книги / Материаловедение. Материалы для изготовления деталей (заготовок) машин и конструкций

тываться пластическим деформированием в широком интервале температур (600…1200 °С). Для армирования КМ промышленностью налажен выпуск фольги из титановых сплавов толщиной 3…200 мкм.

Медь и медные сплавы имеют высокую электропроводимость и теплопроводность, высокие пластические свойства.

Жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе системы ни-

кель−хром с легирующими добавками вольфрама молибдена, титана, алюминия стойки к образованию окалины на поверхности в газовых средах при нагреве свыше 500 °С. Повышенная длительная прочность, высокое сопротивление ползучести и усталости достигаются за счет введения в сплавы титана и алюминия. Сплавы на никелевой и кобальтовой основе, легированные различными элементами, способны работать при температурах до 1100 °С. Пластические свойства таких сплавов низки, поэтому их подвергают обработке давлением.

В порошковой металлургии стало возможно получать МКМ с матрицей из особотугоплавких сплавов − ниобия, вольфрама, молибдена и сплавов на их основе. Волокнистыми наполнителями (нитевидными кристаллами из тугоплавких соединений) эти матрицы армируют с целью придания им особых эксплуатационных свойств (ударопрочности, термостойкости и других специальных физических характеристик).

7.3. Свойства композиционных материалов

На свойства КМ значительное влияние оказывают правильное сочетание материала матрицы, форма, размер, химический состав армирующих элементов и способ получения КМ.

Для армирования КМ с металлической матрицей используют высокопрочные волокна углерода, бора, карбида кремния и вольфрама, оксидов алюминия и циркония, проволоку из стальных, вольфрамовых и молибденовых сплавов, а также нитевидные кристаллы

(«усы»).

Волокна углерода и бора используют обычно для армирования легких сплавов на основе алюминия и магния. Изделия из этих КМ

61

характеризуются высокой прочностью и жесткостью и могут длительно эксплуатироваться при температурах 300…450 °С. Волокна бора с барьерным покрытием из карбида кремния могут успешно эксплуатироваться при температуре 600 °С и даже при 800 °С – при соответствующем материале матрицы.

Волокна карбида кремния и вольфрама предназначены для арми-

рования жаропрочных КМ на основе никелево-хромистых сплавов с рабочими температурами 1100…1300 °С.

Термостойкие и жаропрочные волокна из оксидов алюминия и циркония могут быть эффективными при армировании КМ, длительно работающих при температурах 1400…1600 °С.

Проволоку из стальных, вольфрамовых и молибденовых сплавов широко используют для армирования высокопрочных КМ.

Нитевидные кристаллы весьма перспективны в качестве армирующегоматериаладляполучениявысокопрочных ижаропрочных КМ.

Волокна углерода имеют низкую плотность (1400…2000 кг/м3), высокий предел прочности при растяжении (до 3500 МПа), модуль упругости до 700 000 МПа и малый диаметр волокон (5…12 мкм).

Волокна углерода имеют относительно высокую химическую стойкость к атмосферным условиям и некоторым кислотам (серной, азотной, соляной), что определяет их долговечность при хранении, а также долговечность КМ на их основе. Термостойкость при длительной эксплуатации не превышает 400 °С. К недостаткам углеродных волокон следует отнести низкую прочность на сжатие, химическую активность при взаимодействии с расплавленными металлическими матрицами и малуюсмачиваемость, особенносполимерными матрицами.

Волокна бора характеризуются низкой плотностью (2400…3000 кг/см3); прочностью при растяжении до 3800 МПа и модулем упругости до 400 000 МПа. Для повышения термостойкости волоконнаборнаносят тонкийслой(2…6 мкм) карбидов кремнияилибора.

Волокна карбида кремния обладают плотностью

3200…3500 кг/м3, прочностью при растяжении 1700…2500 МПа, модулем упругости 450 000…480 000 МПа. Они жаростойки и жаро-

62

прочны и поэтому весьма перспективны для создания КМ на металлической основе с высокотемпературными характеристиками.

Высокая химическая стойкость к атмосферным воздействиям, практическое отсутствие реакции между материалами матрицы и волокнами и хорошая смачиваемоть позволяют использовать эти волокна без нанесения барьерных покрытий при изготовлении КМ с металлической матрицей.

Волокна из оксидов алюминия, циркония характеризуются высокими прочностью и теплостойкостью.

Металлическая проволока из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей широко используется для армирования КМ.

Нитевидные кристаллы («усы») − тонкие короткие волокна с монокристаллической структурой, диаметром до 10 мкм и длиной до 10 мм – имеют прочность тем выше, чем меньше диаметр. Например, нитевидный кристалл железа диаметром 3 мкм имеет прочность при растяжении более 12 000 МПа, а при диаметре 10 мкм – менее

3000 МПа.

Для создания КМ на металлической основе в качестве армирующих элементов применяют нитевидные кристаллы таких тугоплавких соединений, как карбиды кремния, бора, оксида алюминия и др.

