lzabella Hyla metali i stopów t. VII PL l SSN 0208-9386 l SBN 83-04-01500-5 Os s o l i neum 1984 XI. KOMPOZYTÓW l lCH PRAKTYCZNEGO WYKORZYSTANIA W TECHNICE rozwój kompozytowych w wieku XX, zarówno prac naukowo-badawczych w tej dziedzinie, jak oraz praktycznym wykorzystaniem tych pozostaje w z zapotrzebowaniem techniki na o niekonwencjonalnych wysokiej wy- oraz cieplnej. kompo- zytowych odpowiednio W projektowaniu kompozytowego na fakt, fi- nalnego uzyskane albo jako sumaryczne cech komponentów, albo jako wynikowe lub strukturalne. W pro- jektowaniu sumarycznych (np. itp.) w obliczeniach na mieszanin. Zgodnie z dla kierunku uprzywi- lejowanego (np. w kompozytach jest to kie runek w kompozytach warstwowych - kierunek do warstw) z typu (l) natomiast dla kierunku do kierunku uprzywilejow anego z typu
43
Embed
WŁASNOŚCI KOMPOZYTÓW l PRZYKŁADY lCH … · Ponieważ właściwości wynikowe kompozytu zależą od właściwości ... udziału objętościowego fazy zbrojącej i wielkość jej
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
lzabella Hyla
Krzepnięcie metali i stopów t. VII PL l SSN 0208-9386 l SBN 83-04-01500-5
Os s o l i neum 1984
XI. WŁASNOŚCI KOMPOZYTÓW l PRZYKŁADY lCH PRAKTYCZNEGO
WYKORZYSTANIA W TECHNICE
Gwałtowny rozwój materiałów kompozytowych w wieku XX, wyraża
jący się zarówno koncentracją prac naukowo-badawczych w tej dziedzinie,
jak również wzmożoną produkcją oraz praktycznym wykorzystaniem tych
materiałów, pozostaje w ścisłym związku z rosnącym zapotrzebowaniem
techniki na materiały o niekonwencjonalnych własnościach, wysokiej wy
trzymałości oraz dużej stabilności cieplnej. Własności materiałów kompo
zytowych można odpowiednio zaprojektować . W projektowaniu materiału
kompozytowego należy zwrócić uwagę na fakt, że własności materiału fi
nalnego mogą być uzyskane albo jako własności sumaryczne określonych
cech komponentów, albo jako własności wynikowe lub strukturalne. W pro
jektowaniu własności sumarycznych (np. gęstość, ciepło właściwe itp.)
w obliczeniach własności końcowej można na ogół posługiwać się regułą
mieszanin. Zgodnie z nią daną własność materiału dla kierunku uprzywi
lejowanego (np. w kompozytach włóknistych jest to kie runek włókien, w
kompozytach warstwowych - kierunek równoległy do warstw) można
określić z zależności typu
(l)
natomiast dla kierunku prostopadłego do kierunku uprzywilejowanego z
zależności typu
378 lzabella Hyla
(2)
gdzie V - udział objętościowy poszczególnych komponentów (faz) •
Podany przykład oceny własności sumarycznych nie uwzględnia, jak
widać, możliwości wzajemnego oddziaływania komponentów. Efekt ten na-
tomiast wykorzystywany jest w tej grupie kompozytów, których własności
zaliczane są do własności wynikowych . Można to wyjaśnić schematycznie
na przykładzie sygnałów wejścia i wyjścia, obrazujących wzajemne od
działywanie komponentów lub faz składowych.
