Для средненагруженных и тяжело нагруженных деталей используют материалы, предел прочности на сжатие которых составляет соответственно 70--75 и более 90 % предела прочности беспористого материала (шестерни, рычаги, кулачки и т. д.). Детали этой группы подвергаются расчетам на прочность, жесткость и долговечность в заданных условиях эксплуатации.

Назначение порошковых конструкционных материалов состоит в замене существующих, полученных традиционными методами. Объем применения порошковых конструкционных материалов с каждым годом растет в связи с улучшением их свойств за счет применения прогрессивных технологических способов изготовления.

Рекомендуемая литература:

1. [2] стр.151-157.

2. [4] стр.2124.

3. [1] стр.67-71.

Контрольные задания для СРС (тема 6) [1, 2, 4]

1. Разобрать классификацию конструкционных порошковых материалов по степени нагруженности.

2. Разобрать обобщенные технологические схемы изготовления порошковых конструкционных материалов в зависимости от степени нагруженности.

8. Композиционные материалы. (3 часа)

Композиционными материалами (КМ) или композитами называют материалы, состоящие из сильно различающихся по свойствам друг от друга, взаимно нерастворимых компонентов.

Композиционные материалы позволяют:

- создавать элементы конструкций с заранее заданными свойствами, высокой эффективностью по массе и высокой технологичностью;

- создавать материалы с качественно новыми свойствами и не только повышать эксплуатационные характеристики существующих конструкций, но и создавать принципиально новые конструкции, недоступные при применении традиционных материалов.

Классификация КМ. Композиционные материалы состоят из сравнительно пластичного матричного материала и более твердых и прочных веществ, являющихся упрочняющими наполнителями. Матрица связывает композицию и придает ей нужную форму. В зависимости от материала матрицы различают композиционные материалы с металлической матрицей или металлические композиционные материалы (МКМ), с полимерной -- полимерные композиционные материалы (ПКМ) и с керамической -- керамические композиционные материалы (ККМ). По типу упрочняющих наполнителей композиционные материалы подразделяют на дисперсно-упрочненные, армированные или волокнистые и слоистые (рис. 8).

Рисунок 8 - Схемы строения композиционных материалов:

В дисперсно-упрочненные композиционные материалы искусственно вводят мельчайшие равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и другие, не взаимодействующие с матрицей и не растворяющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояния между ними, тем прочнее композиционный материал. В дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным несущим элементом.

Арматурой в армированных композиционных материалах могут быть волокна различной формы (нити, ленты, сетки разного плетения). Прочность таких композиционных материалов определяется прочностью армирующих волокон, которые воспринимают основную нагрузку. Армирование дает больший прирост прочности. Дисперсное упрочнение технологически легче осуществимо.

Слоистые композиционные материалы набираются из чередующихся слоев волокон и листов матричного материала (типа «сэндвич»). Слои волокон в таком композиционном материале могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев матрицы из сплавов с различными механическими свойствами.

Композиционные материалы по удельным прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы. Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления материала. При этом КМ придают по возможности форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей и даже отдельных узлов конструкции.

Свойства КМ в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью КМ является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем КМ присущи свойства, которыми не обладают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств композиций выбирают компоненты с резко отличающими, но дополняющими друг друга свойствами.

От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения КМ и такие важные эксплуатационные характеристики, как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность.

КМ с комбинированными матрицами называют полиматричными (рис. 9, а). Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность КМ в направлении, перпендикулярном оси волокон. Алюминиевые слои в матрице способствуют уменьшению плотности материала.

Рисунок 9 - Схемы полиматричного (а) и полиармированного (б) КМ

В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители). КМ, которые содержат два и более различных наполнителя, называют полиармированными (рис. 9, б).

Поскольку главную роль в упрочнении КМ играют наполнители, их часто называют упрочнителями. Упрочинители должны обладать высокими прочностью, твердостью и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу. С увеличением модуля упругости и временного сопротивления наполнителя повышаются соответствующие свойства КМ, хотя они и не достигают характеристик наполнителя. Наполнители называют еще армирующими компонентами. Это более широкое понятие, чем «упрочнитель». Оно не конкретизирует роль наполнителя и поэтому показывает, что наполнитель вводится в матрицу для изменения не только прочности, но и других свойств.

Свойства КМ зависят также от формы или геометрии, размера, количества и характера распределения наполнителя (схемы армирования).

По форме наполнители разделяют на три основные группы (рис. 10): нуль-мерные (1), одномерные (2), двумерные (3).

Рисунок 10 - Формы наполнителя:

1 - нуль-мерные; 2 - одномерные; 3 - двумерные наполнители

Нуль-мерными называют наполнители, имеющие в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы). Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна). У двумерных наполнителей два размера соизмеримы с размером КМ и значительно превосходят третий (пластины, ткань).

Дисперсно-упрочненные КМ, упрочнены нуль-мерными наполнителями; волокнистые -- упрочнены одномерными или одномерными и двумерными наполнителями; слоистые -- упрочнены двумерными наполнителями.

