Правила и особенности конструирования изделий из пластмассы

     Для одноосного (линейного) армирования  используют нуль-мерные и одномерные наполнители (рис. 1, 2). Нуль-мерные располагаются так, что расстояние между ними по одной оси значительно меньше, чем по другим. В этом случае содержание наполнителя составляет 1 – 5 %. Одномерные наполнители располагаются параллельно один другому.

     При двухосном (плоскостном) армировании  используют нуль-, одно- и двумерные наполнители (рис. 1, 3). Нуль-мерные и одномерные наполнители располагаются в параллельных плоскостях. При этом расстояние между ними в пределах плоскости значительно меньше, чем между плоскостями. При таком расположении нуль-мерного наполнителя его содержание доходит до 15 – 16 %. Одномерные наполнители находятся также в параллельных плоскостях. При этом в пределах каждой плоскости они расположены параллельно, а по отношению к другим плоскостям – под разными углами. Двумерные наполнители параллельны один другому.

     При трёхосном (объёмном) армировании нет  преимущественного направления  в распределении наполнителя. Для  армирования используют (рис. 1, 4). Расстояние между нуль-мерными наполнителями одного порядка. В этом случае их содержание может превышать 15 – 16 %. Одномерные наполнители располагаются в трёх и более пересекающихся плоскостях.

КМ на металлической основе.

     Преимущества  КМ на металлической основе по сравнению с другими основами состоят в следующем:

     механические  свойства – высокие значения характеристик, зависящих от свойств матрицы (предела прочности и модуля упругости в направлении, перпендикулярном оси армирующих волокон); высокая пластичность, вязкость разрушения; сохранение прочностных характеристик до температур плавления основного металла;

     физические  свойства – высокая тепло- и электропроводность;

     химические  свойства – негорючесть (по сравнению с КМ на полимерной основе);

     технологические свойства – высокая деформируемость, обрабатываемость.

     Наиболее  перспективными материалами для  матриц металлических КМ являются металлы, обладающие небольшой плотностью (Al, Mg, Ti), и сплавы на их основе, а также никель – широко применяемый в настоящее время в качестве основного компонента жаропрочных сплавов.

     В порошковых (дисперсно-упрочнённых) КМ на металлической основе наполнителями служат дисперсные частицы тугоплавких фаз – оксидов Al₂O₃, SiO₂ и карбидов. Отличительная особенность порошковых КМ, как было указано, состоит в изотропности механических и физических свойств.

     Примером  порошкового КМ на металлической основе является материал САП (спечённая алюминиевая пудра), состоящий из смеси порошков алюминия и оксида алюминия (6-22%). В настоящее время в двигателестроении из САП изготавливают многие ответственные детали: поршни, шатуны, тарелки клапанных пружин. САП имеет высокую технологичность при деформации, сварке, резании; отличается высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью. В отличие от жаропрочных алюминиевых сплавов они работают при температурах до 500˚ С, а не до 300˚ С.

     Для изготовления деталей ГТД – дисков, лопаток, роторов – применяют  порошковые сплавы типа ВДУ (высокотемпературные  дисперсно-упрочнённые), представляющие собой смесь порошков никель-хромового сплава и оксидов гафния (HfO₂) или тория (ThO₂). Сплавы ВДУ получают методом механического легирования. Жаропрочность и жаростойкость таких КМ выше, чем никелевых сложнолегированных сплавов, получаемых как по традиционной технологии, так и при направленной кристаллизации поликристаллических и монокристаллических сплавов.

     В волокнистых КМ упрочнителями служат волокна и нитевидные кристаллы чистых элементов или тугоплавких соединений (B, C, Al₂O₃, SiC), проволоки. Волокна могут быть непрерывными или дискретными. Объёмная доля колеблется от нескольких единиц до 80…90 %. Свойства волокнистых КМ зависят от схемы армирования. Механическим свойствам волокнистых КМ присуща анизотропия, поэтому при изготовлении из них деталей волокна ориентируют так, чтобы с максимальной выгодой использовать свойства композита с учётом действующих нагрузок.

     В докторской диссертационной работе  Костылевой Л. В. ''Создание новых научных принципов упрочнения железоуглеродистых сплавов на основе развития теории кристаллизации и микроликвации'' проведен анализ взаимного расположения составляющих первичной структуры и сопоставление прочностных свойств дендритных ветвей и эвтектической матрицы, который дал основание отнести такую структуру к аналогу композита с дискретными неориентированными волокнами. Подобная аналогия при целенаправленном её использовании для усиления эффекта композитного упрочнения позволила при существенном уменьшении степени легирования добиться усиления армирующей роли дендритных ветвей и повысить прочностные характеристики чугуна.

     Сходство  первичной структуры чугуна с  волокнистыми композитами, основанное на морфологическом подобии дендритов  дискретным упрочняющим волокнам, замечено давно. Однако анализ соответствия фактической  структуры чугуна основным требованиям  КМ показал, что они либо выполняются не в полной мере, либо вовсе не выполняются, не позволяя реализовать полномасштабное композитное упрочнение.