X x-y
Rys. l. Schematyczny model kompozytu o własnościach wynikowych
Jeśli pewien fizyczny sygnał
wejścia X zostaje umieszczony w fa
zie ex.. (rys . l), w której przekształ
cony w sygnał wyjścia Y ma ·możli
wość przejścia jako sygnał wejścio-
wy do fazy ~ i tam przekształcić się
w sygnał wyjścia Z, wówczas otrzy
muje się materiał, który reaguje na
sygnał X-Z. Przekazanie sygnału
wyjściowego Y fazy cx.. do fazy ~ może być zrealizowane za pomocą róż-
nego rodzaju mechanizmów: może to być sprzężenie mechaniczne, elek
tryczne, optyczne, magnetyczne, cieplne lub chemiczne . Uzyskane włas
ności wynikowe mogą być całkowicie nowe, względnie zgodne z wyjścio
wymi, ale o zmienionym natężeniu, uzależnionym od współczynników sprzę
żenia. Przykładem kompozytu o własnościach wynikowych może być ma
teriał składający się z fazy magnetostrykcyjnej i piezoelektrycznej. Kom
pozyt taki bez pomocniczego źródła prądu przekształca sygnały magne
tyczne w elektryczne (rys. 2) •
Zakładając, że współczynnik sprzężenia strukturalnego rozważanego
układu wynosi K1
, a współczynnik sprzężenia mechanicznego K2
, efekt
końcowy Z wyrazić można zależnością
dZ d Z dY dX - Kl . K2 • dY dX • (3)
Własności kompozytu, • • 379
Reakcja x-l.j Reakcja lj-z Reakcja >(·z
H fJ UlUJ~ l l
a
hrrrri Rys. 2. Efekt X-Z na przykładzie efektu magnetoelektrycznego w kompo
zycie włóknistym
Należy zaznaczyć, że niezbędnym warunkiem prawidłowego i oczekiwane
go działania tego dwufazowego kompo zytu jest dobre, mocne połączenie
obu faz, które umożliwia przenoszenie wydłużeń sprężystych bez strat ,
Ponieważ właściwości wynikowe kompozytu zależą od właściwości
wyjściowych zestawianych komponentów, zachodzi możliwość poglądowego
wskazania potencjalnych możliwych zestawień cech materiałów wyjścio
wych w celu uzyskania materiałów o szczególnych własnościach fizycz-
nych. Propozycje prognostycznego zestawienia ujmuje tab. l. Z przedsta-
Tab . l . Prognozowane właściwości wynikowe kompozytów [36]
Właściwości
komponentu l X-Y
l
piezomagnetyczne
piezomagnetyczne
piezoelektryczne piezoelektryczne
magnetostrykcyjne
W łaś ci wości komponentu ll
Y- Z
2
magnetooporowe
efekt Faradaya
elektroluminiscencja efekt Kerra
piezoelektryczne
Właściwości wynikowe kompozytu
X- Z
3
piezooporność, opór akustyczny
obrót polaryzacji w wyniku mechanicznego odkształcenia
piezoluminiscencja obrót polaryzacji w wy
niku mechanicznego odkształcenia
efekt magnetoelektryczny
380
l
magnetostrykcyjne efekt Nernsta
-Ettingshausena magnetostrykcyjne
elektre strykcyjne elektrestrykcyjne e lektroluminiscencja
materiału z punktu widzenia teorii dyslokacji, wyróżnić można dwa przy
padki: przypadek, w którym dyslokacje wyzwolone w procesie odkształ
ceń plastycznych przecinają cząstki (rys. 3b), oraz przypadek drugi,
w którym dyslokacje uginają się wokół cząstek, i mijając je, pozostawiają
wokół cząstek zamknięte pierścienie dyslokacji, zgodnie z mechanizmem
382 lzabella Hyla
Rys. 3. Przejście dyslokacji w kompozycie dyspersyjnym: a - ugięcie
wokół cząstki, b - przecięcie cząstki
Orowana (rys. 3a) •
Cząstki ulegające przecięciu przez dyslokacje wnoszą wkład w u
mocnienie materiału przez podwyższenie naprężenia plastycznego płynię
cia oraz dodatkowy wkład energetyczny związany ze w zrostem energii
powierzchniowej dzielonych cząstek. W drugim przypadku natomiast, u
mocnienie związane jest z ograniczeniem przemieszczania się linii dyslo
kacji między cząstkami spowodowane oddziaływaniem pętli dyslokacji po
wstających wokół cząstek. Dodatkowe naprężenie, niezbędne do zrów
noważenia oddziaływania pętli dyslokacji określić można, zgodnie z teorią
Motta-Nabarro, z następującej zależności
3
z . G b • v2 2 X o p (4) t' d
p
w której z - średnia liczba pętli dyslokacji wytworzonych wokół cząstek,
V - udział objętościowy cząstek, d - średnica cząstek, G - moduł p p o
sprężystości osnowy, b - wektor Burgersa.
