Физико-механические свойства композиционных материалов. Упругие свойства

А. М. Капитонов
В. Е. Редькин

Монография

Институт инженерной физики и радиоэлектроники

физиКо-МЕхАничЕсКиЕ сВойстВА
КоМпозиционных МАтЕРиАлоВ

упРугиЕ сВойстВА

Монография посвящена изучению упругих свойств 
композиционных 
материалов 
(КМ). 
сформулированы методологические принципы изучения физикомеханических свойств твердых тел со сложной внутренней структурой. представлена классификация КМ, 
в основу которой положен принцип иерархии системы 
«твердое тело». с единых позиций систематизированы 
упругие свойства КМ, принадлежащих разным структурным уровням системы «твердое тело». 
приводится сводка данных об упругих свойствах 
КМ. предложен принцип предельных значений физикомеханических характеристик КМ. установлена иерархия 
структурной чувствительности физико-механических 
характеристик КМ. проведен анализ существующих 
методов расчета упругих характеристик изотропных и 
анизотропных КМ. Большое внимание уделено анализу 
точности определения упругих характеристик КМ.

Физико-механические свойства композиционных материалов
Упругие свойства

А. М. Капитонов
В. Е. Редькин

9 785763 827507

ISBN 978-5-7638-2750-7

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
А. М. Капитонов, В. Е. Редькин 
 
 
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 
 
УПРУГИЕ СВОЙСТВА 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2013 

УДК 620.22:539.31 
ББК 34.22 
          К202 
 
 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: Г. И. Фролов, д-р физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник Института физики им. Киренского СО РАН; 
Г. Г. Крушенко, д-р тех. наук, профессор, главный научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН 
 
 
 
 
 
Капитонов, А. М.  
К202       Физико-механические свойства композиционных материалов. Упругие свойства : монография / А. М. Капитонов, В. Е. Редькин. – 
Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2013. – 532 с.  
ISBN 978-5-7638-2750-7 
 
Монография посвящена изучению упругих свойств композиционных материалов (КМ). Сформулированы методологические принципы изучения физикомеханических свойств твердых тел со сложной внутренней структурой. Представлена классификация КМ, в основу которой положен принцип иерархии системы 
«твердое тело». С единых позиций систематизированы упругие свойства КМ, 
принадлежащих разным структурным уровням системы «твердое тело».  
Приводится сводка данных об упругих свойствах КМ. Предложен принцип 
предельных значений физико-механических характеристик КМ. Установлена иерархия структурной чувствительности физико-механических характеристик КМ. 
Проведен анализ существующих методов расчета упругих характеристик изотропных и анизотропных КМ. Большое внимание уделено анализу точности определения упругих характеристик КМ.  
Монография предназначена для научных сотрудников и аспирантов, специализирующихся на изучении физики твердого тела, материаловедения, а также 
технологов и инженеров производства композиционных материалов. 
 
 
УДК 620.22: 539.3 
ББК 34.22 
 
ISBN 978-5-7638-2750-7 
 
 
 
 
         © Сибирский федеральный  
                                                                                                            университет, 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………… 
9
 
Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ  
               МАТЕРИАЛОВ И ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА  
               К ИЗУЧЕНИЮ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ  
               КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ……………………. 
11
1.1. Основные определения и классификация………………. 
11
1.2. Применение системного анализа к изучению  
       физико-механических свойств…………………………... 
21
1.2.1. Принцип иерархии………………………………… 
23
1.2.2. Элемент, элементарная ячейка, структура……… 
25
1.2.3. Изменение физических свойств при ранговом  
          переходе в системе  композиционные материалы 
30
 
Глава 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ………….. 
33
2.1. Общие сведения о диаграммах  
       «напряжение – деформация» композиционных  
       материалов………………………………………………… 
33
2.1.1. Упруго-пластические мягкие материалы………… 
35
2.1.2. Сверхпластичные материалы……………………... 
41
2.1.3. Упруго-пластические жесткие материалы:  
          инструментальные стали………………………….. 
42
2.1.4. Конструкционные материалы с особыми  
          механическими свойствам:  
          мартенситное состояние…………………………... 
44
2.1.5. Магнитоупорядоченные конструкционные  
          материалы………………………………………….. 
60
2.1.6. Природные композиционные материалы:  
          горные породы……………………………………... 
64
2.1.7. Материалы с композиционной структурой………. 
67
2.1.8. Эластичные материалы: резины………………….. 
74
2.2. Обобщение данных по диаграммам  
       «напряжение – деформация» композиционных  
       материалов………………………………………………… 
75
2.3. Поведение материалов при разных видах нагружения 
78
 

