Композиционные материалы - раздел Образование, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Композиционными Материалами, Или Композитами, Называют...
Композиционными материалами, или композитами, называют материалы, состоящие из сильно различающихся по свойствам друг от друга, взаимно нерастворимых компонентов.
Традиционно применяемые сплавы в известной мере достигли своего предела конструктивной прочности. Развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Эту задачу можно осуществить путем создания композиционных материалов.
Создание сложных композиционных материалов относится к древним временам, к началу развития человеческой цивилизации. Общепризнанно, что техническое развитие древнего мира определялось двумя жизненно важными условиями: наличием необходимых материалов и возможностью обмена информацией. Отсутствие одного из этих условий практически приводило к прекращению развития общества.
Первые, высушенные на солнце, кирпичи и гончарные изделия, появившиеся за 5000 лет до н. э., уже были сложными композиционными материалами. Для их изготовления в глину часто добавляли измельченные камни или материалы органического происхождения, чтобы уменьшить усадку и растрескивание при обжиге. Первые армированные материалы на полимерной основе использовались вавилонянами в период от 4000 до 2000 лет до н. э. Это были строительные материалы на основе армированной битумной смолы. Имеются сведения, что монгольские луки изготавливались из большого количества различных материалов, в том числе из сухожилий животных, древесины и шелка, соединенных с помощью клея. Стволы дамасских пушек и японские церемониальные мечи также изготавливались из композиционных материалов. Характерным примером могут служить датские телеги последнего столетия до н. э., в которых использовалась довольно сложная комбинация из дерева и бронзы в качестве подшипников скольжения.
Таким образом, начало технологии композиционных материалов уходит в античные времена. Это в первую очередь технология полимерных композиционных материалов, являющихся наиболее древними из всех. Если при этом учесть такие композиционные материалы, как дерево, кость и т. п., то не будет преувеличением сказать, что развитие современной техники и технологии было бы невозможным без композиционных материалов.
Композиционные материалы состоят из сравнительно пластичного матричного материала и более твердых и прочных веществ, являющихся упрочняющими наполнителями. Матрица связывает композицию и придает ей нужную форму. В зависимости от материала матрицы различают композиционные материалы с металлической матрицей или металлические композиционные материалы (МКМ), с полимерной – полимерные композиционные материалы (ПКМ) и с керамической – керамические композиционные материалы (ККМ). По типу упрочняющих наполнителей композиционные материалы подразделяют на дисперсно-упрочненные, армированные (волокнистые) и слоистые (рис. 17.6). В дисперсно-упрочненные композиционные материалы искусственно вводят мельчайшие равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и другие, не взаимодействующие с матрицей и не растворяющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояния между ними, тем прочнее композиционный материал.
В дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным несущим элементом.
Арматурой в армированных композиционных материалах могут быть волокна различной формы (нити, ленты, сетки разного плетения). Прочность таких композиционных материалов определяется прочностью армирующих волокон, которые воспринимают основную нагрузку. Армирование дает больший прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически легче осуществимо.
Рис. 17.6. Схема строения композиционных материалов:
а – дисперсно-упрочненные; б – волокнистые; в – слоистые
Слоистые композиционные материалы набираются из чередующихся слоев волокон и листов матричного материала (типа «сэндвич»). Слои волокон в таком композиционном материале могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев матрицы из сплавов с различными механическими свойствами.
Из освоенных промышленностью композиционных материалов ведущее место занимают металлические композиционные материалы на основе алюминия и его сплавов. Использование алюминия в качестве матричного материала обусловлено широким распространением его в технике, низкой плотностью, коррозионной стойкостью, возможностью регулировать механические свойства алюминиевых сплавов термической обработкой и подвергать их различным видам обработки давлением и литья.
Все темы данного раздела:
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Учебник
Под редакцией доктора технических наук, профессора В. С. Кушнера
Допущено Учебно-методическим объединени
Строение сплавов
Сплавы – важные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких элементов периодической системы, называемых компонентами. Сплав считается металличес
Процесса кристаллизации
Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях – газообразном, жидком и твердом. Изменение агрегатного состояния происходит при определенных температурах. Температура
Процесса кристаллизации
В жидком состоянии атомы вещества вследствие теплового движения перемещаются беспорядочно. В то же время в жидкости имеются группировки атомов небольшого объема, в пределах которых
Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм
Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных
Механические свойства материалов
Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе металла для изготовления деталей машин необходимо знать его м
Деформации и напряжения
Напряжение – мера внутренних сил, возникающих в материале под влиянием внешних воздействий (нагрузок, изменения температуры и пр.). Для изучения напряжений через произвольную
Испытание материалов на растяжение и ударную вязкость
Испытания на растяжение относят к самым распространенным видам механических испытаний, при которых определяется прочность и пластичность материала. Результаты экспериментальных исследований механич
Определение твердости
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого, материала. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты (резцы, сверла, фрезы
Упругая и пластическая деформации, разрушение
Любая деформация может осуществляться в твердых телах путем относительного смещения атомов. В твердых телах различают упругую деформацию (исчезающую после устранения воздействия, вызвавшего
Наклеп и рекристаллизация
Как следует из диаграмм растяжения, при деформации сталей при комнатной температуре предел текучести увеличивается с ростом деформации, то есть материал в этих условиях упрочняется.
Правило фаз, построение диаграмм состояния
Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описывают с помощью диаграмм фазового равновесия, которые в удобной граф
Химические соединения
Данная диаграмма получается, когда сплавляемые компоненты образуют устойчивое химическое соединение АnВm , не диссоциирующее при нагреве впло
Тесты для контроля текущих знаний
1. Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств:
1) высокими теплопроводностью и электрической проводимостью в твердом состоянии;
2) увел
Железоуглеродистых сплавов
5. ДИАГРАММА «ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД (ЦЕМЕНТИТ)»
5.1. Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов
Железоуглеродистые сп
Изменения структуры сталей при охлаждении
Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии. Ниже рассматриваются превращения, протекающие в железоуглеродис
Изменение структуры чугунов при охлаждении
Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 % и имеющие в своей структуре цементит называются белыми чугунами.
Рассмотрим превращение в чугунах (рис. 5.4).
ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ
В машиностроительном производстве железоуглеродистые сплавы подразделяются на стали (содержание углерода от 0,02 до 2,14 %) и чугуны (содержание углерода от 2,14 до 6,67 %). Стали п
Влияние нагрева и скорости охлаждения углеродистой стали на ее структуру
Термической обработкой называется технологический процесс, включающий нагрев стали до определенной температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение с необходимой скоро
Отжиг углеродистых сталей
Термическая обработка – самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. Термообработку применяют как промежуточную операцию для улучшения т
ЗАКАЛКА И ОТПУСК УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
8.1. Закалка углеродистых сталей
Закалка – это процесс термической обработки, заключающийся в нагреве до
Тесты для контроля текущих знаний
1. Твердый раствор внедрения углерода в Feα называется:
1) цементитом;
2) ферритом;
3) аустенитом;
4) ледебуритом.
Назначение легирования
В данном разделе рассматриваются примеси, вводимые в стали в определенных концентрациях с целью изменения их внутреннего строения и свойств. Такие примеси (элементы) называются легирующими (
И механические свойства сталей
Полиморфные состояния железа при образовании твердых растворов введением легирующих элементов смещаются по температуре. Все легирующие элементы по влиянию на полиморфные состояния ж
Влияние легирования на превращения при термообработке
1. При закалке (нагрев, выдержка, охлаждение со скоростью V>Vкр) углеродистых сталей из переохлажденного аустенита образуется мартенсит. Влияние легирующих элементов н
УПРОЧНЕНИЕ СПЛАВОВ
Интерес к упрочнению материалов обусловлен стремлением к уменьшению их расхода, увеличению прочности, износостойкости, коррозионной стойкости деталей, сопротивления хрупкому разруше
Упрочнение легированием
Формирование благоприятной структуры и надежность работы деталей обеспечивают рациональное легирование, измельчение зерна и повышение качества металла.
Упрочнение при легир
Упрочнение пластическим деформированием
В результате холодной пластической деформации изменяются свойства металла: повышаются прочность, электросопротивление, снижаются пластичность, плотность, коррозионная стойкость. Это явление назы
Упрочнение термическими методами
Температурное воздействие на различные материалы с целью изменения их структуры и свойств является самым распространенным способом упрочнения в современной технике. Это воздействие может осущест
Цементация стали
Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. Различают два основных вида цементации: твердую углеродосодержащую смесь (карбюризаторы) и газов
Азотирование стали
Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом при нагреве ее в аммиаке. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного
Нитроцементация
Процесс одновременного насыщения стали углеродом и азотом в газовой среде называется нитроцементацией. Нитроцементацию проводят при более низких (850–870 °С) по сравнению с ц
Поверхностное упрочнение
Среди методов поверхностного упрочнения наибольшее распространение получили поверхностная закалка, обработка лазером и электроискровое легирование. При поверхностной закалке
Строительные стали
К строительным относятся конструкционные стали, применяемые для изготовления металлических конструкций и сооружений, для армирования железобетона.
К низколегированным строительным сталям о
Цементуемые (нитроцементуемые) стали
К машиностроительным относят конструкционные стали, предназначенные для изготовления различных деталей машин, механизмов и отдельных видов машин. Для деталей и изделий находят применение дешевые уг
Улучшаемые стали
Для наиболее ответственных тяжелонагруженных деталей машин применяют легированные стали, подвергаемые улучшению, т. е. закалке с высоким отпуском. Эти стали содержат 0,3–0,5% С, 1–6% легирую
Износостойкие стали
К износостойким сталям относится сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда). Эта сталь имеет следующий химический состав: 1,25 % углерода, 13 % марганца, 1 % хрома, 1 % никеля. Сталь Гадфильда при низкой нача
Рессорно-пружинные стали
Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Основными требованиями, предъявляемыми к данным сталям, являются высокое сопротивле
Подшипниковые стали
В процессе работы детали подшипников (шарики, ролики, обоймы) испытывают высокие удельные знакопеременные нагрузки.