W tej grupie kompozytów pod wpływem przyłożonego obciążenia, twar
de cząsteczki ograniczają odkształcenia znacznie bardziej od nich mięk
kiej osnowy. Powstaje pole naprężeń hydrostatycznych, podobne do pola
naprężeń w ośrodku sprężystym, a le przy znacznie wyższych wartościach
naprężeń, pr;z:ewyż szających często od 3 do 3, S-krotnie naprężenie na
Własności kompozytów ••• 383
granicy plastyczności nie ściśniętej osnowy. W powstałych warunkach
naprężeniowo-odkształceniowych następuje umocnienie osnowy przez zgniot,
co s tanowi również część składową całkowitego umocnienia kompozytu,
Zgodnie z propozycjami Eshby [i] granic plastyczności tego typu
kompozytu można określić z zależności
- 6 e o
G b d + 0,85 2 ~c lo- a ) qnn (!t) '
p (5)
w której cre granica plastyczności osnowy, G - moduł ścinania osnoo o
wy, b - wektor Burgersa, d - średnica cząstki (wartość średnia), p
4> - współczynnik uwzględniający zróżnicowany wpływ różnych typów
dyslokacji, L - średnia odległość między cząsteczkami;
l 2
gdzie V i - udział objętościowy cząstek o promieniu ri.
(G)
(7)
Przy dalszym wzroście obciążenia zniszczenie materiału rozpoczyna
się w wyniku niestabilnego płynięcia osnowy. Obciążenie graniczne i od-
"bo r--'V---------- -------r--,
1 ID ';l
15
1 • Cu ·Cr (~ o.og mmJ 2 - Cu · Fe(; 0.03 mm} 3 - C u · Cr f ~ O 04 mm}
Q1 Ql Q3 D.5 Q1 1
1/X (mm-1)
5 7 l()
Rys. 4. Wpływ c ząstek dyspersyjnych na granicę plastyczności kompozytu: l - Cu + Cr (,P 0,09 mm), 2-- Cu + Fe (rp 0,03 mm), 3 - Cu + Cr (rp O, 04 mm) , )l - średnia swobodna droga między cząstkami wzmacnia
jącymi [2]
384 lzabella Hyla
s t q4 § • <:i
"' ~ ~ 0,3 o
8 s ~· ~ ,
1 t1 0,1
l ~
o O,Oł 0.08 O.f2 0,16 0,20 O.>ł
Udzial obit:lościOH<J cząstek (Vp)
Rys. S. Zależność współczynnika umocnienia odkształceniowego n od udziału objętościowego cząstek zbrojących V [2]
p
k s ztałcenie przy tym obciążeniu pozostają w prostej zależności od gra
nic y plastyczności i współczynnika umocnienia osnowy n. Jak widać z
rys. 4 na poziom granicy plastyczności można wpływać poprzez wielkość
udziału objętościowego fazy zbrojącej i wielkość jej cząstek. Fotwier-
d za ją to wyniki badań eksperymentalnych (rys. 4 i 5) , w których stwier
d zono, że im mniejsze średnice cząstek i większy ich udział objętościo
wy , tym efekt umocnienia lepszy. Jest to słuszne jednak tylko w pew
nych granicac h zmian, podyktowanych z jednej strony względami technicz
nymi, z drugiej strony faktem, że zbyt cienka warstewka osnowy pomię
dzy c ząsteczkami może szybko ulec uszkodzeniu i przyczynić się do spad
ku wytrzymałości całego kompozytu, niwecząc efekt umocnienia.