Благодаря совершенству структуры нитевидные кристаллы имеют высокие, близкие к теоретическим прочностные характеристики. Например, нитевидные кристаллы из карбида кремния имеют плотность 3320 кг/м3, прочность при растяжении 21 000 МПа и модуль упругости 490 000 МПа.

8. Наноструктурные материалы

Наноструктурные материалы − перспективные новые материалы с нанофазными структурными составляющими, размер частиц, кристаллитов или фаз которых не превышает 100 нм хотя бы в одном измерении, что позволяет сформировать в материале комплекс уникальных физико-механических характеристик. Соизмеримость гео-

63

метрического размера наночастиц с характерными размерами физических явлений (длиной свободного пробега электрона или фотона, размером электрического или магнитного домена, протяженностью дефектов кристаллической решетки типа дислокации) вызывает разнообразные размерные эффекты, а увеличенная поверхностная энергия и экстремальные условия образования частиц приводят к метастабильному состоянию материалов. Это проявляется в существенном повышении прочностных характеристик наноструктурных материалов при сохранении ими высокой пластичности и низкого порога хладноломкости, полупроводниковом характере проводимости, супермагнетизме, увеличении температуры перехода в сверхпроводящее состояние, снижении температур фазовых превращений, изменении оптических характеристик и т.п.

Структурообразующую основу нанокомпозитов составляют ультрадисперсные частицы размером 5…500 нм. Сравнительно небольшие добавки таких частиц способны значительно улучшить структуру и свойства матричных материалов (металлов и сплавов, полимеров, керамик и т.п.).

Перспективными методами создания материалов и композитов с наноразмерными структурными составляющими из различных металлов, сплавов, неметаллических материалов и соединений являются способы порошковой металлургии, а также технологии, основанные на модифицировании композитов нанокристаллами (кластерными алмазами, фуллеренами).

Основные методы получения ультрадисперсных порошков используют процессы испарения и конденсации с участием химических реакций. В зависимости от условий реакции (температуры, скорости подачи и концентрации реагентов, условий конденсации) продукты реакции можно получать в виде ультрадисперсных частиц, тонких пленок, нитевидных кристаллов.

Создать оптимальные условия испарения, конденсации и полноты протекания химической реакции синтеза можно, только используя принципы раздельного синтеза, когда на каждом этапе обработки получают материал на оптимальных режимах. Для этого используют

64

высокоэнергетичные вакуумные методы синтеза, в том числе лазерный, плазменный, магнетронный, а также детонационные процессы с использованием взрыва.

Изготовление нанодисперсных порошков тугоплавких соединений лазерным синтезом отличается возможностью получения особо чистых порошков при очень малых их размерах (до нескольких нанометров) с относительно низкими затратами энергии, в то время как при плазменном методе синтеза возможно загрязнение окончательного продукта материалом электродов. Магнетронный метод получения ультрадисперсных порошков предусматривает синтез частиц в аморфной фазе с последующей кристаллизацией порошков в тугоплавкое соединение.

Ультрадисперсные искусственные алмазы являются примером наноматериалов, производство и применение которых освоено в промышленном масштабе.

9. Общие принципы выбора материалов

Качество конструкций, машин и оборудования во многом определяется правильным выбором материала для их изготовления. Материалы работают в различных условиях: при низких или высоких температурах, в агрессивных химических средах, при знакопеременных циклических нагружениях, в условиях трения и др.

Часто материалы работают в условиях одновременного воздействия перечисленных факторов. Поэтому при выборе материала в первую очередь требуется всесторонне рассмотреть условия его работы и ранжировать факторы, воздействующие на материал, по степени их влияния на надежность машины или механизма. Определяющие факторы должны быть учтены обязательно, менее определяющие − по возможности. Так, например, при выборе сталей и сплавов для газовых турбинных двигателей и сопел ракет, работающих в условиях воздействия активных газовых сред, следует рассматривать влияние на свойства материалов высоких температур,

65

коррозионного растрескивания, питтинговой и щелевой коррозии, коррозии под напряжением, водородного охрупчивания, эрозии и общей коррозии. Однако обязательно следует учитывать влияние только первых шести факторов, а общую коррозию как менее важный фактор учитывают по возможности.

Следующим этапом выбора материала должен быть процесс определения комплекса необходимых свойств материала, обеспечивающих надежную и долговечную работу конструкций, машин и оборудования в заданных условиях эксплуатации. Так как конструкционные материалы характеризуются механическими, физикохимическими и технологическими свойствами, то рассматривать необходимо всю гамму свойств, особенно если в конструкции должны работать разные материалы.

Физико-химические свойства

Физические свойства определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. Из важных физических свойств можно выделить теплопроводность, плотность, коэффициент линейного расширения. Низкая теплопроводность уменьшает теплопритоки и придает материалу теплоизолирующие свойства, а высокая теплопроводность способствует снижению температурных градиентов в изделиях. Для летательных аппаратов большое значение имеет уменьшение массы конструкции, поэтому для них целесообразно использовать материалы с большой удельной прочностью, которая определяется отношением прочности материала к его плотности. В этом отношении более перспективны алюминиевые, магниевые и титановые сплавы, а также композиционные материалы. Применение в соединениях деталей из раличных материалов обусловливает необходимость учета их коэффициентов линейного расширения.

