Классификация композиционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ) в г. Сатке

Горно-керамический колледж

Заочное отделение

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине: Материаловедение

Выполнил: студент 2 курса

группы 206

Киселев А.М.

Руководитель: Верба Г.С.

Сатка 2014

Оглавление

Введение

1. Классификация композиционных материалов

Литература

Введение

композиционный материал неметаллический сопротивление

Композиционный материал - неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу, обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. Механическое поведение композита определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик. В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композита, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композитах, в отличие от металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.

Преимущества композиционных материалов:

-высокая удельная прочность;

-высокая жёсткость (модуль упругости 130…140 ГПа);

-высокая износостойкость;

-высокая усталостная прочность;

Из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции, причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами.

Наиболее частые недостатки композиционных материалов:

-высокая стоимость;

-анизотропия свойств;

-повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.

1. Классификация композиционных материалов

Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической., углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов.

По структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперсноармированные, или дисперсно-упрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц). Матрица в композиционных материалах обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и хим. стойкость.

По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и др. композиты.

Композиционные материалы с металлической матрицей представляют собой металлический материал (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненный высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы, коксованные или пироуглеродные, получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длинны волокна к диаметру относительно невелико, и с непрерывным волокном. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длинны к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50 - 10 %), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости. Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана. Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др. Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исчезает внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью волокнистых одноосных композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения. Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напряжения. Необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно - матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна , что достигается при содержании ее не менее 15-20 %. Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении и эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала. Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, борида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры.

Основным недостатком композиционных материалов с одно и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены материалы с объемным армированием.

В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно- упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.

Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500нм и равномерном распределении их в матрице. Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5-10 об. %. Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9-0,95 Тпл. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов. Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия - САП (спеченный алюминиевый порошок).

Литература

1. Материаловедение: учебник для вузов / Под ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 528 с.

2. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение: Учебник для вузов.- СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. - 784 с.

3. Гуляев А.П. Металловедение: учебник для вузов - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.

4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. - М.: Машиностроение, 1992. - 528 с.

5. Козлов Ю.С. Материаловедение. - М.: “Агар”, 1999. - 180 с.

6. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / Под ред. А. М. Дальского. - М.: Машиностроение, 2003. - 512 с.

7. Материаловедение и технология металлов: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / Под ред. Г. П. Фетисова. - М.: Высшая школа, 2000. - 638 с.

8. Технология металлов и материаловедение / Под ред. Л.Ф. Усовой. - М., Металлургия, 1987. - 536 с.

9. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А. и др. Введение в физику поверхности. - М.: Наука, 2006. - 490 с.

10. Горелик С. С., Добаткин С. В., Капуткина Л. М. Рекристаллизация металлов и сплавов. - М.: Изд-во МИСИС, 2005. - 432 с.

11. Пейсхаков А.М., Кучер А.М. Материаловедение технология конструкционных материалов. Учебник. - СПб.: Изд-во Михайлова В.А., 2005. - 416 с.

12. Солнцев Ю.П., Пирайнен В.Ю., Вологжанина С.А. Материаловедение специальных отраслей машиностроения. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. - 784 с.

13. Чинков Е. П., Багинский А. Г. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебное пособие для вузов. - Томск: Изд-во ТПУ, 2005. - 140 с.

14. Егоров Ю. П., Лозинский Ю. М., Роот Р. В., Хворова И. А. Материаловедение: учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 1999. - 160 с.

15. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. Пособие для студентов вузов / под ред. В.С. Чередниченко.- М.: Омега, 2006. - 752 с.

16. Моряков О.С. Материаловедение: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования. - М.: Издательский центр “Академия”, 2008. -240 с.

17. Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля. - М.: Техносфера, 2006. - 384 с.

18. Ржевская С.В. Материаловедение: учебник для вузов. - М.: Логос, 2006, - 424 с.

19. Кенько В.М. Неметаллические материалы и методы их обработки: учебное пособие для вузов. - Минск: Дизайн ПРО, 1998. - 240 с.

20. Батаев А.А., Батаев В.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение: учебник. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. - 384 с.

21. Лозинский Ю.М., Безбородов В.П. Термическая обработка алюминиевых сплавов / Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу “ Материаловедение” для студентов машиностроительных специальностей. - Томск: Изд-во ТПУ, 2004. - 10с.

22. Конева Н.А., Козлов Э.В. Структурные уровни пластической деформации и разрушения / Под. ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1990. - 123 с.

23. Клименов В.А., Ковалевская Ж.Г., Перевалова О.Б. и др. Влияние ультразвуковой обработки поверхности стали 40Х13 на микроструктуру азотированного слоя, сформированного при высокоинтенсивной низкоэнергетической имплантации ионами азота // Физика металлов и металловедение. - 2006. - Том 102. - № 6. - С. 621-629.

24. Шаркеев Ю.П., Ерошенко Ю.А., Братчиков А.Д. и др. Объемный ультрамелкозернистый титан с высокими механическими свойствами для медицинских имплантантов // Нанотехника. - 2007. -№ 3 (11). - С. 81-88.

25. Муш Г., Негели К, Шпрингер К. -Х. Руки роботов из волокнистых композитов // Пластмассы. - 2008. - №10. - С. 2-6.

26. Рогалла А., Друммер Д., Риль М. Новые разработки для медицинской техники // Пластмассы. - 2008. - №1. - С. 8-13.

27. Бродова И.Г., Попель П.С., Барбин Н.М., Ватолин Н.А. Исходные расплавы как основа формирования структуры и свойств алюминиевых сплавов. - Екатеринбург:УрО РАН, 2005 - 369 с.

Размещено на Allbest.ru