Przy zbrojeniu cząstkami kruchymi, pękającymi pod wpływem przylo
żonego obciążenia, zniszczenie kompozytu rozpoczyna się od pękania
c ząstek, wywołującego silne plastyczne odkształcenie osnowy na niewiel
kim odcinku. Jak wykazały badania [3], po pęknięciu pewnej liczby czą
stek zwiększone plastyczne odkształcenie osnowy powoduje rozwieranie
się pęknięć, a to z kolei prowadzi do powstawania w materiale porów.
Końcowe zniszczenie kompozytu następuje na skutek przerwania silnie
odkształconego materiału między porami.
Własności kompozytów ••• 385
W kompozytac h mających kruchą osnowę rola pla stycznych , względ-
nie twardych cząstek, sprowadza się do ograniczenia rozmiarów naj
większych defektów lub mikropęknięć w osnowie, przyczyniając się do
podwyższenia jej wytrzymałości. Wpływ dyspersyjnej fazy zbrojącej na
wytrzymałość i twardość materiału jest szczególnie widoczny podczas
jego pracy w podwyższonych temperaturach. Wprowadzenie fazy dysper
syjnej do osnowy podwyższa jej wytrzymałość i twardość w wysokich
temperaturach (rys. 6, 7), zwiększa stabilność tych własności oraz
podwyż sza wytrzymałość na
pełzanie (rys. 8). Przebieg
procesu pełzania tych ma
teriałów często jest oceniany
.z punktu widzenia mechanizmów
dyslokacyjnych, szczególnie
w określaniu szybkości peł
zania dla okresu pełzania u
stalonego.
Według J. Weertmana [7] przy zbyt niskich naprężeniach,
niezdolnych do ugięcia dyslo
kacji wokół cząstek, ale w
400 - '""' c·c>
Rys. 6. Temperaturowa zależność wytrzymałości na rozciąganie 6r i granicy plastyczności cf0 , 2 stopów n~klowych umacnianych dyspers:fjnie (wartości uśrednio-
ne) [ 4]
dostatecznie wysokich temperaturach, dyslokacje przepełzają wokół czą-
stek według mechanizmu samodyfuzji. Szybkość pełzania ustalonego dla
takiego przypadku określić można z zależności
(8)
w której 6 - przyłożone naprężenie, D - współczynnik samodyfuzji osno
wy, b - wektor Burgersa, d - średnica cząsteczki, k - stała Boltzmana , p
T temperatura bezwzględna.
Natomiast w przypadku działania większych naprężeń, wystarczających
do ugięcia dyslokacji wokół cząstek wraz z utworzeniem pętli i płaskich
s kupisk dyslokacyjnych, szybkość pełzania uzależniona jest od przepeł
zania pozostałych pętli oraz dyfuzji wakansów do linii dyslokacji, lub ad
386 lzabella Hyla
Rys. 7. Wpływ fazy dyspersyjnej na twardość kompozytów Cu-Si02 i Cu-A1203 w podwyższonych tem-
peraturach [5]
Rys. 8. Zmiana wytrzymałości w czasie dla_ czystego żelaza i żelaza wzmacnianego dyspersyjnie tlenkami aluminium o różnym . udziale objętościowym V p fazy dyspersyjnej. Temperatura pomiaru 1093°
[G]
niej. Dla tego przypadku ustaloną
szybkość pełzania określa równanie
t • 21L64
LD/d 63
k T (9) ust. p o '
w którym o' - moduł sprężystości o
osnowy, L - odległość między czą-
steczkami (pozostałe oznaczenia jak
w (8)) • Przy braku uaktywnienia
zwykłych źródeł dyslokacji G.S.