2.4. Классификация механических характеристик…………. 
79
2.4.1. Механические состояния…………………………. 
79
2.4.2. Прочностные и деформационные показатели…… 
81
2.4.3. Упругие показатели композиционных материалов 
88
2.5. Упругие свойства композиционных материалов  
       с ориентационной недетерменированностью:  
       однофазные поликристаллы……………………………... 
102
2.6.  Упругие свойства композиционных материалов  
        с ориентационной и вещественной  
        недетерменированностью: многофазные поликристаллы 
108
2.6.1. Эффективные упругие характеристики………….. 
110
2.6.2. Выражение эффективных упругих постоянных 
          через коэффициенты концентрации средних  
          напряжений и деформаций………………………... 
111
2.6.3. Расчет упругих модулей полимеров,  
          армированных наноалмазами…………………….. 
120
2.6.4. Расчет упругих модулей композиционных  
          материалов с высокой твердостью……………….. 
124
2.7. Влияние вещественной анизотропии на упругие  
       характеристики композиционных материалов…………. 
128
2.8. «Неупругость» композиционных материалов………….. 
134
2.8.1. Определение «неупругости»……………………… 
135
2.8.2. Квазистатические функции отклика……………… 
137
2.8.3. Основные динамические функции отклика……… 
141
2.8.4. Определяющие соотношения между  
         динамическими деформациями и напряжениями 
143
2.8.5. Динамические свойства стандартного  
          неупругого тела……………………………………. 
146
2.8.6. Динамические свойства стандартного неупругого 
          тела при изменении температуры……………….. 
149
2.9. Назначение упругих постоянных……………………….. 
150
2.9.1. Применение упругих характеристик материалов  
          для определения технологических параметров  
          надежности деталей из них………………………. 
152
2.9.2. Изучение методом динамической упругости 
          пластических свойств поликристаллов…………. 
155
2.9.3. Применение метода динамической упругости  
          для контроля качества композиционных материалов 
163
2.10. Методы изучения упругих свойств  
         композиционных материалов……………………... 
164
2.10.1. Статические методы…………………………….. 
164
2.10.2. Динамические методы…………………………… 
166

Глава 3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ 
               МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД:  
               ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ…….. 
182
3.1. Фазовая диаграмма сплавов системы  
       «железо – углерод»………………………………………. 
184
3.2. Фазовый состав и структура сталей  
       при термической  обработке…………………………….. 
188
3.2.1. Фазовые составляющие стали…………………….. 
189
3.2.2. Структуры сталей…………………………………. 
196
3.3. Изменение фазового состава и структуры стали  
       при термообработке………………………………………. 
200
3.4. Физическое состояние инструмента при эксплуатации 
203
3.5. Поведение стали при разных видах нагружения……….. 
205
3.6. Прочностные и деформационные характеристики  
       углеродистых инструментальных сталей………………. 
206
3.6.1. Твердость инструментальных сталей…………….. 
207
3.6.2. Предел упругости………………………………….. 
214
3.6.3. Предел прочности на сжатие……………………… 
215
3.6.4. Предел текучести при сжатии…………………….. 
216
3.6.5. Предел прочности при изгибе……………………. 
217
3.6.6. Предел прочности при растяжении………………. 
223
3.6.7. Прочность при кручении………………………….. 
224
3.6.8. Динамические испытания. Вязкость сталей……... 
225
3.7. Упругие свойства фазовых составляющих сталей…….. 
228
3.7.1. Методологический подход при изучении 
          упругих свойств сталей……………………………. 
229
3.7.2. Плотность углеродистых сталей………………….. 
232
3.7.3. Упругие постоянные кристаллических фаз сталей 
235
3.8. Упругие свойства сталей: анализ литературных данных 
259
3.8.1. Влияние аустенита на упругие свойства 
          ферритовых сталей: расчет………………………... 
265
3.8.2. Экспериментальные исследования влияния  
          термообработки на упругие постоянные сталей… 
268
3.8.3. Влияние цементита на упругие свойства 
          инструментальных сталей: расчет………………... 
271
3.9. Применение метода динамической упругости  
       для контроля качества изделий  
       из инструментальных сталей……………………………. 
283
3.9.1. Физические основы метода………………………. 
284
3.9.2. Влияние термической обработки  
          на скорость ультразвука в сталях………………… 
284
 

