Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы - файл 1.docx


Дисперсно-упрочненные композиционные материалы
скачать (509.6 kb.)

Доступные файлы (1):

1.docx510kb.16.12.2011 04:50скачать

содержание

1.docx



МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ТМП


РЕФЕРАТ

по курсу «Новые материалы»

на тему:

«Дисперсно-упрочненные композиционные материалы»



Подготовила:

Принял:



Мариуполь, 2011




Содержание
Введение…………………………………………………………………………3

1.Общая характеристика………………………………………………………..4

2.Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе различных металлов

2.1. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе алюминия………………………………………………………………………………...5

2.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе железа………………………………………………………………………………….11

2.3. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе никеля…………………………………………………………………………………14

Заключение……………………………………………………………………...19

Список ссылок…………………………………………………………………..20



Введение

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы (ДКМ) относятся к классу порошковых композиционных материалов. Структура ДКМ представляет собой матрицу из чистого металла или сплава, в кото

рой равномерно распределены на заданном расстоянии одна от другой тонкодисперсные частицы упрочняющей фазы размером менее 0,1 мкм, ис

кусственно введенные в материал на одной из технологических стадий [1, 2]. Объемная доля этих частиц (включений) составляет 0,1—15 %. В каче

стве упрочняющей фазы используют дисперсные частицы оксидов, карби

дов, нитридов, боридов и других тугоплавких соединений, а также интер

металлических соединений.




Общая характеристика

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, в которой с помощью множества практически не растворяющихся в ней частиц 2-й фазы создается структура, эффективно сопротивляющаяся пластической деформации.

Упрочнение таких материалов заключается в создании в них структуры, затрудняющей движение дислокации. Наиболее сильное торможение передвижению дислокаций создают дискретные частицы второй фазы, например химические соединения типа карбидов, нитридов, боридов, оксидов, характеризующиеся высокой прочностью и температурой плавления.

В дисперсно-упрочненных материалах заданные прочность и надежность достигаются путем формирования определенного структурного состояния, при котором эффективное торможение дислокаций сочетается с их равномерным распределением в объеме материала либо (что особенно благоприятно) с определенной подвижностью скапливающихся у барьеров дислокаций для предотвращения хрупкого разрушения. В ДКМ (как и в порошковых композиционных материалах) матрица несет основную нагрузку.



Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе различных металлов

2.1. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе алюминия

Оксиды являются наиболее распространенными соединениями, применяемыми в качестве упрочняющейся фазы в ДКМ на основе алюминия и его сплавов. Получают упрочненные оксидами ДКМ, называемые САП, из алюминиевых порошков, покрытых оксидной пленкой. В странах СНГ в промыш

ленном масштабе выпускаются три марки ДКМ на основе алюминия: САП-1, САП-2 и САП-3, отличающиеся между собой концентрацией оксидов (таблица 1). Зарубежным аналогом САП-1 является SAP-930, САП-2 — SAP-895, САП-3 — SAP-865. Сплавы SAP — ISML-930, SAP — ISML-895 и SAP — ISML-865 отличаются повышенной структурной стабильностью и коррозионной стойкостью за счет пониженного содержания железа в мат

рице (менее 0,1 %).

Таблица 1

Химический состав ДКМ типа САП


Наряду с материалами типа САП разработаны ДКМ А1 — С, основ

ной упрочняющей дисперсной фазой в которых служит карбид алюминия А14Сз, образующийся в результате взаимодействия алюминия с углеродом.

^ Технология получения. Материалы САП-1 и САП-2 получают из пуд

ры АПС-3. Технология их получения включает операции брикетирования и горячей экструзии. Все три типа САП могут обрабатываться методами горячей пластической деформации при температурах 723—793 К с охлаж

дением на воздухе.



САПы сохраняют стабильную структуру после нагрева до 773 К в течение 10 000—100 000 ч. Термическая обработка не требуется. Поставляются в виде листов, фольги, по

лос, профилей, труб, прутков, прово

локи, штамповок [3].

Плакированные листы из САПов могут свариваться контактной точеч

ной сваркой. Для повышения способ

ности к сварке плавлением брикеты подвергают высокотемпературному ва

куумному отжигу. Обрабатываемость резанием удовлетворительная.

ДКМ Al — С получают методом реакционного смешивания алюминиевого порошка с мелкоизмельченной сажей в течение 0,5—4 ч, в процессе которого происходит образование карбида алюминия А14С3. Последующий нагрев до 823 К в течение 0,5 ч приводит к завершению процесса образова

ния карбидов, после чего ДКМ подвергают горячей экструзии при 803 К, позволяющей получать различные профили. Применяемая технология дает хорошие результаты при концентрации углерода не более 5 %, что соответствует объемной доле А14Сз, примерно равной 20—22 %. ДКМ со

держит также до 2 % Аl203, присутствующего в исходном алюминиевом порошке. ДКМ А1 — С по устойчивости к рекристаллизации при высоких температурах близки к материалам типа САП. Их можно подвергать горя

чей экструзии, прокатке, ковке.

