Физико-химия и технология армированных композиционных материалов на основе металлических матриц. Раздел Физико-химия, технология и свойства композитов системы углерод-алюминий с использованием дисперсноупрочненных и дисперсионно-твердеющих сплавов алюминия. Структурная повреждаемость углеалюминиевых

No 700 
" - ' u u 
московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ 
Технологический университет 

МИСиС £1 

Кафедра теории металлургических процессов 

Варенков А.Н. Костиков В.И. Комарова Н.М. 

Одобрено 
методическим 
советом института 

ФИЗИКО-ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ 

АРМИРОВАННЫХ 

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 

НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТРИЦ 

Раздел- Физико-химия, технология и свойства композитов системы 

углерод-алюминий с использованием дисперсноупрочненных и дисперси
онно-твердеющих сплавов алюминия. Структурная повреждаемость 

углеалюминиевых композитов. 

Учебное пособие 

для студентов специальности 070800 

Часть I 

МОСКВА 1999 

АННОТАЦИЯ 

Рассмотрены физико-химические основы процессов получения 
армированных конструкционных композитов на основе дисперсноупрочненных и дисперсионно-твердеющих сплавов алюминия. 

Приведены результаты экспериментальных исследований в области контактных явлений в системах метллический расплав — 
высокомодульный дисперсный наполнитель, определяющие условия кинетической совместимости составляющих композиционных 
материалов. 

Рассмотрены закономерности процессов структурной повреждаемости при обработке давлением армированных углеродными 
волокнами конструкционных композитов на основе алюминиевых 
сплавов промышленных составов. 

© 
Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(технологический университет) 
МИСиС 
1998 г 

ВВЕДЕНИЕ 

СОДЕРЖАНИЕ 

41 

1 КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 
7 

1 1 Компоненты металлических композиционных материалов 
7 

1 2 Термокинетические закономерности процессов смачивания 
армирующих материалов металлическими матричными 
расплавами 
28 

1 3 Методы получения композиционных материалов на 
металлической основе 
38 

2 ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССОВ 

РАСТЕКАНИЯ РАСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ПО 
ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕРОДНЫХ ЛЕНТ "КУЛОН" 
48 

2 1 Методика исследования процессов контактного 
взаимодействия в системе "препрег" - расплавы на основе 
алюминия 
49 

2 2 Изучение процессов смачивания и растекания расплавов на 
основе алюминиевого сплава В-95 по поверхности углеродной 
ленты "КУЛОН" 
54 

2 3 Определение площади растекания и скорости покрытия, как 
необходимых параметров, определяющих технологию получения 
многослойных УАКМ 
67 

2 4 Изучение процессов взаимодействия адгезионноактивного 
расплава В-95 + 2 % Ti с углеродной лентой "КУЛОН", 
предварительно пропитанной алюминием ("препрег") 
69 

2 5 Анализ процессов роста переходной зоны на межфазной 
границе раздела титан — углеродное волокно 
76 

2 6 Влияние капиллярного давления на параметры процессов 
получения "препрегов" методом жидкофазной технологии 
80 

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССОВ 

КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМАХ 
РАСПЛАВЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ - КАРБИДЫ 
ТИТАНА, КРЕМНИЯ, БОРА 
84 

1 Методика исследования смачивания поверхности карбидов 
титана, кремния, бора расплавами на основе алюминия 
85 

3 2 Исследование температурной зависимости смачивания 
карбидов титана, кремния, бора расплавами на основе сплава 
АДЗЗ 
87 

3 3 Изучение смачивания карбида титана расплавами на основе 
сплава АДЗЗ, содержащими переменное количество титана или 
кремния 
98 

3 4 Методика получения и количественная оценка объемной 
доли дисперсных частиц карбида титана или карбида кремния в 
алюминиевой матрице 
103 

3 5 Механические свойства дисперсноупрочненных матричных 
сплавов на основе сплава АДЗЗ 
105 

ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ 
ПОВРЕЖДАЕМОСТИ МНОГОСЛОЙНЫХ УАКМ НА ОСНОВЕ 
ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩИХ И 
ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С 
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В КАЧЕСТВЕ АРМИРУЮЩЕГО 
МАТЕРИАЛА УГЛЕРОДНОЙ ЛЕНТЫ "КУЛОН" 
113 

4 1 Технологическое оборудование, параметры и режимы для 
изготовления слоистых УАКМ на основе дисперсионнотвердеющих и дисперсноупроченных алюминиевых матричных 
сплавов 
114 

4 2 Исследование структурных несовершенств УАКМ при 
высокоскоростном нагреве 
116 

4 3 Анализ структурной повреждаемости УКАМ в процессе 
обработки материалов давлением 
176 

4 4 Структурная повреждаемость после различных режимов 
деформаци и 
211 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
216 

Введение 

В настоящее время в практике создания новых образцов техники, ряда изделий машиностроения, судостроения, изделий авиационной и ракетно-космической техники находят широкое применение высокопрочные и легкие композиционные материалы 
(КМ). В качестве наполнителей матриц КМ применяют стекловолокно, асбестовые, углеродные, джутовые, органические, металлические и др. волокна. Волокнистые композиционные материалы, в 
которых волокна распределены внутри непрерывной матрицы, 
обладают высокой прочностью, низкой плотностью, повышенной 
ударной вязкостью, хорошей формуемостыо и приспособляемостью к нагрузкам. Они могут одновременно служить ограждением, несущей конструкцией. 