Глава 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  
               ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ 
               МАТЕРИАЛОВ: БЫСТРОРЕЖУЩИЕ  
               ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ………………………….. 
289
4.1. Диаграмма вольфрамовых теплостойких сталей………. 
290
4.2. Карбиды быстрорежущих сталей……………………….. 
291
4.3. Основные фазы вольфрамовых сталей  
       при термообработке и влияние их на физические свойства 
295
4.3.1. Отжиг………………………………………………. 
296
4.3.2. Закалка……………………………………………... 
297
4.3.3. Отпуск……………………………………………… 
300
4.4. Плотность теплостойких сталей………………………… 
305
4.5. Структура стали………………………………………….. 
308
4.6. Упругие свойства сталей………………………………… 
308
4.6.1. Зависимость упругих постоянных сталей  
          от фазового состава……………………………….. 
309
4.6.2. Экспериментальные исследования  
          упругих свойств теплостойких сталей…………… 
320
 
Глава 5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ 
               МАТЕРИАЛОВ ВТОРОГО РАНГОВОГО УРОВНЯ:  
               ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ…………………………………………. 
329
5.1. Твердые сплавы системы карбид вольфрама – кобальт 
330
5.1.1. Фазовый состав и структура сплавов…………….. 
331
5.1.2. Методологические принципы изучения  
          механических свойств твердых сплавов…………. 
337
5.1.3. Форма представления зависимости состав –  
          физические свойства твердых сплавов…………. 
339
5.1.4. Общие положения изучения  
          физико-механические свойств твердых сплавов 
342
5.1.5. Предельное значение плотности твердых сплавов 
344
5.1.6. Упругие свойства………………………………….. 
345
5.1.7. Предел упругости и предел текучести…………… 
346
5.1.8. Прочностные показатели…………………………. 
348
5.1.9. Предельные значения упругих характеристик  
          композиционных  материалов……………………. 
353
5.1.10. Упругие модули сплавов системы  
            вольфрама – кобальт: расчет…………………….. 
355
5.1.11. Влияние структурных дефектов  
            (пор и микротрещин) на упругие модули 
            композиционных материалов…………………… 
362
 

5.1.12. Упругие свойства сплавов системы  
            карбид вольфрама – кобальт, полученных  
            методом горячего прессования  
            с использованием плазмоэлектролитного нагрева 
366
5.1.13. Методологические принципы установления  
            корреляционных связей между  
            физико-механическими характеристиками  
            твердых сплавов………………………………….. 
382
5.2. Упругие свойства безвольфрамовых твердых сплавов 
384
5.2.1. Упругие свойства фазовых составляющих………. 
385
5.2.2. Теоретические и экспериментальные  
           исследования упругих свойств…………..……… 
387
 
Глава 6. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  
               КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, 
               СОДЕРЖАЩИХ НАНОПОРОШКИ………………………… 
399
6.1. Композиционные материалы системы алюминий –  
       ультродисперсный алмаз………………………………… 
400
6.2. Полимерные композиционные материалы  
       на основе эпоксидных смол……………………………… 
402
6.3. Исследование  механических свойств эластичных  
       материалов квазистатическим методом………………… 
409
6.3.1. Общая характеристика механических свойств  
          резин……………………………………………….. 
410
6.3.2. Температурная зависимость комплексного  
          упругого модуля резин……………………………. 
413
6.4. Температурная зависимость комплексного  
       упругого модуля  композиционных материалов  
       с использованием древесины……………………………. 
421
 