Под химическими свойствами понимают способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Детали любого изделия должны быть совместимы

66

с рабочей средой. Коррозия, коррозионная усталость, коррозия под напряжением, водородное охрупчивание и т.д. могут вызвать повреждения в металле и привести к хрупкому разрушению конструкции. Для криогенных конструкций важное значение имеет влияние химического взаимодействия низкокипящих продуктов (жидкий кислород, водород и т.д.) со сплавами, из которых изготавливаются эти конструкции. Такие химически активные металлы, как титан и его сплавы, магниевые сплавы, алюминиевые сплавы, при ударном нагружении могут самопроизвольно загораться при контакте с жидким кислородом.

Механические свойства

Основой выбора материалов для создания надежной и работоспособной техники являются их механические свойства, в первую очередь, прочностные, которые характеризуют способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под действием различного рода нагрузок, в разных средах и при различных температурных условиях.

Расчет конструкции на прочность производят по допустимым напряжениям [σ], определяемым из условий прочности при статическом нагружении или долговечности при циклическом нагружении.

При статическом нагружении допускаемое напряжение равно отношению предельного для данного материала напряжения к коэффициенту безопасности, то есть к коэффициенту запаса прочности n. Для пластичных материалов за предельное напряжение принимают предел текучести, для квазихрупких − временное сопротивление:

[σ] = σт nт или [σ] = σв nв .

Значение коэффициента запаса прочности зависит от многих факторов: разброса характеристик прочности; присутствия в материале дефектов, допускаемых техническими условиями; степени схематизации расчетной процедуры и т.д.

В России за допускаемое принимается минимальное напряжение, определяемое по пределу текучести или временному сопротивлению.

67

Такая же методика принята во многих странах. Однако в некоторых странах, например в Чехии, Словакии, Германии, Польше, для определения допускаемых напряжений расчет ведется только по пределу текучести, а в Японии − только по временному сопротивлению.

Коэффициент запаса может меняться в широких пределах в зависимости от условий работы оборудования и опыта работы с данным материалом.

По данным отечественной практики, рекомендуемые значения коэффициентов запаса для серийных материалов обычной техники составляют: nт = 1,5 и nв = 2,4.

Однако расчеты на прочность конструкций по номинальным напряжениям с учетом коэффициентов запаса не всегда гарантируют необходимый ресурс их работы. Это связано с тем, что назначаемые запасы прочности не учитывают ряда факторов, которые способствуют возникновению повреждений и разрушений несущих элементов конструкций и машин. К этим факторам относятся: присутствие в металле дефектов типа трещин, как исходных, так и возникающих в процессе эксплуатации; наличие микро- и макронеоднородностей металла по толщине, в зонах сварных швов и т.д.; появление локальных напряжений вследствие их концентрации, а также остаточных технологических напряжений; нестабильность эксплуатационного нагружения из-за статических и импульсных перегрузок, стационарных и нестационарных циклических нагрузок.

Пластичность характеризует способность материала к пластическому течению при повышении предела текучести, а вязкость − способность поглощать энергию внешних сил при разрушении.

У разных материалов соотношение пластичности и вязкости может очень сильно различаться. Например, алюминий имеет малую вязкость при высоком относительном удлинении. Наоборот, термообработанная (улучшенная) легированная сталь при сравнительно небольшом относительномудлиненииможетиметьвысокую вязкость.

Пластичность и вязкость в конструкторские расчеты не входят и являются качественными показателями.

68

Широко принятым критерием работоспособности металлических сплавов и сварных соединений, особенно используемых при низких температурах, является ударная вязкость, определенная на образцах с надрезом.

Надежность конструкций, работающих в условиях многократного подъема и сброса давления, зависит от сопротивления материалов усталостному разрушению.

Металл установок или изделий, подвергаемых многократному нагреву или захолаживанию, испытывается на сопротивление термической усталости.

В случае длительного нагружения конструкций при высоких температурах производятся испытания ползучести и длительной прочности материала.

При циклическом или длительном статическом нагружении номинальные эксплуатационные напряжения выбираются с введением коэффициентов запаса nд и nп по пределам длительной прочности и ползучести. Коэффициенты nд и nп обычно имеют значения

2,0…3,5.

69

Учебное издание

Губарева Эмилия Михайловна

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Материалы для изготовления деталей (заготовок) машин и конструкций

Учебное пособие

Редактор и корректор Б.Ю. Щепина

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Подписано в печать 16.04.2008. Формат 60×90/16. Усл. печ. л. 4,5.

Тираж 70 экз. Заказ № 78/2008.

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Издательство Пермского государственного технического университета.

Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.

Тел. (342) 219-80-33.