Свойства. Увеличение концентрации оксида алюминия в САП и кон

центрации карбида алюминия в ДКМ Al — С приводит к повышению проч

ности и снижению пластичности. Оптимальное соотношение прочности и пластичности САП обеспечивается при концентрации оксида алюминия 6—16 %, а ДКМ Al — С— при концентрации углерода 3—5 %.

При температурах 573—773 К ДКМ на основе алюминия превосходят по прочности все промышленные алюминиевые сплавы (таблицы 2 и 3). Отличительной особенностью этих ДКМ являются высокие показатели длительной прочности и ползучести (таблицы 4 и 5), а также стабильность механических характеристик после высокотемпературных отжигов.



Введение дисперсных частиц в легированные алюминиевые сплавы менее эффективно повышает прочность ДКМ при высоких температурах, чем дисперсное упрочнение нелегированного алюминия. Это связано с по

нижением температуры плавления и уменьшением энергии дефектов упа-ковки при легировании. При низких и средних температурах прочность легированных ДКМ выше, чем нелегированных.

К. т. р. и теплопроводность уменьшаются, а удельное электрическое сопротивление и теплоемкость растут с увеличением концентрации оксида алюминия в ДКМ типа САП и концентрации карбида алюминия в ДКМ Al — С. С повышением температуры к. т. р. увеличивается, а тепло- и элект

ропроводность САП уменьшаются (таблица 6).

Электрическое сопротивление ДКМ Al — С составляет 3 ∙ 10-8 Ом∙м при общей объемной доле карбидов и оксидов алюминия 4 %; 3,3 ∙ 10-8 Ом∙м при 8%; 3,7 ∙ 10-8 Ом∙м при 12 %; 4,2 ∙ 10-8 Ом∙м при 16 %; 4,9 ∙ 10-8 Ом∙м при 20 %; 5,5 ∙ 10-8 Ом∙м при 24 %.

ДКМ типа САП имеют высокую коррозионную стойкость, близкую к стойкости алюминия АД1. ДКМ Аl — С предположительно имеют более низкую коррозионную стойкость на воздухе и в воде.

Применение. Высокие показатели прочностных характеристик позво

ляют применять ДКМ на основе Аl в изделиях, длительно работающих при температурах 573—773 К, а также испытывающих кратковременные пере

гревы до 973—1273 К. САПы можно использовать при работе в тяжелых коррозионных условиях.



Таблица 2

Механические свойства ДКМ типа САП



Таблица 3

Механические свойства ДКМ AlC



Таблица 4

Длительная прочность и пределы ползучести САП



Таблица 5

Длительная прочность ДКМ AlC





Таблица 6

Физические свойства ДКМ на основе алюминия





2.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе железа

Наиболее приемлемыми упрочнителями для железа и сталей являются оксиды ввиду значительно меньшей растворимости кислорода в матричном металле по сравнению с углеродом и азотом, входящими в состав карбидов и нитридов. В качестве дисперсных добавок используют А12О3, ТiO2, ZrO2.

Использование дисперсного упрочнения для повышения механических характеристик железа и сталей не является оптимальным путем, поскольку многие легированные стали обладают более высокими показателями кратко

временной и длительной прочности. Однако ДКМ на основе сталей представ

ляют интерес в связи с их стойкостью против охрупчивания в условиях нейтронного облучения. Это связано с влиянием оксидных включений на более равномерное распределение в материале гелия, выделяющегося при ядерных реакциях.

^ Технология получения. Для получения исходных смесей применяют методы механического смешивания, термического разложения солей с по

следующим селективным восстановлением и др. ДКМ получают брикети

рованием с последующей экструзией либо изостатическим горячим прессо

ванием.

Свойства. Прочность ДКМ на основе железа увеличивается с повыше

нием концентрации оксидов. Например, для ДКМ, содержащего 0,4 % А1203, при 293 К σв = 560 МПа, а для ДКМ, содержащего 6,2 % Аl203, σв = 710 МПа при 293 К, 88 МПа при 1088 К и 70 МПа при 1253 К. Дли

тельная прочность этого ДКМ при 100-часовой выдержке при 923 К состав

ляет 76 МПа.

Механические характеристики сталей и фехралей (сплавов Fe — Сr — Al), упрочненных дисперсными включениями оксидов, приведены в таблицах 7—9. ДКМ на основе фехраля (65 % Fe, 10 % А1, 25% Сr), содер

жащие 2% ТiO2 или ZrO2 имеют в полтора — два раза большую прочность, чем фехраль при комнатной и высоких температурах.