Ansell [8] proponuje korzystanie z
zależności typu
L ust - Aexp( -Q + B c5) /kT, (10)
w której A - stała, Q - energia nie
zbędna do wyjścia dyslokacji poza
granice ziarna, B - stała, równa
pochodnej energii aktywacji względem
na prę żeni a.
Duża stabilność własności mecha-
nicznych kompozytów dyspersyjnych
w wysokich temperaturach powoduje,
że znajdują one zastosowanie w róż
nych gałęziach przemysłu do wyrobu szeregu elementów, które musi ce-
chować wysoka żarowytrzymałość. Przykładowo w przemyśle elektro
technicznym jako odpowiedzialne elementy stykowe stosuje się kompozyty
Cu/Al2o
3 i Cu/BeO, których twardość (zatem w sposób pośredni rów
nież wytrzymałość) w wysokich temperaturach ilustrują wykresy na
rys. 9. Na rysunku tym podano również analogie zne wykresy dla drugiej
grupy kompozytów wykorzystywanych w elektrotechnice, mianowicie kom
pozytów, których osnowę stanowi srebro. Elementy stykowe pracujące w
różnego rodzaju odłącznikach, wyłącznikach lub przekaźnikach muszą być
wy konane z materiałów, które oprócz odpowiednich własności elektrycznyc h
Własności kompozytów ••• 387
muszą charakteryzować się długą
żywotnością, przy zmiennych
warunkach temperaturowo-ob-
ciążeniowych (częste wyłącza- f10
nia, przeciążenia itp.), sta
łością własności i wymiarów
oraz dobrymi cechami techno-
logicznymi. Są to wymagania wy- 110
sokie, którym nie za w s ze mogą
sprostać nie tylko czyste me- 6IJ
tale, a le również ich stopy.
'-......: Cu/8e0
- t'\ 1-
i---
1'\
\ '-......
Cu/A/10, ,
'\
Aallł>O -....... ~
t\.. \
Cu ( ASifol NOne na an roi ,........._ i--
~ (kg/a/trwa, naDimo)
600 Dlatego do zapewnienia pra
widłowej, bezawaryjnej pracy
tych urządzeń sięgnięto do kom
pozytów.
Rys. 9. Zależność twardości niektórych kompozytów dyspersyjnych od temperatury
Podobne potrzeby ma przemysł szklarski. W urządzeniach do topie-
nia szkła występują bo.wi em elementy, które nawet w bardzo wysokiej
temperaturze nie mogą zmieniać pod obciążeniem ani swoich wymiarów,
ani wytrzymałości i twardości. Ta-
kie elementy (np. łóaka z filiera
mi) • są wykonywane z kompozytów
dyspersyjnych platyna-tlenki cyr
konu .• Jak znacznie cząstki te pod
wyższają wytrzymałość materiału
~ ~ li ~
:~ -2 !:l
~ ... ~ :t
so
20
tł
órJ
lO
tO ' 1()0
Pt . 1.500 ·c
2 5 to' :l 5 1~J czas 2
· osnowy, ilustrują najlepiej wykre
sy przedstawione na rys. 10. W
przemyśle energetycznym, lotni
czym (silniki) czy kosmie znym
sięgnięto natomiast po kompozyty
z osnową niklową . Nikiel i jego
stopy z dodatkiem chromu lub mo
Rys. 10. Czasowa wytrzymałość platyny oraz kompozytu platyna-tlenek cyrkonu w podwyższonych temperatu-
rach
libdenu umacniane dyspersyjnie uważane są w obecnych czasach za jeden
z najlepszych materiałów żarowytrzymałych. Dlatego wykonuje się z nich
388 lzabella Hyla
m.in. łopatki turbin, pracujących w obszarze bardzo wysokich tempera-
tur ciągłych .
