Дисперсноупрочненные композиционные материалы

Структура, механизм упрочнения и свойства. Дисперсноупрочненные композиты представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества: тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и др., не взаимодействующие с матрицей и не раство­ряющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз. В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, а дис­персные частицы наполнителя упрочняют материал за счет сопро­тивления движению дислокаций и, блокируя процессы скольжения в матрице, затрудняют пластическую деформацию. В дисперсноупрочненных КМ оптимальным содержанием дисперсной фазы считается 2-4%.

Эффективное сопротивление движению дислокаций создается вплоть до температуры плавления матрицы, благодаря чему дисперсноупрочненные КМ отличаются высокой жаропрочностью и сопротивлением ползучести. Дисперсноупрочненные композиты имеют одинаковые свойства во всех направлениях, так как упрочняющие дисперсные частицы имеют равноосную форму.

Таким образом, в дисперсноупрочненных материалах заданные прочность и надежность достигаются путем формирования определенного структурного состояния, при котором эффективное торможение дислокаций сочетается с их равномерным распределением в объеме материала либо с определенной подвижностью скапливающихся у барьеров дислокаций для предотвращения хрупкого разрушения.

Упрочнение дисперсными частицами позволяет достигать σ_т=10^-2G, где G – модуль сдвига, но при нагреве до Т=(0,6-0,7)Т_пл прочность резко снижается.

Эффективность упрочнения при условии минимального взаимодействия с матрицей зависит от вида час­тиц, их объемной концентрации, а также от равномерности рас­пределения в матрице. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем проч­нее КМ. Структурные факторы определяют следующий допустимый уровень статической прочности в конструкциях различного назначения: для сталей σ_в=1600-2000 МПа, для титановых сплавов σ_в=1000-1250 МПа, для алюминиевых сплавов σ_в=550-600 МПа,

_. Применяют дисперсные частицы туго­плавких фаз типа А1₂0₃, SiO ₂, ВN, SiС, имеющие малую плотность и высокий модуль упругости. КМ обычно получают методом по­рошковой металлургии, важным преимуществом которого явля­ется изотропность свойств в различных направлениях. В промышленности применяют дисперсноупрочнен­ные КМ на алюминиевой и никелевой основах.

Дисперсноупрочнен­ные КМ на алюминиевой основе. Характер­ными представителями этого вида композиционных материалов являются материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые состоят из алюминиевой матрицы, упрочненной дис­персными частицами оксида алюминия. Алюминиевый порошок получают распылением расплавленного металла с последующим измельчением в шаровых мельницах до размера около 1 мкм в присутствии кислорода. С увеличением длительности помола пудра становится мельче и в ней повышается содержание оксида алюминия. Дальнейшая технология производства изделий из полуфабрикатов из САП включает холодное прессование, предварительное спекание, горячее прессование, прокатку или выдавливание спеченной алюминиевой заготовки в форме готовых изделий, которые можно подвергать дополнительной термической обработке.

Марки САП, применяемые в России, содержат 6-23 % А1₂0₃. Различают САП-1 с содержанием 6-9, САП-2 с 9-13, САП-3 с 13-18 % А1₂0₃. С увеличением объемной концентрации оксида алю­миния возрастает прочность композиционных материалов. При комнатной температуре характеристики прочности САП-1 сле­дующие: σ _в = 280 МПа, σ_{0 2} = 220 МПа; САП-3: σ _в = 420 МПа, σ_{0 2} = = 340 МПа.

Сплавы типа САП удовлетворительно деформируются в горя­чем состоянии, а сплавы с 6-9 % А1₂0₃ - и при комнатной темпе­ратуре. Из них холодным волочением можно получить фольгу толщиной до 0,03 мм. Эти материалы хорошо обрабатываются резанием и обладают высокой коррозионной стойкостью.

Материалы типа САП обладают высокой жаропрочностью и превосходят все деформируемые алюминиевые сплавы. Жаро­прочность объясняется тормозящим действием дисперсных час­тиц на процесс рекристаллизации. Характеристики прочности сплавов типа САП весьма стабильны. Испытания длительной прочности сплавов типа САП-3 в течение 2 лет практически не повлияли на уровень свойств как при комнатной температуре, так и при нагреве до 500 "С. При 400 °С прочность САП в 5 раз выше прочности стареющих алюминиевых сплавов.

Влияние температуры на механические свойства сплавов типа САП показаны ниже:

Тисп,°C 20 100 200 300 400 500

σ _в,МПа 380 315 235 175 130 105

σ_02,МПа 265 235 190 155 120 105

δ,% 7,0 6,5 5,0 3,5 2,0 2,5

Сплавы типа САП применяют в авиационной технике для из­готовления деталей с высокой удельной прочностью и коррозион­ной стойкостью, работающих при температурах до 300-500 °С. Из них изготавливают штоки поршней, лопатки компрессоров, обо­лочки тепловыделяющих элементов и трубы теплообменников.