Прочность и пластичность стали, содержащей 22 % Сr и 22 % Ni, упроч

ненной частицами оксида алюминия, ниже, чем у спеченной стали без дис

персных включений и чем у литой и деформированной сталей. Однако ДКМ более крипоустойчивы при высоких температурах. Упрочнение ок

сидом титана эффективнее повышает длительную прочность при высоких температурах, чем упрочнение оксидом алюминия, в связи с тем, что оксид титана не реагирует с оксидом хрома, присутствующим на поверхности частиц в виде пленок [4]. Дисперсные включения окси

дов алюминия и титана снижают плотность ДКМ на основе железа и сталей.

Добавки оксида титана в сталь 12X13 существенно не изменяют ее прочность. Пластичность ДКМ на основе стали 12X13 увеличивается при уменьшении среднего размера включений от нескольких микрометров до 1 мкм. Оксид титана повышает сопротивление ползучести ферритной стали [5].

Теплопроводность, электропроводность и к. т. р. уменьшаются с уве

личением концентрации частиц оксидов. Удельное электрическое сопро

тивление ДКМ на основе стали, содержащей 22 % Сr и 22 % Ni, увеличива

ется от 157 ∙ 10-8 Ом∙м при 5 % А1203 до 196 ∙ 10-8 Ом∙м при 10 % А1203 и до 211 ∙ 10-8 Ом∙м при 12 % Al2O3. Та же сталь, содержащая 10 % Ti02, имеет удельное электрическое сопротивление 239 ∙ 10-8 Ом∙м.

Применение. ДКМ на основе нержавеющих сталей предполагается использовать в конструкциях атомных реакторов, подверженных интенсив

ному радиационному облучению при повышенных температурах. ДКМ на основе фехралей целесообразно применять в электротехнической промыш

ленности в качестве нагревателей, работающих в течение длительного вре

мени.


Таблица 7

Механические свойства ДКМ на основе стали



Таблица 8

Механические свойства горячепрессованных прутков из ДКМ на основе стали



Таблица 9

Механические свойства ДКМ на основе фехралей





2.3. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе никеля

В качестве упрочняющей фазы в ДКМ на основе никеля и его сплавов используют обычно оксиды, так как их стабильность в никеле при высоких температурах выше стабильности других тугоплавких соединений. Наибо

лее эффективен оксид тория Th02. Он используется для упрочнения чис

того никеля и нихрома. Содержание оксида тория в ДКМ, полученных в ре

зультате такого упрочнения (ДКМ ВДУ-1, TD-никель, DS-никель и TD-нихром), составляет 2 %. Недостатком оксида тория является его ток

сичность. Применение оксида гафния НfO2 в качестве упрочняющей фазы в ДКМ ВДУ-2 (98% Ni, 2 % НfO2) позволяет избежать этого недостатка, однако жаропрочность ДКМ, упрочненных оксидом гафния, ниже, чем ДКМ, упрочненных оксидом тория.

^ Технология получения. В промышленности для получения порошков ДКМ на основе никеля используются методы химического осаждения из растворов солей и водородного восстановления в растворах. Полуфабрика

ты поставляются в экструдированном (горячепрессованном) или холодно

катаном состоянии в виде прутков, труб, проволоки, листов, лент, фольги.

ДКМ ВДУ-1, ВДУ-2, TD-никель и DS-никель обладают хорошей тех

нологической пластичностью, их можно обрабатывать ковкой, штамповкой, подвергать холодной прокатке и вытяжке. ДКМ на основе легированных сплавов имеют ограниченную технологическую пластичность. Так, макси

мальная степень обжатия TD-нихрома при холодной деформации не превы

шает 10-15 %.

Неразъемные соединения деталей из ДКМ осуществляются, как прави

ло, методами диффузионной сварки или пайки. Обычные методы сварки с оплавлением не обеспечивают равнопрочности швов при температурах выше 1373 К. Для соединения ДКМ, работающих при более низких температурах, можно использовать электродуговую сварку с применением вольфрамовых 

электродов и присадочных жаропрочных сплавов. При этом характеристи

ки длительной прочности и ползучести сварного шва определяются свойствами присадочного материала.