Слоистые композиционные материалы, в которых слои из различных материалов непосредственно связаны между собой либо 
пропитаны связующим материалом, обладают термоизолирующими свойствами, т.е. имеют низкую теплопроводность. Конструкции из слоистых композитов обладают стабильностью размеров при изменении температуры и влажности, противостоят влиянию внешней среды, износу, разрыву, удару. 

Дисперсные системы, т.е. композиционные материалы, упрочненные частицами, в которых частицы распределены внутри непрерывной матрицы, также находят широкое применение в технике. 

Композиционные материалы на основе алюминиевой матрицы, 
армированной углеродными высокопрочными волокнами, обладают большой удельной прочностью (ауд до 35 км), в то время, как 
конструкционные алюминиевые, магниевые, титановые сплавы 
характеризуются ауд менее 20 км. Последнее позволяет утверждать, 
что механические свойства конструкционных материалов, применяемых в настоящее время, не являются достаточным для ряда 
перспективных изделий. Необходимы композиционные материалы, в т.ч. и углеалюминиевые с более высоким уровнем прочности. Однако, промышленные образцы волокон в значительной 
степени достигли максимально возможной прочности, и повышение механических свойств композитов возможно за счет повышения прочности металлической матрицы или эффективной связи 
компонентов системы [2, 3, 4]. 

5 

Одним из технических решений этого вопроса является разработка состава сложных конструкционных композитов и технологии производства дисперсноупрочненных композиционных матриц на основе сплавов алюминия, а также использование в качестве матриц промышленных алюминиевых сплавов с повышенными эксплуатационными характеристиками (цисперсионно-твердеющих сплавов). 

6 

1. Классификация композиционных материалов1 

1.1. Компоненты металлических композиционных материалов 

1.1.1. Особенности структуры композиционных материалов 

В широком смысле понятие "композиционный материал" 
включает в себя любой материал с гетерогенной структурой 
(состоящей из двух и более фаз). Такое определение позволяет 
отнести к числу композиционных большинство применяемых в 
технике материалов. 

Композиционные материалы имеют ориентированную структуру, по структурным признакам они могут быть разделены на две 
основные группы [7]: 

— волокнистые и слоистые; 
— дисперсноупрочненные (ДУ). 
Волокнистые композиты состоят из матрицы, содержащей 
упрочняющие 
одномерные 
элементы 
в 
форме 
волокон 
(проволоки), нитевидных кристаллов и др. Слоистые композиты 
состоят из набора чередующихся двумерных армирующих компонентов в виде листовых, пластинчатых и фольговых материалов, 
жестко связанных между собой по всей поверхности их раздела. У 
волокнистых и слоистых материалов несущим элементом является 
армирующее волокно, проволока, фольга (фаза-упрочнитель). Армирующие элементы по своей природе имеют высокую прочность, 
весьма высокий модуль упругости и, как правило, сравнительно 
низкую плотность. 

В волокнистых композитах матрица объединяет волокна или 
другие упрочняющие элементы в единый монолит, защищая их от 
повреждений. Матрица является средой, передающей нагрузку на 
волокна, а в случае разрушения отдельных волокон перераспределяет напряжения в объеме композита. Кроме того, ее механические свойства определяют характер поведения материала при 
сдвиге, сжатии и усталостном разрушении. 

Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении, с повторяющейся геометри
1 Подробно см. часть 1 

7 

Варенков А.Н., Комарова Н.М. Физико-химия и технология армированных КМ ... 

ей, высокопрочных и высокомодульных волокон в пластичной 
матрице, содержание которых может колебаться от 15 до 75 об. %. 

В волокнистых и слоистых композитах сдвиговой механизм 
торможения трещин, имеющий место в традиционных сплавах, 
дополняется торможением трещин самими волокнами на поверхности ослабленного сцепления матрицы с армирующим упрочнителем. В этих КМ выбор компонентов обусловлен получением 
определенной (оптимальной) степени их взаимодействия с целью 
согласования высокого предела прочности с повышенной вязкостью разрушения. 

Поверхности раздела в волокнистых и слоистых композиционных материалах можно рассматривать как самостоятельный элемент структуры. Имеется ввиду не геометрическая поверхности 
раздела, а прилежащая к поверхности раздела область, в которой 
протекают процессы растворения, образования и роста новых фаз, 
перераспределения примесей и т.д. 