Глава 7. УПРУГИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ 
               МАТЕРИАЛОВ С ВОЛОКНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ………. 
424
7.1. Состав и основные свойства волокнистых композитов 
425
7.2. Симметрия и упругие свойства волокнистых композитов 
438
7.2.1. Показатели упругих свойств  
          волокнистых композитов…………………………. 
439
7.2.2. Теория расчета упругих постоянных  
           волокнистых композитов………………………… 
440
7.3. Расчет упругих постоянных композитов системы: 
       эпоксидная смола + углеродные волокна……………… 
441
7.4. Расчет упругих постоянных композитов системы: 
       алюминий – борные волокна……………………………. 
444

7.5. Экспериментальные исследования упругих свойств  
       композитов системы: алюминий – борные волокна…… 
448
 
Глава 8. УПРУГИЕ СВОЙСТВА СЛОИСТЫХ  
               КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ……………………. 
464
8.1. Расчет упругих характеристик слоистых  
       композиционных материалов…………………………… 
465
8.1.1. Упругие показатели………………………………. 
465
8.1.2. Методы расчета упругих постоянных…………… 
466
8.2. Применение метода динамической упругости  
       для контроля качества слоистых композиционных  
       материалов, приготовленных по раздельной технологии 
468
8.3. Особенности определения упругих постоянных  
       слоистых сред ультразвуковым методом………………. 
473
8.4. Экспериментальные исследования упругих свойств  
       природных слоистых композиционных материалов….. 
483
8.4.1. Структурно-вещественная характеристика  
          горных пород………………………………………. 
483
8.4.2. Горные породы с композиционной структурой… 
488
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………. 
500
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………. 
505
   
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Современному машиностроению необходимы конструкционные материалы с повышенными эксплуатационными свойствами: удельной прочностью и жесткостью, жаропрочностью и износостойкостью, высоким сопротивлением усталостному разрушению, способностью работать в условиях высоких и криогенных температур. Именно композиционные материалы (КМ) позволяют получить улучшенные служебные характеристики 
различных установок и агрегатов. Комплекс необходимых свойств можно 
получить созданием материала, состоящего из двух или более разнородных 
фаз и имеющих свойства, отличные от свойств исходных компонентов. 
Композиционные материалы – гетерогенные (неоднородные) среды. 
Если исходить из такого общего определения композиционных материалов, то к ним  можно отнести практически все имеющиеся материалы. Это 
монокристаллы (монокристаллы стали, монокристаллы со сложной внутренней структурой), поликристаллы (однофазные и многофазные), многокомпонентные стохастические смеси и матричные смеси.  
 Существует достаточно много разновидностей классификаций композиционных материалов, в основу которых с позиций материаловедения 
положены: происхождение, назначение, тип материала матрицы, природа 
компонентов, размер фазовых включений, признаки структуры, методы 
получения. 
  В настоящей монографии авторы систематизировали композиционные материалы, следуя общенаучному системному подходу, используя 
принцип иерархии системы «твердое тело». В основу данной иерархии положены структурно-вещественные признаки, каждый из которых становится доминирующим на соответствующем структурном уровне этой системы. Только таким путем можно установить общие закономерности физических свойств композиционных материалов. Так, для слоистых композиционных материалов определяющим становится структурный признак,       
а вещественный признак находится на втором месте. В результате среда 
обладает определенной симметрией, отличной от симметрии шара и, как 
следствие, физические свойства ее становятся анизотропными.  
Данная монография является первой частью результатов изучения 
физико-механических свойств композиционных материалов, а именно упругих свойств. Упругие свойства стоят на первом месте в последовательности всех механических свойств материалов, характеризующихся диаграммой напряженно-деформированного состояния. Авторы не ставили 

