Пластинчатые металлические композиционные материалы

Материалы указанного в названии типа имеют матрицу из сплава лёгкого металла и упрочнитель, моноволокна которого являются химическими соединениями этого металла с легирующими компонентами и возникают непосредственно в процессе его кристаллизации по определённым режимам, причём варьируя содержанием доли упрочнителя в общем объёме, возможно ориентировать волокна в нужном направлении: вдоль нагрузки или под углом к ней. При этом прочность имеет максимальное значение только вдоль нагрузки, но величина прочности падает с увеличением угла поворота волокна. Проведение кристаллизации сплава с эвтектоидным (процентное содержание компонентов сплава под низшей точкой температуры плавления) содержанием компонентов позволяет получать пластинчатую форму волокон, что несколько снижает прочность сплава в целом, но зато делает её равномерной во всех направлениях.

1) Композиционные материалы на основе алюминия

Упрочнитель – химические соединения Al₃Ni и CuAl₂. Марки соответственно: ЭКМ Al- Al₃Ni и ЭКМ Al- CuAl₂.

Буквы обозначают: Э – эвтектоидный, К – композиционный, М – материал.

Прочность = 340 и 650 МПа соответственно при нормальных температурах. При повышенных температурах оба указанных ЭКМ уменьшают прочность на разрыв в 5 и 8 раз, но сохраняют стабильность структуры: волокна не изменяют своей формы. Высокое значение удельной прочности относительно простых алюминиевых сплавов и даже стали. Снижение трудоёмкости изготовления деталей, так как упрочнитель сам образуется внутри матрицы при кристаллизации.

2) Применение: в самолёто- и ракетостроении – детали, испытывающие высокие нагрузки при высоких температурах, в электротехнической промышленности – высокопрочные электрические провода, детали токопроводящей аппаратуры.

Волокнистые неметаллические композиционные

Материалы

Материалы указанного в названии типа имеют матрицу из лёгкого полимера и упрочнитель, представляющий собой нитевидные кристаллы бора, углерода и различных соединений: оксидов, нитридов, карбидов химических элементов.

Отличительным свойством волокнистого (одномерного) упрочнителя является ориентированность волокон в одном направлении: только в этом случае в этом направлении достигается наибольшая прочность на разрыв и изгиб. Изменение направления волокон под углом к направлению основной нагрузки снижает величину соответствующего сопротивления, но повышает его в других направлениях.

1) Композиционные материалы с полимерным связующим

Упрочнитель – углеродные волокна. Марки: КМУ-1, КМУ-2. Название: углепластики или карбоволокниты.

Буквы обозначают: К – композиционный, М – материал, У – с углеродным упрочнителем; цифры – условный номер.

Прочность вдоль волокон = 740...900 МПа, поперёк – = 100 МПа при нормальных температурах. Высокое значение удельной прочности относительно простых алюминиевых сплавов и даже стали.

Термическая стойкость соответственно 100 и 300 °С.

2) Упрочнитель – волокна бора. Марки: КМБ-1; КМБ-2.

Буквы обозначают: К – композитный, М – материал, Б – с волокнами бора; цифра – условный номер.

Прочность при сжатии = 1200 МПа, при изгибе = 1600 МПа при нормальных температурах. Высокое значение удельной прочности относительно простых алюминиевых сплавов и даже стали.

Термическая стойкость соответственно 200 и 300 °С.

3) Применение: в самолёто- и ракетостроении – детали, испытывающие высокие нагрузки при высоких температурах: рамы солнечных батарей, лопасти винта вертолётов, лопатки турбин, компрессоры, детали авиационных двигателей.

5.5 Практическое занятие №7

Семинар «Виды композиционных конструкционных материалов»

(2 часа)

На семинаре обсуждаются следующие вопросы.

1 Что такое композиционные материалы?

2 Характеристика и особенности дисперсных металлических композиционных материалов.

3 Дисперсные композиционные материалы на основе алюминия с упрочнителем оксидом алюминия.

4 Дисперсные композиционные материалы на основе алюминия с упрочнителем карбидом алюминия.

5 Дисперсные композиционные материалы на основе магния.

6 Характеристика и особенности волокнистых металлических композиционных материалов.

7 Волокнистые композиционные материалы на основе алюминия с упрочнителем – проволокой из стали.

8 Волокнистые композиционные материалы на основе алюминия с упрочнителем – волокнами бора или углерода.

9 Характеристика и особенности пластинчатых металлических композиционных материалов.

10 Пластинчатые композиционные материалы на основе алюминия с упрочнителем – химическим соединением Al₃Ni.

11 Пластинчатые композиционные материалы на основе алюминия с упрочнителем – химическим соединением CuAl₂.

12 Характеристика и особенности в олокнистых неметаллических композиционных материалов

13 Композиционные материалы с полимерным связующим и упрочнителем – углеродные волокна.

