- •Раздел 1. Конструкционные материалы
- •1. Атомно-кристаллическое строение металлов
- •1.1. Кристаллические решетки металлов
- •1.2. Полиморфизм
- •1.3. Дефекты кристаллического строения реальных кристаллов
- •1.4. Кристаллизация металлов
- •2. Свойства металлов
- •2.1. Механические свойства
- •Относительное удлинение
- •Относительное сужение
- •2.2. Физические и химические свойства
- •2.3. Технологические свойства
- •2.4. Эксплуатационные свойства
- •3. Строение и свойства сплавов
- •3.1. Основные сведения о металлических сплавах
- •3.2. Железоуглеродистые сплавы
- •Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов
- •3.3. Диаграмма состояния FeFe3c
- •3.4. Влияние примесей на свойства железоуглеродистых сплавов
- •4. Термическая обработка стали
- •4.1. Основы термической обработки стали
- •4.2. Отжиг сталей, виды отжига
- •4.3. Нормализация сталей
- •4.4. Закалка сталей
- •4.5. Отпуск стали. Виды отпуска
- •4. 6. Химико-термическая обработка сталей
- •4.6.1. Цементация сталей
- •4.6.2. Азотирование стали
- •4.6.3. Цианирование сталей
- •4.6.4. Нитроцементация
- •4.6.5. Борирование
- •4.6.6. Диффузионная металлизация
- •4.7. Термомеханическая обработка стали
- •4. 8. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла
- •5. Чугуны
- •5.1.Классификация и маркировка
- •5.2. Свойства и применение чугуна
- •6. Стали.
- •6.1. Углеродистые стали. Классификация и маркировка
- •Влияние углерода и примесей на свойства углеродистой стали
- •6.2. Легированные стали и сплавы
- •6.2.1. Влияние легирующих элементов на свойства стали
- •6.2.2. Конструкционные легированные стали, их маркировка
- •Рессорно-пружинные стали
- •Шарикоподшипниковые стали
- •6.3. Инструментальные стали
- •6.3.1. Стали для измерительных инструментов
- •6.3.2. Стали для режущих инструментов
- •6.3.3. Инструментальные твердые сплавы
- •6.3.4. Штамповые стали
- •6.4. Стали и сплавы с особыми свойствами
- •6.4.1. Нержавеющие стали и сплавы
- •6.4.2. Хромистые нержавеющие стали
- •6.4.3. Хромоникелевые нержавеющие стали
- •6.4.4. Жаропрочные стали и сплавы
- •6.4.5. Жаропрочные сплавы на основе никеля и тугоплавких металлов
- •6.4.6. Жаростойкие стали и сплавы
- •6.4.7. Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе
- •7. Цветные металлы и сплавы
- •7.1. Алюминий и его сплавы
- •7.2. Магний и его сплавы
- •7.3. Титан и его сплавы
- •7.4. Медь и ее сплавы
- •8. Неметаллические материалы
- •8.1. Пластмассы
- •Состав, классификация и свойства пластмасс
- •8.2. Резиновые материалы
- •9. Композиционные материалы Классификация композиционных материалов
- •9 .1. Армирующие материалы
- •9.2. Материалы матриц
- •9.3. Свойства композиционных материалов
- •10. Общие принципы выбора материалов
- •Физико-химические свойства
- •Механические свойства
9.3. Свойства композиционных материалов
На свойства КМ значительное влияние оказывают правильное сочетание материала матрицы, форма, размер, химический состав армирующих элементов и способ получения КМ.
Для армирования КМ с металлической матрицей используют высокопрочные волокна углерода, бора, карбида кремния и вольфрама, оксидов алюминия и циркония, проволоку из стальных, вольфрамовых и молибденовых сплавов, а также нитевидные кристаллы («усы»).
Волокна углерода и бора используют обычно для армирования легких сплавов на основе алюминия и магния. Изделия из этих КМ характеризуются высокими прочностью и жесткостью и могут длительно эксплуатироваться при температурах 300…450 С. Волокна бора с барьерным покрытием из карбида кремния могут успешно эксплуатироваться при температурах 600 С и даже до 800 С при соответствующем материале матрицы.
Волокна карбида кремния и вольфрама предназначены для армирования жаропрочных КМ на основе никелево-хромистых сплавов с рабочими температурами 1100…1300 С.
Термостойкие и жаропрочные волокна из оксидов алюминия и циркония могут быть эффективными при армировании КМ, длительно работающих при температурах 1400…1600 С.
Проволоку из стальных, вольфрамовых и молибденовых сплавов широко используют для армирования высокопрочных КМ.
Нитевидные кристаллы весьма перспективны в качестве армирующего материала для получения высокопрочных и жаропрочных КМ.
Волокна углерода имеют низкую плотность (1400…2000 кг/м3), высокий предел прочности при растяжении (до 3500 МПа), модуль упругости (до 700 000 МПа) и малый диаметр волокон (5…12 мкм).
Волокна углерода имеют относительно высокую химическую стойкость к атмосферным условиям и некоторым кислотам (серной, азотной, соляной), что определяет их долговечность при хранении, а также долговечность КМ на их основе. Термостойкость при длительной эксплуатации не превышает 400 С. К недостаткам углеродных волокон следует отнести низкую прочность на сжатие, химическую активность при взаимодействии с расплавленными металлическими матрицами и малую смачиваемость, особенно с полимерными матрицами.
Волокна бора характеризуются низкой плотностью (2400…3000 кг/см3); прочностью при растяжении (до 3800 МПа) и модулем упругости (до 400 000 МПа). Для повышения термостойкости волокон на бор наносят тонкий слой (2…6 мкм) карбидов кремния или бора.
Волокна карбида кремния обладают плотностью 3200…3500 кг/м3, прочностью при растяжении 1700…2500 МПа, модулем упругости 450 000…480 000 МПа. Они жаростойки и жаропрочны и поэтому весьма перспективны для создания КМ на металлической основе с высокотемпературными характеристиками.
Высокая химическая стойкость к атмосферным воздействиям, практическое отсутствие реакции между материалами матрицы и волокнами и хорошая смачиваемоть позволяют использовать эти волокна без нанесения барьерных покрытий при изготовлении КМ с металлической матрицей.
Волокна из оксидов алюминия, циркония характеризуются высокими прочностью и теплостойкостью.
Металлическая проволока из высокоуглеродистых и высоколегированных сталей широко используется для армирования КМ.
Нитевидные кристаллы («усы») тонкие короткие волокна с монокристаллической структурой, диаметром до 10 мкм и длиной до 10 мм имеют прочность тем выше, чем меньше диаметр. Например, нитевидный кристалл железа диаметром 3 мкм имеет прочность при растяжении более 12 000 МПа, а при диаметре 10 мкм менее 3000 МПа.
Для создания КМ на металлической основе в качестве армирующих элементов применяют нитевидные кристаллы таких тугоплавких соединений, как карбиды кремния, бора, оксида алюминия и др.
Благодаря совершенству структуры нитевидные кристаллы имеют высокие, близкие к теоретическим прочностные характеристики. Например, нитевидные кристаллы из карбида кремния имеют плотность 3320 кг/м3, прочность при растяжении 21 000 МПа и модуль упругости 490 000 МПа.