Рекомендуемая литература:

1. [4] стр.27-31.

2. [3] стр.434-436.

3. [3] стр.437-439.

Контрольные задания для СРС (тема 7) [3, 4]

9. Дисперсно-упрочненные КМ

Структура и свойства дисперсно-упрочненных КМ.

В дисперсно-упрочненных КМ наполнителями служат дисперсные частицы тугоплавких фаз-оксидов, нитридов, боридов, карбидов (Al2O3, SiO2, BN, SiC и др.). К достоинствам тугоплавких соединений относятся высокие значения модуля упругости, низкая плотность, пассивность к взаимодействию с материалами матриц, а у таких, как оксиды алюминия и кремния, -- большая распространенность в природе и невысокая стоимость образующих их элементов.

Дисперсно-упрочненные КМ в основном получают порошковой технологией, но существуют и другие способы, например метод непосредственного введения наполнителей в жидкий металл или сплав перед разливкой. В последнем случае для очистки от жировых и других загрязнителей, улучшения смачиваемости частиц жидким металлом и равномерного распределения их в матрице применяют ультразвуковую обработку жидкого расплава.

В дисперсно-упрочненных КМ основную нагрузку воспринимает матрица, а дисперсные частицы упрочнителя оказывают сопротивление движению дислокаций при нагружении материала, мешают развитию пластической деформации. Чем больше это сопротивление, тем выше прочность. Поэтому прочность зависит также от дислокационной структуры, формирующейся в процессе пластической деформации при изготовлении изделий из КМ. Кроме того, дисперсные частицы наполнителя оказывают «косвенное» упрочняющее действие, способствующее образованию структуры с большой степенью неравноосности зерен (волокнистой). Такая структура формируется при сочетании пластической деформации и отжигов. При этом дисперсные включения частично или полностью препятствуют рекристаллизационным процессам. Эффективное упрочнение достигается при содержании упрочняющей фазы в матрице 5-10 об.%.

Таким образом, уровень прочности зависит от объемного содержания упрочняющей фазы, равномерности ее распределения, степени дисперсности и расстояния между частицами.

Преимущество дисперсно-упрочненных КМ по сравнению с волокнистыми -- изотропность свойств.

Технология получения дисперсно-упрочненных композиционных материалов представлена на рисунке 11.

Подготовка исходных порошков заключается в проверке химического и гранулометрического составов и при необходимости - в сушке.

Свойства исходных порошков и вариант технологии изготовления таких материалов определяется требуемой структурой получаемого материала, которая в зависимости от расположения дисперсных частиц может быть агрегатной и дисперсной (рис. 12).

Существенное влияние на структуру и свойства оказывают размеры дисперсных частиц и равномерность распределения их в объеме материала. Поэтому основной технологической операцией, определяющей однородность смеси, ее чистоту и физико-химические свойства изделия, является операция смешивания.

При изготовлении дисперсно-упрочненных материалов используют следующие способы смешивания исходных порошков металлов и распределения дисперсной фазы в объеме изделия:

1) механическое смешивание;

2) поверхностное окисление;

3) химическое осаждение из растворов;

4) водородное восстановление из растворов;

5) термическое разложение солей.



Рисунок 12 - Схемы агрегатной (а) и дисперсной (б) структур дисперсно-упрочненных сплавов

Механическое смешивание является наиболее простым и дешевым способом получения смесей, при котором возможно одновременное смешивание и размол составляющих. Для смешивания используют различные мельницы: шаровые, вихревые, конусные смесители и т.п. Выбор оборудования для смешивания зависит от дисперсности частиц порошков, длительности смешивания и степени загрязнения порошков посторонними примесями.

При размоле в воздушной среде повышение дисперсности порошков приводит к их окислению. При этом для металлов с низким сродством к кислороду образующиеся оксиды восстанавливаются в восстановительной среде и активируют спекание. При размоле высокоактивных металлов, оксиды которых трудно восстановимы, процесс ведут в защитной или активной среде.

Для повышения равномерности механического смешивания применяют «механическое сплавление», когда в водоохлаждаемом смесителе создаются условия высокоэнергетического соударения шаров, которое имеет место при соотношении шары:смесь равном 20:1. В результате происходит схватывание частиц и их разрушение, что приводит к гомогенизации порошков и равномерному распределению упрочняющей фазы.

Более равномерное распределение упрочняющей фазы достигается в том случае, когда вместо металла в матрицы вводят его соль или оксид, легко восстанавливаемые водородом.