14 Композиционные материалы с полимерным связующим и упрочнителем – борные волокна.

Ход обсуждения: преподаватель задаёт студентам вопрос: желающие отвечают. Если нет желающих, преподаватель спрашивает по списку. Для зачёта по семинару необходимо ответить на два вопроса не менее.

6 ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

6.1 Литьё

1) Определения

Литьё – способ обработки материалов, имеющих температуру плавления, с целью изготовления заготовок любой сложной конфигурации путём заливки расплава в литейную форму, содержащую внутреннюю полость с контуром, соответствующим поверхностям детали, которую надо изготовить.

Модель заготовки – предназначена для изготовления контура внутренней полости литейной формы. Бывает металлической, деревянной, пластмассовой, парафиновой.

Литниковая система – предназначена для обеспечения подвода льющегося расплава внутрь полости литейной формы, а также выпуска излишков металла и газов наружу.

Отливка – продукт литейного производства, заготовка для детали, изготовленная литьём.

2)Виды процессов изготовления отливок

Литьё в песчаные формы:

материал формы – формовочная смесь: песок, глина, влага;

материал модели заготовки и литниковой системы – древесина;

материал заготовки – литейный чугун;

оборудование и материалы: подмодельная плита, опока (ящик без дна) для смеси, древесина, песок, глина, пневмозубило для разрушения формы и отрубания литников;

достоинства: низкая себестоимость изготовления отливок, моделей и литейных форм;

недостатки: низкая производительность процесса литья, низкое качество поверхностей и размеров отливки, возможность наличия газовых пузырей внутри отливки, срок службы формы – одна отливка, ручной труд, вредные условия производства, штучное и мелкосерийное производство.

Литьё в кокиль (металлические формы):

материал формы – жаростойкая сталь;

материал заготовки – литейный чугун, сталь, медные и алюминиевые литейные сплавы;

оборудование и материалы: литейная форма с литниковой системой из жаростойкой стали, машина соединения и разъёма формы, пневмозубило для отрубания литников;

достоинства: низкая себестоимость изготовления отливок, высокие точность размеров и формы, качество поверхности отливки, производительность труда, большой срок службы формы, массовое производство;

недостатки: высокая стоимость оборудования, возможность наличия газовых пузырей внутри отливки.

Литьё под давлением:

материал формы – жаростойкая сталь;

материал заготовки – литейный чугун, сталь, медные и алюминиевые литейные сплавы;

оборудование и материалы: литейная форма с литниковой системой из жаростойкой стали, машина для литья под давлением и соединения и разъёма формы, пневмозубило для отрубания литников;

достоинства: низкая себестоимость изготовления отливок, высокие точность размеров и формы, качество поверхности отливки, отсутствие газовых пузырей в отливке, высокая производительность труда, большой срок службы формы, массовое производство;

недостатки: высокая стоимость оборудования.

Литьё по выплавляемым моделям:

материал формы – смесь кварцевого песка и синтетической бакелитовой смолы;

материал модели заготовки и литниковой системы – парафин.

материал заготовки – сталь, медные и алюминиевые литейные сплавы;

оборудование и материалы: опока с песком для установки формы, ёмкость с жидкой смолой, печь для сушки формы, шлифмашинка для отрезания литников;

достоинства: высокие точность размеров и формы, качество поверхности отливки, производительность труда, серийное производство;

недостатки: высокая стоимость оборудования, возможность наличия газовых пузырей внутри отливки, ручной труд.

Литьё в оболочковые формы:

материал формы – смесь кварцевого песка и синтетической бакелитовой смолы;

материал модели заготовки и литниковой системы – пластмасса, металл.

материал заготовки – сталь, медные и алюминиевые литейные сплавы;

оборудование и материалы: машина для опрокидывания формы при изготовлении, подмодельная плита, ящик с песком для установки формы, ёмкость с жидкой смолой, печь для сушки формы, шлифмашинка для отрезания литников;

достоинства: высокие точность размеров и формы, качество поверхности отливки, серийное производство;

недостатки: высокая стоимость оборудования, возможность наличия газовых пузырей внутри отливки.

Литьё центробежное:

материал формы – жаростойкая сталь;

материал заготовки – литейный чугун, сталь;

оборудование и материалы: литейная форма изжаростойкой стали, установленная в машине для центробежного литья и соединения и разъёма формы;

достоинства: низкая себестоимость изготовления отливок, высокие точность размеров и формы, качество поверхности отливки, отсутствие газовых пузырей в отливке, высокая производительность труда, большой срок службы формы, массовое производство;

недостатки: отливки по форме только круглые и с центральным отверстием, высокая стоимость оборудования.

Технология литья: изготавливают литейную форму, расплавляют металл и заливают в форму. После отверждения расплава форму разбивают (раскрывают), достают отливку и удаляют (отрезают) литники.