перед собой задачу в данной книге дать сколько-нибудь полный анализ 
физико-механических свойств композиционных материалов. На примере 
наиболее типичных композиционных материалов, имеющих разное происхождение, авторы сделали попытку установить общие закономерности их 
механических свойств. При описании свойств композиционных материалов обращается внимание на важные характеристики, свойственные определенному механическому состоянию, такие как упругие постоянные, 
твердость, предел упругости, предел прочности, показатели пластичности 
и длительная прочность. Но основными все же являются упругие свойства, 
поскольку цель монографии –  установить связь между упругими и эксплуатационными параметрами.  
Фактический материал анализируется с позиций методологических 
принципов, которые развиты авторами. В последующих частях книги «Физико-механические свойства композиционных материалов» будут более 
подробно рассмотрены прочностные и деформационные свойства.  
В литературе имеется большое количество экспериментальных данных по упругим свойствам многочисленных видов композиционных материалов, тем не менее до сих пор нет обобщающих работ. При сравнении 
упругих постоянных композиционных материалов из разных источников 
обнаруживаем такое отличие данных, что ставит под сомнение правильность полученных значений. Основной причиной выявленных несоответствий является отсутствие четких определений упругих характеристик, а 
также методологии  их определения. Кроме того, многие из авторов перечисленных в книге первоисточников, как правило, не ставили вопрос о 
том, какие упругие характеристики они измеряют, эффективные или решеточные, а также не различали статические и динамические упругие характеристики. А этот вопрос имеет принципиальное значение, ответ на который  изложен в настоящей монографии.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Г л а в а  1 

 
КЛАССИФИКАЦИЯ  
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ  
И ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА  
К ИЗУЧЕНИЮ  
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ  
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 
 
 
Существует достаточно много классификаций композиционных материалов. При изучении физико-механических свойств композиционных 
материалов авторы применили системный подход. Использована иерархия 
системы «твердое тело» [1], в основу которой положены вещественноструктурные признаки. Именно такой подход позволяет установить общие 
закономерности механических свойств композиционных материалов.  
 
 
1.1. Основные определения и классификация 
 
В научной литературе дано такое определение композиционных материалов: «К композиционным материалам относят материалы, которые 
обладают следующей совокупностью признаков: состоят из двух или более 
компонентов, различающихся по своему химическому составу или структуре и разделенных выраженной границей; имеют новые свойства, отличающиеся от свойств составляющих их компонентов, при этом свойства 
определяются каждым из компонентов» [2].  
Общим определением можно считать: «Композиционные материалы – 
гетерогенные (неоднородные) среды». Исходя из этого определения к композиционным материалам можно отнести: монокристаллы,  поликристаллы (однофазные, многофазные) разного происхождения, многокомпонентные стохастические смеси, матричные смеси.  
Монокристаллы. Приведем несколько примеров монокристаллов, 
которые из-за особенности их структуры можно отнести к композиционным материалам. Монокристалл стали 
21
H
60
 сложный гетерогенный материал [3]. Другим примером может являться монокристалл элинварного 
сплава 47 % Fe, 43 % Ni, 5,5 % Cr, 3,3 % Ti, 11,2 % Al [4]. Сплавы  
Cr
Ni
Fe


 представляют собой твердые растворы с ГЦК решеткой. Легирование их титаном и алюминием приводит к образованию при отпуске 
упорядоченной фазы . Следовательно, монокристалл при определенных 

условиях термообработки может содержать две фазы    и  . Монокристалл в таком состоянии отвечает требованиям композиционного материала.  
Магнитоупорядоченные монокристаллы имеют определенного типа 
магнитные домены. Монокристаллы имеют два вида структур: кристаллическую структуру и магнитную доменную структуру, которые взаимосвязаны между собой из-за взаимодействия решетки с магнитной подсистемой. Следовательно, магнитоупорядоченные монокристаллы являются гетерогенными средами.   
Однофазные поликристаллы. Однофазные поликристаллы имеют 
границы между зернами. В целом однофазный поликристалл можно считать матрицей, а границы между зернами отождествить с включениями. 
Поликристаллические материалы могут быть получены разными методами: литьем, порошковой металлургией. В природе однофазные поликристаллические материалы образуются в результате геологических процессов. Например, осадконакопления и дальнейшего генезиса горных пород.    
На практике, как правило, чистые поликристаллические материалы 
не применяются из-за плохих физико-механических характеристик. Следует 
отметить, что возможность повышения прочности многих металлов и сплавов традиционными методами, пожалуй, исчерпана.  
В последние годы для улучшения свойств металлов и сплавов был 
получен новый класс материалов – наноструктурные металлы и сплавы. 
Разработано несколько методов получения таких материалов. Большинство из них включает компактирование порошков, получаемых разными способами. Получение компактированием объемных наноматериалов связано 
с определенными проблемами качества образцов. В них при компактировании сохраняется некоторая остаточная пористость, имеет место загрязнение образцов при подготовке порошков и их консолидации, с невозможностью получения образцов больших геометрических размеров.   
Многие из перечисленных проблем преодолены, при использовании 
методов интенсивной пластической деформации (ИПД), которые заключается в пластическом деформировании материала в условиях высоких давлений [5]. Методы ИПД позволяют сформировать ультрамелкозернистую 
структуру с размерами зерен порядка нескольких десятых долей микрона. 
Для реализации этих методов разработаны специальные схемы механического деформирования: интенсивное кручение под высоким давлением, 
равноканальное угловое (РКУ) прессование и др. [6, 7].  
 Можно с уверенностью сказать, что в настоящее время в физическом материаловедении сформировалось новое научное направление, в котором получение объемных нано-структурных конструкционных и функциональных материалов, обеспечивается методами интенсивной пластической деформации. Этот способ позволяет достигать наиболее высокие значения физико-механических показателей.  