1.2. Kompozyty włókniste
Materiały kompozytowe konstrukcyjne to przede wszystkim kompo
zyty włókniste. Wśród nich, biorąc pod uwagę kompozyty odlewnicze
przeznaczone do pracy w podwyższonych temperaturach, stosowane są
zarówno te, które otrzymywane są metodami bezpośrednimi, tzw. kompo
zyty "in situ", jak również otrzymywane metodami pośrednimi, takimi
jak np. metoda ciągłego odlewania, metoda infiltracji, metoda zanurza
nia w ciekłym metalu o snowy, czy wreszcie odlewania rotacyjnego. Do
kompozytów otrzymywanych metodami bezpośrednimi zalicza się przede
wszystkim kompozyty eutektyczne .
Kompozyty otrzymywane przez kierunkową krystalizację sto pów eutek
tycznych, charakteryzują się dużą stabilnością termodynamiczną i dosko
nałymi własnościami eksploatacyjnymi. Zaliczane są w większości do bar
dzo dobrych materiałów żarowytrzymałych, ponieważ wykazują wyjątkowo
wysoką stabilność struktury podczas pracy w wysokiej temperaturze, a
wraz z tym stabilność własności mechanicznych. Kierunkowo krystalizo
wane eutektyki pozwalają uzyskać model struktury kompozytu włóknistego, ·
w którym na tle osnowy pojawia się uporządkowana faza o kształcie włók
nistym, charakteryzująca się bardzo dobrymi własnościami wytrzymałoś
w której V' i (V - V ' ) - udział objętościowy włókien o długości od-w w w
powiednie większej i mniejszej od lk , l i ryt. +
l - średnie długości włó-
kien, których długości l > lk i l < lk , ryt. ryt.
odpowiednio.
Własności kompozytów ••• 393
Kiedy natomiast kompozyt składa się z plastycznej osnowy plastycz-
nego włókna, odchylenie od równania sumacyjnego wywołane może być
procesem wielokrotnego szyjkowania komponentu zbrojącego oraz wystę
powaniem efektu plastyfikującego, polegającego na zwiększonej plastycz
ności włókna w kompozycie w porównaniu z tą, jaką posiada poza osno
wą . Dla tych przypadków brak jednoznacznych propozycji co do postaci
równań umożliwiających obliczanie wytrzymałości kompozytu, ponieważ
efekt końcowy zależy w dużym stopniu od wzajemnego oddziaływania
komponentów oraz ich zdolności do umocnienia przez odkształcenie, co
z kolei nie da się jednoznacznie przewidzieć.
Kompozyty eutektyczne to jednak przede wszystkim materiały żaro
odporne i żarowytrzymałe, istotne zatem są własności i zachowanie się
tych materiałów w wysokich temperaturach, Bardzo dobra żarowytrzy
małość; jaka charakteryzuje szereg kompozytów eutektycznych, jest wy
nikiem stabilności ich struktury w wysokich temperaturach . W procesie
wytwarzania kompozytów eutektycznych obie fazy bowiem powstają w wa
runkach równowagi termodynalnicznej i wartości ich energii swobodnych
są równe, brak jest zatem gradientów potencjału chemicznego, które
mogłyby zainicjować procesy dyfuzji. Warunki wzrostu kierunkowego wy
muszają ponadto takie zależności krystalograficzne i strukturalne, które
powodują możliwie najniższą jednostkową energię powierzchniową granicy
międzyfazowej. Zapewnia to nie tylko dobre własności wytrzymałościowe
przy obciążeniach krótkotrwałych w wysokich temperaturach (rys. 12) ,
ale również stabilność struktury przy długotrwałej pracy w polu wyso
kich temperatur. Badania procesu pełzania kompozytów eutektycznych
[20-22] wykazały, że szybkość pełzania ustalonego w tych kompozytach
można opisać zależnością typu równania Arrheniusa
(22)
Wartość wykładnika n dla niektórych materiałów ujmuje tab. 2, E
nergia aktywacji zależy od wielkości udziału poszczególnych faz w pro
cesie pełzania. Fazy strukturalne uczestniczą bowiem w różnym stopniu
w inicjowaniu i rozwoju pełzania. Oprócz wielkości energii aktywacji
394
Rys . 12. Zależność wytrzymałości na rozciąganie od temperatury dla niektórych kompozytów w zestawieniu z żarowytrzymałymi stopami: S -MAR-M200 i 6 - TRW VIA [ 4 J; a - kompozyty o strukturze płytkowej: l - Ni-NiMo, 2 - Ni -Ni3Nb, 3 - Ni-Ni3Ti, 4 - NiAl-Ni3Nb; b -kompozyty o strukturze słupkowej: l - Ni-NbC, 2 -NiAl -Cr, 3 - Ni+20%Co+ +10%Cr+3%Al-TaC, 4 -
Ni3 Ta- Ni3Al
lzabella Hyla
na przebieg proce su pełzania mogą wywierać
równie ż istotny w. ływ zmiany mikrostruktury .
