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 

Классификация композиционных материалов 

ры, контролирующей высокотемпературную прочность. При оценке влияния структурных факторов на 
высокотемпературные 
свойства ДУКМ необходимо учитывать и плотность дислокации, 
их распределение, размер частиц, расстояние между ними, т.е. 
создание стабильной структуры, формирующейся при деформационно-термической обработке под воздействием тонких упрочняющих частиц, равномерно распределенных в матрице и нерастворяющихся в ней. 

Образованная в результате деформации и последующего высокотемпературного отжига структурная неоднородность сохраняется в ДУ материалах во всем интервале температур до 0,977^ и 
является типичной структурой указанных материалов. 

Высокая стабильность субструктуры в этих материалах при рабочих температурах оказывает значительное сопротивление ползучести и выгодно отличает ДУ композиты от конструкционных 
материалов по жаропрочности при температурах 0,8...0,957^ [12]. 

При изучении влияния термической обработки и деформации 
на структуру и свойства дисперсноупрочненных сплавов установлено [12], что жаропрочность хрупкого материала определяется 
суммарной степенью деформации исходных заготовок и температурой рекристаллизационного отжига. 

Практически волокнистые, слоистые и дисперсноупрочненные 
материалы принято относить к термодинамическим неравновесным системам. Только эвтектические композиты в силу специфических условий кристаллизации являются термодинамически равновесными. Во всех композиционных материалах, за исключением 
эвтектических, структурные элементы композитов — матрицу и 
армирующий компонент выбирают готовыми, а окончательно 
структура формируется искусственно при изготовлении изделия 
или полуфабриката. Одним из важных технологических факторов, 
определяющих тип структуры и уровень задаваемых свойств в различных частях конструкций с учетом напряженного состояния, 
является схема армирования, т.е. расположение слоев армирующих волокон в матрице композиционного материала. 

1.1.2. Волокнистые наполнители в композиционных материалах 

В композиционных материалах на основе металлических матриц армирующие элементы воспринимают нагрузку, а металлическая матрица передает нагрузку волокнам и распределяет ее между 

тт 

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

ними. Поэтому механические свойства таких композитов зависят 
прежде всего от свойств волокон. 

Из всех известных армирующих материалов борные и углеродные волокна являются одними из наиболее перспективных для 
упрочнения алюминиевых, магниевых (углеродное волокно) и титановых (борное волокно) металлических матриц, в связи с тем, 
что предел прочности указанных волокон составляет ~ 3500 МПа, 
а модуль упругости ~ 400 ГПа при плотности 1700...2600 кг/м3 [13]. 
Это обеспечивает достижение в КМ весьма высоких значений 
удельной прочности и удельного модуля упругости. 

К неметаллическим относятся волокна: борные, углеродные, 
карбида кремния, нитевидные кристаллы карбида и нитрида 
кремния и др.; к металлическим армирующим компонентам относятся волокна (проволока) бериллия, вольфрама, стали и др. сплавов. 

Жесткие армирующие волокна воспринимают основные напряжения, возникающие при нагружении, придавая КМ прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Податливая металлическая матрица, заполняющая межволоконное пространство, осуществляет передачу напряжений отдельным волокнам за счет касательных напряжений, действующих вдоль границы 
раздела волокно—матрица. Для металлической проволоки характерно повышенное удлинение при разрыве (2...5 %) по сравнению 
с удлинением борных волокон (0,2...0,8 %) и углеродных волокон 
(0,5... 1,5 %) [14]. Борные и углеродные волокна обладают малой 
способностью разупрочняться с повышением температуры, малой 
пластичностью, высоким модулем упругости и малой плотностью 
(табл. 1). 

12