Существует и другая схема получения наноматериалов методом интенсивной пластической деформации. Это перевод вещества в аморфное 
состояние методом интенсивной пластической деформации кручения 
(ИПДК), а последующими отжигами в них формируется однородные               
нанокристаллические (НК) состояния. В работах [8–18] этим способом были получены наносплавы никелида титана.  
Разработаны оригинальные методики (кручение в бойках с канавкой), 
позволяющие подвергать ИПДК большеразмерные образцы диаметром            
20 мм и толщиной до 1 мм в условиях квазигидростатического давления до 
6 ГПа [19]. В [20] сообщается о результатах  исследований структуры                 
и свойствах никелида титана при ИПДК.   
Воздействие ИПД приводит к формированию в металлах и сплавах 
ультрамелкозернистых неравновесных структур. Для этих структур характерно присутствие высоких плотностей решеточных и зернограничных 
дислокаций, которые создают дальнодействуюшие поля упругих напряжений. По этой причине наноструктуры обладают высокой запасенной энергией, а сами  материалы являются метастабильными. Термостабильность 
структуры становится важным критерием при практическом использовании наноматериалов, получаемых методами ИПД.  
Многофазные поликристаллы. Структурная особенность многофазных поликристаллов заключается в том, что они являются сложными 
гетерогенными средами с двумя видами неоднородности – ориентационной и вещественной. Отсюда и улучшение эксплутационных свойств этих 
материалов.  
Существует несколько способов, ставших уже  традиционными, повышения физико-механических характеристик металлов и сплавов. Перечислим их: это метод дисперсионного твердения [21] (осаждение дисперсной вторичной фазы из твердого раствора в процессе старения),  внутреннее окисление [22], твердорастворное упрочнение и др.  
Материалы с композиционной структурой. Этот тип материалов 
вытекает из общепринятого определения композиционных материалов. 
Это материалы с пространственно упорядоченным расположением вещества и кристаллических фаз, т. е. материалы с композиционной структурой 
[23–27]. Они могут быть получены по технологии раздельного изготовления элементов композиции – матрицы и наполнителя (пластины, сетки, волокна и т. п.), совместной укладки и, наконец, соединения элементов композиции. К материалам с композиционной структурой принадлежат и эвтектические композиты (ЭК), получаемые в процессе направленной кристаллизации эвтектик [28]. Эвтектические композиты – это гетерогенные 
материалы с пространственно ориентированным упорядоченным расположением фаз. В качестве примера можно привести пластинчатый ЭК 

2
CuAl
Al 
 или волокнистый ЭК 
Ni
Al
Al
3

 [28]. 

Углеродистые инструментальные стали со структурой пластинчатого 
перлита на микроскопическом уровне можно отнести к материалам с композиционной структурой, поскольку отдельная колония перлита состоит из 
чередующихся пластин феррита и цементита.  
Материалы с упорядоченным расположением макроскопических дефектов: пор (сферические поры различного диаметра, вытянутые поры – 
эллипсоидальные или иглоподобные) и трещин – тоже могут быть отнесены к средам с композиционной структурой.  
Наиболее распространена композиционная структура в природных 
материалах осадочного происхождения. Среды биологического происхождения – биополимеры могут также иметь слоистую композиционную 
структуру, например, роговица глаза человека.    
 