Granica rozdzia lu faz, działając hamująco
na ruch dyslokacji w o snowie, przyczynia się
do wytworzenia określonej substruktury dyslo
kacyjnej, której towarzyszy pewne pole na
prężeń. Naprężenie to wywiera z kolei wpływ
na przebieg charakterystyk pełzania. Przez
analogię do kompo zytu dys per syjnego, w któ
rym ruch dyslokacji hamowany c ząsteczkami
fazy dyspersyjnej zależał nie tylko od śred
nicy cząstek, ale również od odległości mię
dzy nimi, można przyjąć, że podobnym para
metrem wymiarowym substruktury w kompozy
tach eutektycznych jest odległość między płyt
kami lub włóknami - A • Naprężenia we
wnętrzne wywołane taką substrukturą okreś
lić można zależnością 6 . - k ;ł, a szybkość 1
pełzania osnowy równaniem
f., o
l
A(6- k.A-"2)nexp[-Q/(RT)] (23)
Wraz ze wzrostem szybkości krystalizacji na
stępuje rozdrobnienie struktur, w wyniku czego odległość między elemen
tami faz >. będzie równie ż malała . Zmaleje też szybkość pełzania (23) .
Tab . 2 . Wykładnik "n" w równaniu pełzania ustalonego ~równ.22 ) dla niektórych materiałów [ 25]
Materiał
n
Metale i stop
3-5
Ni-Cr
~ 7 ~ 21 - 7
Jak widać, zwiększając szybkość krystalizacji stopu eutektycznego, można
uzyskać materiał o mniejszej szybkości pełzania .
Własności kompozytów . . • 395
Badania długotrwałej wytrzymałości kompozytów eutektycznych (Ni3
Al-o
-Ni3
Nb i Ni/Ni3
Al-Ni3
Nb) w temperaturze 1100 C przy naprężeniu 120-
-160 MPa wykazały, że stabilność termiczna tych kompozytów dotyczy w
głównej mierze kształtu i rozmiarów fazy Ni3
Nb, a nie całej mikrostruk
tury . W płytkach Ni3
Nb stwierdzono bowiem występowanie wydzieleń fazy
Ni3
Al, a na granicach rozdziału pojawienie się epitaksjalnych siatek
dyslokacji.
Wpływanie na szybkość pełzania kompozytu eutektycznego poprzez
dużą szybkość krystalizacji ma bardzo ograniczony zakres . Istnieje bo
wiem pewna prędkość krystalizacji, zwana prędkością krytyczną, której
nie powinno się przekraczać, jeżeli chce się zachować dobre własności
Rys. 17 . Wpływ grubości war- pozyty te, w większości, mają dodatkostwy granicznej na: a - wytrzy-małość wzdłużną, b _ wytrzy- wą cenną zaletę, jaką jest wysoka
małość poprzeczną kompozytu, sztywność i wytrzymałość właściwa. c - wytrzymałość po!ączenia na
granicy faz [29] Określenie "wytrzymałość właściwa"
oznacza tu doraźną wytrzymałość ma
teriału odniesioną do jego gęstości R /l . Największą grupę i najbar-m
dziej perspektywiczną z punktu widzenia praktycznych zastosowań sta-
nowią wśród kompozytów włóknistych kompozyty z osnową aluminiową lub
magnezową (względnie ich stopów), zbrojoną wysokowytrzymałymi i żaro-
Własności kompozytów, •. 401
odpornymi włóknami metalicznymi i niemetalicznymi.
Kompozytarni opartymi na stopach lekkich najbardziej zainteresowany
jest przemysł lotniczy, astronautyczny i wojskowy, ponieważ zastosowa
nie ich w różnego typu pojazdach, lub elementach wirujących, pozwala
na zmniejszenie ciężan1 tych elementów, w konsekwencji do oszczędności
energetycznych. Obniżenie ciężaru wyrobu jest możliwe, gdyż kompo
nent zbrojący wprowadzany w miejsce osnowy powoduje szybszy wzrost
wytrzymałości materiału niż jego gęstości właściwej, np. silumin zbro
jony włóknem stalowym o R - 1500-2000 MPa wykazuje wzrost wytrzy-m
małości w stosunku do siluminu niezbrojonego o 7a%, przy równoczesnym
wzroście gęstości, wynoszącym zaledwie 15%. Gdy stosuje się do zbroje
nia włókna niemetaliczne (włókna węglowe lub włókna boru) , relacja ta
okazuje się jeszcze lepsza.
W latach siedemdziesiątych szereg firm USA opanowało przemysłową
produkcję blach i kształtowników zbrojonych włóknami ciągłymi. Osnowę
tych materiałów stanowią przede wszystkim popularne stopy Al, nato
miast zbrojenie - druty berylowe lub stalowe (stal nierdzewna o R -m
- 3400-3650 MPa i ł> 0,2-1,5 mm), włókna boru, węglika boru lub borsik
(włókna boru pokryte węglikiem krzemu) oraz włókna węglowe. Kompo
zyty te uzyskują bardzo dobre własności mechaniczne, np .• przy udziale
objętościowym włókien z węglika boru 40-50 % wytrzymałość stopu Al6061
osiąga wartość 1400 MPa [25], a przy udziale 50% włókien boru -
1140 MPa, natomiast moduł sprężystości wynosi około 240-400 MPa.
Według danych [ 26] w 1970 r. w konstrukcjach samolotowych już ponad
22 różne elementy wykonane z kompozytów (głównie Al-włókna
boru) przechodziły badania w lotach. Na rys. 18 pokazano przykładowo
niektóre elementy w konstrukcjach samolotowych, wykonywane z kompo
zytu Al-włókna boru. Szczególnie ten kompozyt znalazł szerokie zasto
sowanie w technice lotniczej, ponieważ umożliwił znaczne obniżenie cię
żaru produkowanych z niego detali, sięgające 18-60 %, przy zachowaniu
bardzo dobrej sztywności.
Niezależnie od kompozytów dwufazowych Al-włókna boru, w prze
myśle lotniczym stosuje się również zbrojenie heterofazowe, np. Al-włókna
boru + włókna stalowe. Zbrojenie włóknami stalowymi, układanymi zwykle
402 lzabella Hyla
Wspornik t'~~ kadłuba
8-1 IJdi element nośm; ~ 2 Lii!ii liSi kodtubo
li
Lotki sfabdizacl.Jine
~ rokiefl.J --=-ai l
OC -10 · ~ iebro pionu
Łopatki e tur bim;
B-1
~~ Hręqa kodtubONO
Ostana ~ fur bim.;
Rys . 18. Przykłady niektórych elementów kon strukcji samolotowych, wykonywanych z kompozytu Al - włókna boru
Własności kompozytów ••• !.03
1
.................... ...... : 2 :•;";"~H:~mm l l l l l t z t i l l Zlłł l z z z z l l l l z l z z z z z z t l z l z l l l z l l l