     Так условие σв^волок. >>σв^матр. может частично выполняться при сорбитной структуре первичных дендритных кристаллов, но утрачивает смысл при выделении в дендритах феррита.

     Другой  принцип КМ, ограничивающий морфологию волокон по длине и толщине соотношением l/d > 100, в чугунах выполняется не в полной мере, поскольку дендрита едва достигают нижних границ указанного соотношения, и технических решений по увеличению их длины пока нет.

     Важнейший принцип КМ, требующий прочной, но не диффузной связи волокон с упрочняемой матрицей, в чугунах практически не реализуется, и дендриты очень ограниченно участвуют в работе разрушения чугуна, отслаиваясь без разрушения от малопрочной матрицы.

     Тем не менее, литейная технология позволяет  хорошо освоенными методами усилить  сцепление дендритов с матрицей, например, за счёт измельчения эвтектических  ячеек, снижения разветвлённости графитовых включений, повышенного содержания фосфора, формирующего монолитную кайму  фосфидов вокруг эвтектических ячеек  и др.

     Эти частные решения, по отдельности  и для других целей, опробованные литейщиками с положительными результатами, целесообразно использовать в комплексе  по новому назначению для усиления композитного упрочнения серого чугуна.

     Принципиальное  значение для конструктивной прочности  чугунов имеет необходимость  предотвращать образование феррита  в дендритных ветвях, предупреждая катастрофическое разупрочнение литых  деталей.

     В чугунах существуют объективные  термодинамические ограничения  на использование упрочняющего легирования. При прочих равных условиях менее легированный чугун с меньшим содержанием Si, Mn, Cr будут иметь более однородную перлитную структуру, в том числе и в дендритных ветвях, и, как следствие, лучшие прочностные свойства.  

     В табл. 1 приведены свойства некоторых  волокнистых КМ с металлической матрицей. Для примера даны свойства чистого алюминия (нагартованный лист) и самого прочного легированного сплава В95. Этот сплав упрочняется при старении и имеет предел прочности 600 МПа, и предел выносливости – 155 МПа (сопротивление циклическим нагрузкам). Создание КМ – введение в алюминий волокон бора (КМБ) – повышает предел прочности почти на порядок по сравнению с алюминием и вдвое по сравнению со сплавом В95; при этом втрое возрастает модуль упругости и вчетверо – предел выносливости.

     Таблица 1

Свойства  однонаправленных КМ на металлической основе

     Если  же в качестве наполнителя используют стальную проволоку, диаметр которой  больше, чем диаметр волокон бора или углерода, то снижается модуль упругости, однако этот материал (КАС) имеет самый высокий предел прочности  и отличается значительно более  высокой удельной прочностью благодаря  малой плотности. Для всех КМ характерен высокий предел выносливости, свидетельствующий об их противостоянии циклическим нагрузкам.

     Прочность КМ в большой степени зависит от прочности сцепления волокон с матрицей. Между матрицей и наполнителем в КМ возможны различные типы связи.

     1. Механическая связь, возникающая  благодаря зацеплению неровностей  поверхностей матрицы и наполнителя,  а также действию трения между  ними. КМ с механическим типом связи (например, Cu – W) имеют низкую прочность при поперечном растяжении и продольном сжатии.

     2. Связь, обеспечиваемая силами  поверхностного натяжения при  пропитке волокон жидкой матрицей  вследствие смачивания и небольшого  растворения компонентов (например, Mg – B до 400˚ С).

     3.  Реакционная связь, обусловленная  химическим взаимодействием компонентов  (Ti и B) на границе раздела, в результате чего образуются новые химические соединения (TiB₂).

     4. Обменно-ракционная связь, возникающая при протекании двух и более стадийных химических реакций. Например, алюминий из твёрдого раствора матрицы титанового сплава образует с борным волокном AlB₂, который затем вступает в реакцию с титаном, образуя TiB₂ и твёрдый раствор алюминия.

     5.  Оксидная связь, возникающая на  границе раздела металлической  матрицы и оксидного наполнителя  (Ni – Al₂O₃), благодаря образованию сложных оксидов типа шпинели и др.

     6.  Смешанная связь, реализуемая  при разрушении оксидных плёнок  и возникновении химического  и диффузионного взаимодействий  компонентов (Al – B, Al – сталь).

     Для металлических КМ прочная связь между волокном и матрицей осуществляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого слоя (1 – 2 мкм) интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей нет взаимодействия, то на волокна наносят специальные покрытия для его обеспечения, но прослойки образующейся при этом фазы должны быть очень тонкими.

     Связь между компонентами и КМ на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии. Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные, керамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением, поверхностной обработкой волокон, называемой вискеризацией. Вискеризация – это выращивание монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других перпендикулярно их длине. Полученные таким образом «мохнатые» волокна бора называют «борсик». Вискеризация способствует повышению сдвиговых характеристик, модуля упругости и прочности при сжатии без снижения свойств вдоль оси волокна. Так, увеличении объёмного содержания нитевидных кристаллов до 4 – 8 % повышает сдвиговую прочность в 1,5 – 2 раза, модуль упругости и прочность при сжатии на 40 – 50 %.