Классификация  
композиционных материалов 
с позиций материаловедения 

С позиций материаловедения основой  классификации композиционных материалов становятся: происхождение, назначение, тип  матери- 
ала матрицы, природа компонент, размер фазовых включений, признаки 
структуры, методы получения. 
По происхождению различают искусственные и природные композиционные материалы. Искусственные композиционные материалы являются продуктом деятельности человека и  создаются по определенной технологии, с наперед заданной структурой. К природным композиционным 
материалам можно отнести:  древесину, состоящей из мягкого лигнина              
и высокопрочных волокон целлюлозы; горные породы, образованные              
в результате геологических процессов; материалы биологического происхождения.  
По материалу матрицы различают: металлические композиты              
(в том числе получаемые методом порошковой металлургии и сплавы, состоящие из макронеоднородных фаз); полимерные композиты (термопластичные, на основе реактопластов, на основе смесей полимеров); керамические композиты.  
Матрица придает изделию из композита заданную форму и монолитность, обеспечивает передачу и распределение нагрузки в объеме материала, защищает армирующие элементы от внешних воздействий. Тип матрицы в наибольшей мере определяет диапазон рабочих температур, коррозионную стойкость, электрические свойства, теплофизические характеристики, кинетические закономерности старения, технологию изготовления и 
важнейшие эксплуатационные характеристики композиционного материала и изделий из него. 
Классификация композиционных материалов по назначению.           
В этом случае их делят на конструкционные, инструментальные, коррози

онностойкие, антифрикционные, пьезоэлектрические, теплозащитные, 
магнитные и т. д.  
В металлических коррозионностойких биметаллах  в качестве основного слоя чаще используют углеродистую сталь, плакирующего слоя – нержавеющие стали [29]. 
В металлических износостойких и инструментальных биметаллах  в качестве плакирующего слоя применяют высокоуглеродистые инструментальные стали, содержащие 0,60–1,30 % С, а также износостойкие инструментальные и карбидные стали типа 6ХС, 85ХФ, 3Х5ВФ, 65Г, Х12М и др. 
[30–32]. Основным слоем обычно служит низкоуглеродистая сталь. Для 
быстрорежущих инструментальных сталей одним из путей экономии дорогостоящих металлов, таких как вольфрам, кобальт, ванадий, молибден,  является использование фасонных биметаллических профилей, применяемых 
для изготовления фрез, резцов, плашек, метчиков, разверток и т. д.  
Классификация по отраслям применения. Композиты изготавливают для аэрокосмической промышленности, судостроения, автомобилестроения, электроники, стоматологии, ортопедии и др.  
По природе компонентов, вводимых в матрицу. По этому признаку  
композиты подразделяются на группы, соответствующие признакам модифицирующих компонентов. Номенклатура последних очень широка и включает практически все технические материалы. Классификация композитов 
по этому признаку имеет иерархическую структуру. Первой ступенью в 
ней является разделение композитов на наполненные и армированные.  
Наполненные композиты содержат в матрице наполнители – дисперсные (т. е. раздробленные, мелкие) частицы неорганических и органических веществ, которые могут находиться в любой фазе. Наполнители 
выполняют в композитах следующие функции: изменяют механические 
показатели композитов и придают им специальные свойства (электрическую проводимость, химическую стойкость, звукопоглощение и т. д.); 
улучшают технологичность композитов, т. е. их приспособленность к переработке в изделия (например, пластификаторы увеличивают смачивание 
связующим порошковых частиц; активные добавки усиливают адгезию 
компонентов и т. п.). Наполненные композиты обладают изотропными физическими свойствами.  
Армированные композиты имеют в составе армирующие элементы 
(арматуру) более прочные, чем матрица. При эксплуатации изделия они 
воспринимают значительную часть приложенной к нему механической нагрузки. С помощью наполнителей прочность матрицы можно увеличить         
в несколько раз, а путем армирования – на порядок и более. Кроме того, 
армирующие элементы могут придавать композитам особые физические 
свойства. Армированные композиты обладают анизотропией механических и других свойств. Вклад армирующих компонентов (волокна, нити,