Свойства. ДКМ на основе никеля предназначаются главным образом для работы при температурах выше 1273 К [6]. Наиболее высокие показа

тели кратковременных и длительных прочностных характеристик при этих температурах имеют ДКМ с матрицей из нелегированного никеля (таблицы 10 и 11). ДКМ с матрицей из легированных никелевых сплавов менее прочны при высоких температурах, однако при комнатных и умеренных температу

рах (до 1073 К) их прочность превосходит прочность КМ с матрицей из нелегированного никеля. Из ДКМ на основе никелевых сплавов промышлен

ностью выпускается TD-нихром (сплав 80 % Ni, 20 % Сr, упрочненный 2 % Th02). Экструдированные прутки из ДКМ имеют более высокие пока

затели длительной прочности и ползучести при высоких температурах, чем холоднокатаные листы. Физические свойства ДКМ на основе никелевых сплавов мало отлича

ются от соответствующих характеристик неупрочненных матриц, за исклю

чением теплопроводности, которая у ДКМ выше, чем у промышленных жаропрочных сплавов на никелевой основе (таблица 12).

Жаростойкость TD-никеля, ВДУ-1 и ВДУ-2 при 1200—1500 К выше, чем чистого никеля. Дисперсные включения оксидов тория, гафния и цир

кония (ZrO2) повышают жаростойкость. Упрочнение никеля частицами оксида алюминия А12О3 приводит к снижению жаростойкости по сравнению с технически чистым никелем при температурах выше 1473 К, а упрочнениечастицами оксида титана TiO2 — при температурах выше 1173 К. Допол

нительно жаростойкость дисперсно-упpочненных нелегированных сплавов может быть повышена путем нанесе

ния защитных покрытий. Хромоалюминиевые покрытия обеспечивают дли

тельную эксплуатацию на воздухе при температуре 1473 К и кратковремен

ную при температуре 1573 К.

TD-никель, ВДУ-1 и ВДУ-2 не подвержены межкристаллитной корро

зии при высокотемпературном окисле

нии. Оксидная пленка прочно сцепле

на 

с основным металлом. Показатели жаростойкости ДКМ ВДУ-1 и ВДУ-2 приведены в таблице 13.

Жаростойкость сплава TD-нихром выше жаростойкости сплавов ВДУ, TD-никеля, а также жаростойкости чистого нихрома.

Применение. ДКМ на основе никеля и его сплавов применяются в авиа

строении и космической технике. Их используют для изготовления камер сгорания и лопаток газовых турбин, стабилизаторов пламени и других деталей, эксплуатируемых при температурах выше 1373 К. Предполагается применение в теплозащитных панелях орбитальных космических кораблей многократного действия, подвергающихся аэродинамическому нагреву при входе в плотные слои атмосферы, в трубопроводах и сосудах давления, работающих при высоких температурах в агрессивных средах.



Таблица 10

Механические свойства сплавов ВДУ-1, ВДУ-2 и TD-нихром







Таблица 11

Длительная прочность сплавов ВДУ-1 и ВДУ-2



Таблица 12

Физические свойства сплавов ВДУ-1 и ВДУ-2



Таблица 13

Жаростойкость сплавов ВДУ-1 и ВДУ-2 при окислении на воздухе



Заключение

Преимуществами материала ДКМ являются:

• повышенная твердость и прочность;

• высокая жаростойкость и жаропрочность;

• высокая износостойкость;

• превосходная механическая обрабатываемость.

Области применения композитов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д.); в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей; в авто - для облегчения кузовов, рессор, рам, бамперов и т.д.; в горнодобывающей промышленности ― буровой инструмент, детали комбайнов и т.д.; в строительстве ─ пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и так далее.

Применение композитов ─ новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энерго - и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.




Список ссылок

Абрамчук В. Е., Кузьмин А. М., Терентьева Л. М. Оценка некоторых параметров металлизированных углеродных волокон методом измерения электросопротивления.— В кн.: \\\ Всесоюз. конф. по композиц. материалам (Москва, нюнь 1974 г.): Тез. докл. М.: ИМЕТ, 1974,с. 130—131.

А. с. 526672 (СССР). Композиционный материал / А. Г. Туманов, К. И. Портной.— Опубл. в Б. И.. 1976, № 32.

Справочник по авиационным материалам: В 4-х т. / Под ред. А. Т. Туманова.— М.: Машиностроение, 1965.— Т. 2, Ч. 1—456 с.

Мозжухин Е. И. Металлы и сплавы, содержащие дисперсные включения тугоплавких соединений и волокна.— М., 1966, с. 114—156.— (Итоги науки и техники / ВИНИТИ: Сер. Металлургия цвет. и ред. металлов; Т. X).

Денисенко Э. Т., Ван Асбрук Ф. Спеченная сталь Х13 для оболочек тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах.— Порошковая металлургия, 1972, № 9, с. 95—101.

Старр К. Свойства никеля ТД.— В кн.: Новые материалы и методы исследования металлов и сплавов. М.: Металлургия. 1966, с. 166— 171.

Карпинос Д. М. Композиционные материалы. К.: Наукова думка. 1985, 592с.


Скачать файл (509.6 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации