1. Материалы сложного состава, образующиеся путем сочетания различных фаз с границей раздела между ними, называются композиционными.
Композиционные материалы состоят из матрицы и армирующего компонента. Компонент, непрерывный в объеме композиционного материала, называется матрицей (связующим). Компоненты, распределенные в матрице в форме зерен, волокон или пластин, называются дисперсной арматурой (фиброй или армирующим компонентом).
По вещественной природе матрицы подразделяются на:
• полимерные;
• металлические;
• неорганические;
• комбинированные (полиматричные).
Матрица обеспечивает форму и сплошность материала, перераспределяет нагрузки по его объему, защищает армирующие компоненты от механических и коррозионных воздействий. Вещественная природа матрицы предопределяет термическую и коррозионную стойкость композиционного материала (далее КМ).
Армирующие компоненты классифицируют в зависимости от:
• геометрических признаков;
• порядка их расположения в матрице.
Армирующие компоненты вводят в матрицу с целью улучшения конструкционных свойств композиционного материала (КМ). По порядку расположения армирующих компонентов в матрице (макроструктуре) КМ бывают:
• дисперсно-упрочненные (изотропные);
• дисперсно-армированные (анизотропные).
При дисперсном упрочнении частицы блокируют процессы скольжения в матрице. Эффективность упрочнения при условии минимального взаимодействия с матрицей зависит от вида частиц, их объемной концентрации, а также от равномерности распределения в матрице. Применяют дисперсные частицы тугоплавких фаз типа Аl2О3, SiO2, BN, SiC, имеющие малую плотность и высокий модуль упругости. КМ обычно получают методом порошковой металлургии, важным преимуществом которого является изотропность свойств в различных направлениях.
2. В промышленности обычно применяют дисперсноупрочненные КМ на алюминиевой и реже на никелевой основах. 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 и 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.
Сплавы типа САП удовлетворительно деформируются в горячем состоянии, а сплавы с 6 – 9 % Аl2О3 – 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.
Марки САП, применяемые в странах СНГ, содержат 6 – 23 % Аl2О3. Различают САП-1 с содержанием 6 – 9, САП-2 с 9 – 13, САП-3 с 13 – 18 % Аl2О3. С увеличением объемной концентрации оксида алюминия возрастает прочность композиционных материалов. При комнатной температуре характеристики прочности САП-1 следующие: σв = 280 МПа, σ0,2 = 220 МПа. САП-3 при той же температуре имеет σв = 420 МПа, σ0,2 = 340 МПа.
Материалы типа САП обладают высокой жаропрочностью и превосходят все деформируемые алюминиевые сплавы. Даже при температуре 500°С они имеют не менее 60 – 110 МПа. 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.
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.
Принято считать, что упрочнение дисперсными частицами или дисперсионное упрочнение имеет наибольшее значение для цветных металлов, в частности для дуралюминов, сплавов на основе кобальта, никеля, меди. Однако в последние годы разработаны новые сплавы на основе железа, прочность которых в значительной мере определяется дисперсионным твердением. Широкое применение нашли микролегированные конструкционные стали и мартенситно-стареющие стали. Микролегированные конструкционные стали содержат небольшие количества Ti, V, Zr, Nb, которые образуют с углеродом и азотом твердые дисперсные частицы карбонитридов. Растворенный в железе алюминий образует с азотом твердые частицы A1N.