить себестоимость готовой продукции за счет сокращения расхода материалов, уменьшения трудоемкости механической обработки и повышения работоспособности различных металлических композиций.