Стали для подшипников должны обладать высокой твёрдостью и износостойкос
Автоматные стали
Обработка резанием – основной способ изготовления большинства деталей машин и приборов. Обрабатываемость стали зависит от ее механических свойств, теплопроводности, микроструктуры и химического сос
Коррозионная стойкость сталей и сплавов
Коррозия – это термин, используемый для обозначения широкого класса видов нежелательного повреждения металла в результате его химического или электрохимического взаимодействия с окруж
Коррозионностойкие стали
Коррозионностойкими (нержавеющими) называют металлы и сплавы, в которых процесс коррозии развивается с малой скоростью. Коррозионностойкие стали применяют для изготовления деталей машин и об
Жаропрочные стали и сплавы
Жаропрочные стали и сплавы применяют для многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет, атомных устройств и т. д., работающих при высоких температурах.
Жаростойкие стали и сплавы
Жаростойкость – способность металла сопротивляться окислению в газовой среде или в других окислительных средах при повышенных температурах. Жаропрочные сплавы в принципе долж
Условия работы деформирующих и режущих инструментов, требования к инструментальным материалам
Условия работы деформирующих инструментов (штампов) различаются, прежде всего, тем, нагреваются ли предварительно заготовки или они деформируются в холодном состоянии.
Штамповые инструмент
Инструментальные легированные (штамповые) стали
В качестве инструментальных материалов для горячего деформирования применяют легированные инструментальные стали (штамповые стали), которые условно можно разделить на три основные группы:
Режущие инструментальные и быстрорежущие стали
Для режущих инструментов применяются высоколегированные быстрорежущие стали, а также, в небольших количествах, заэвтектоидные углеродистые стали с содержанием углерода 1,0–1, % и су
ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
14.1. Классификация твердых сплавов и общая характеристика их свойств
Применение методов порошковой металлургии в начале 1920-х годов в Германии приве
Режущая керамика
Среди исследовавшихся материалов, которые были бы пригодны для изготовления режущих инструментов, была окись алюминия Al2О3 – корунд. Корунд по своей природе –
Сверхтвердые инструментальные материалы
Сверхтвердыми принято считать инструментальные материалы, имеющие твердость при комнатной температуре НV свыше 35 ГПа.
Самый твердый материал на Земле, который издавна прим
Абразивные материалы
При абразивной обработке применяются инструменты на жесткой основе (круги, сегменты, бруски), на гибкой основе (эластичные круги, шкурки, ленты), а также пасты и абразивные зерна. А
Тесты для контроля текущих знаний
1. Какая из сталей относится к автоматным:
1) 40А;
2) А12;
3) 08пс;
4) 18ХГТ.
2. Какая из сталей относится к подшипниковым:
Титан и его сплавы
Важнейшее преимущество титана и титановых сплавов перед другими конструкционными материалами – это высокая удельная прочность и жаропрочность в сочетании с хорошей коррозионной стой
Алюминий и его сплавы
Алюминий – металл серебристо-белого цвета, имеет кристаллическую ГЦК решетку, температуру плавления 660 °С, удельный вес 2,7 г/см3, обладает высокой электропроводностью и
Магний и его сплавы
Магний – металл светло-серого цвета, обладающий наименьшим удельным весом среди металлов – 1,74 г/см3. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Температура плавления – 651°С. Несмот
Полимеры и пластмассы
Полимеры (от греческого polymeres – состоящий из многих частей, многообразный, от poly – много и meros – доля, часть) – соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из
Резиновые и клеящие материалы
Резиной (от латинского resina – смола) называется продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками (наполнители, пластификаторы, активаторы вулканизац
Стекло, ситаллы, графит
Стекло неорганическое – прозрачный (бесцветный или окрашенный) хрупкий материал, получаемый при остывании расплава, содержащего стеклообразующие компоненты (оксиды кремния, бора, алюминия, ф
Композиционные материалы с металлической матрицей
К этому виду композиционных материалов относятся материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые представляют собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами оксида алюминия. Алюминиевы
Композиционные материалы с неметаллической матрицей
Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение в промышленности. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полим
Тесты для контроля текущих знаний
1. Титан имеет две полиморфические модификации. При какой температуре происходит полиморфное превращение?
1) 950 °С.
2) 882,5 °С.
3) 911 °С.
4) 768 °С.
Библиографический список
1. Физическое металловедение: справ. Т. 1, 2, 3; под ред. У. Р. Кана
Новости и инфо для студентов