В волокнистых и слоистых КМ, компоненты которых выбирают с учетом их оптимального взаимодействия, структура формируется искусственно при изготовлении материала в процессе 
намотки, укладки волокон или деформации. В эвтектических 
сплавах с однонаправленной структурой последняя формируется 
подобно традиционным сплавам в процессе кристаллизации. Такие системы называют естественными композиционными материалами, т.к. упрочняющая фаза в них кристаллизуется из расплава в виде иголок (нитевидных кристаллов), стержней или пластин. 
По виду структуры эти материалы мало отличаются от структуры 
волокнистых композитов, полученных путем искусственного сочетания матрицы и упрочнителя. Кроме того, упрочнители в эвтектических композитах — иголки или пластинки незначительно отличаются по механическим свойствам от нитевидных кристаллов 
(усов), имеющих высокие механические свойства. Особенностью 
структуры эвтектических КМ является исключительно хорошее 
сопряжение матрицы с упрочнителем, а также высокая структурная стабильность таких композитов. 

В волокнистых композиционных материалах технологическая 
схема и соблюдение режимов их получения оказывают существенное влияние на формирование структуры и свойств КМ. При этом 
следует исходить из условий: 

I * 

Классификация композиционных материалов 

— технологический процесс должен обеспечить равномерное 
распределение волокон при заданном их объемном содержании, 
волокна должны быть изолированы между собой слоем матрицы; 

— механическое повреждение волокон должно быть сведено к 
минимуму; 

— взаимодействие волокон с окружающей средой и с матрицей 
в процессе их совмещения и снижения при этом прочности волокон должно быть минимальным. 

При использовании хрупких волокон (борных, углеродных, 
карбида кремния и др.) целесообразно применять при изготовлении изделий методы осаждения матриц из жидкого или газообразного состояния [8], в то время как в случае применения металлической проволоки более приемлемы методы деформационного 
уплотнения (прокаткой, экструзией), взрывного прессования и др. 
[9]. 

В ряде случаев существенное влияние на структуру и свойства 
оказывает термическая обработка КМ. Прочность связи между 
компонентами и сдвиговые характеристики материалов, полученных сваркой или экструзией, могут быть улучшены в результате их 
отжига. Давление пропитки при получении композитов выступает 
не только как фактор гидродинамический, обеспечивающий пропитку матричным расплавом каркаса из волокон, но и как физико-химический, определяющий интенсивность взаимодействия и 
обеспечивающий требуемый уровень прочностных свойств. 

В дисперсноупрочненных материалах несущим элементом является матрица, в которой с помощью множества ультрадисперсных, 
практически не растворяющихся в матрице частиц и однородной 
дислокационной структуры создается эффективное торможение 
дислокаций, вплоть до температуры начала плавления. Такие материалы содержат равномерно распределенные в объеме матрицы 
ультрадисперсные нульмерные частицы, не взаимодействующие 
активно с матрицей и не растворяющиеся в ней. 

В дисперсноупрочненных материалах оптимальным содержанием дисперсной фазы считается 15...20 об. % [10]; ультрадисперсные частицы, в отличии от непрерывных и дискретных волокон в 
волокнистых композитах, создают только "косвенное" упрочнение, т.е. благодаря их присутствию стабилизируется структура, 
формирующаяся при деформационной термической обработке. 

9 

Варенков А.Н., Комарова Н.М, Физико-химия и технология армированных КМ ... 

В дисперсноупрочненных 
материалах, предназначенных 
в 
основном для работы при повышенных температурах, компоненты 
выбирают с позиции их минимального взаимодействия. В этих 
КМ кроме прямого взаимодействия дислокаций с упрочняющими 
частицами большую роль играют границы зерен или субзерен, 
которые дают дополнительный вклад в повьппение прочности КМ 
при низких и повышенных температурах. 

При высоких температурах в дисперсноупрочненных КМ важное значение имеют форма зерна, т.е. отношение его длины к 
диаметру. 
Р. Фрэзер 
и Д. Эванс 
предложили 
рассматривать 
ДУКМ, как волокнистые композиты, в которых зерна, упрочненные дисперсными частицами, выполняют функцию волокон, а 
роль границ и прилегающих к ним областей сводится к передаче 
напряжений от волокна к волокну. В этом случае высокотемпературная прочность может быть повышена путем увеличения площади границ, расположенных в направлении действующих напряжений, путем увеличения отношения длины зерна к его диаметру. 
Для этих композитов деформационно-термическая 
обработка 
формирует направленную структуру с сильно вытянутыми зернами. 

Б. Вильноксом, А. Кланером и др. [И] установлена линейная 
зависимость 
большинства 
прочностных 
характеристик 
таких 
ДУКМ от отношения длины зерна к его диаметру, которое называется коэффициентом неравноосности зерна. Влияние этого коэффициента на прочность выражается соотношением: 

СТ = 
СТр+^Й"
1)' 
(1) 

где ст — предел прочности искомый, МПа; 

ар — предел прочности при l/d = 1 (при равноосном зерне), 
МПа; 

/ — длина зерна, мм; 
d — диаметр зерна, мм; 
К — коэффициент неравноосности. 
Указанный коэффициент зависит от температуры и скорости 
деформации, причем упрочняющий эффект за счет неравноосности зерна в наибольшей мере проявляется при низкой скорости 
деформации и высокой температуре. Коэффициент неравноосности зерна не всегда является прямой характеристикой структу
10