Поверхностное окисление применяют в тех случаях, когда в качестве упрочнителей используют оксид металла. Примером поверхностного окисления порошков могут служить выпускаемые промышленностью порошки для производства сплавов типа САП (спеченная алюминиевая пудра). Первая стадия окисления происходит при распылении жидкого алюминия струей сжатого воздуха. Для обеспечения нужной степени окисления используют воздух, обогащенный азотом и содержащий менее 10 % кислорода. Вторая стадия окисления происходит при размоле полученных порошков в шаровых мельницах, где также разрушается первичная оксидная пленка и порошок комкуется за счет сваривания частиц. Для обеспечения преобладания при размоле процессов размельчения вводят поверхностно-активное вещество (ПАВ), в качестве которого чаще всего используют стеариновую кислоту. Измельчение ведут до тех пор, пока суммарная поверхность порошка не увеличится настолько, что введенного ПАВ будет достаточно для ее полного покрытия. Таким образом, количеством вводимого ПАВ регулируют размер частиц алюминия и количество оксида алюминия в смеси.

Ведущее место из освоенных промышленностью композиционных материалов занимают металлические композиционные материалы на основе алюминия и его сплавов. Использование алюминия в качестве матричного материала обусловлено широким распространением его в технике, низкой плотностью, коррозионной стойкостью, возможностью регулировать механические свойства алюминиевых сплавов термической обработкой и подвергать их различным видам обработки давлением и литья.

В промышленных масштабах выпускаются порошки четырех марок, отличающиеся содержанием оксида алюминия: САП - 1 (6-8 %), САП - 2 (9-12 %), САП - 3 (13-17 %), САП - 4 (18-22 % Al2O3).

Химическое осаждение из растворов позволяет добиться равномерного распределения компонентов дисперсно-упрочненных сплавов. Применяют два способа химического осаждения. В первом используют в основном способность ряда металлов осаждаться из растворов на частицах упрочняющей фазы при введении в раствор соединений, обладающих восстановительными свойствами.

Второй способ находит более широкое применение и состоит в совместном осаждении нерастворимых соединений, которые затем переводят в оксиды путем термического разложения и подвергают селективному восстановлению. Практически для всех материалов можно подобрать соответствующие условия осаждения из растворов нерастворимых соединений и перевода их в оксиды. При этом обязательным в дальнейшем должно быть восстановление оксида матричного материала при сохранении оксида упрочнителя. В этом случае предпочтение следует отдавать нитрату, поскольку они хорошо растворимы и при разложении осадков, содержащихся в них азот легко удаляется в виде оксидов.

Восстановление водородом в растворах позволяет получать смеси для изготовления дисперсно-упрочненных материалов высокой степени чистоты. Процесс может происходить только в том случае, когда потенциал реакции ионизации водорода превышает потенциал реакции восстановления. Восстановление происходит в несколько стадий:

- растворение водорода;

- диффузное перемещение и адсорбция его на поверхности зародыша;

- реакция на этой поверхности;

- десорбция и отвод продуктов реакции.

Термическим разложением смесей солей можно достичь идеально равномерного распределения компонентов в растворе. В процессе перевода раствора солей в смесь оксидов путем гидратации и термического разложения равномерность распределения компонентов может нарушиться из-за дробного характера кристаллизации солей и ликвации составляющих при дегидратации. Для предотвращения этого уменьшают длительность протекания процессов, замораживая раствор или впрыскивая его через форсунку в горячую камеру.

Заготовки дисперсно-упрочненных материалов формуют практически всеми известными способами порошковой металлургии: прессованием в стальных пресс-формах; холодным и горячим изостатическим прессованием, прокаткой и шликерным литьем и др. Наиболее широко применяют способы прессования в стальных пресс-формах и изостатическое прессование.

Особенностью прессования является наличие упрочняющей фазы, которая влияет на объемные характеристики смеси (насыпная плотность, вес утряски, формуемость). Насыпная плотность уменьшается с увеличением содержания упрочняющей фазы. Поэтому, чтобы плотность прессовки из смеси порошков получилась равной плотности чистого материала матрицы, необходимо повышать давление прессования.

Порошки дисперсно-упрочненных материалов имеют хорошую формуемость, поскольку обладают большой удельной поверхностью.

Спеканием дисперсно-упрочненных материалов не удается получать безпористые заготовки, поскольку наличие в объеме заготовки инертных газов частиц тормозит процесс спекания. Второй особенностью спекания является необходимость предотвращения укрупнения упрочняющих частиц.

Увеличение размера частиц упрочняющей фазы характерно для систем, требующих высоких температур спекания, например для сплавов металлов группы железа и тугоплавких металлов.

При последующей горячей деформации, обеспечивающей получение практически беспористых заготовок, при спекании заготовок дисперсно-упрочненных материалов не ставится цель получения высокой плотности. Основной целью спекания является довосстановление оксидов и дегазация прессовок, поскольку содержание газов на развитой поверхности порошков может достигать больших величин. Так, алюминиевые порошки могут содержать до 1200 см3 газа на 100 г.

Спекание заготовок дисперсно-упрочненных материалов проводят в среде водорода, в вакууме с применением соответствующих печей и горячего прессования.

Деформация и термообработка заготовок после спекания приводят к улучшению структуры дисперсно-упрочненного материала. В этом случае формируется устойчивая дислокационная структура, повышающая длительную прочность. Для деформации порошковых заготовок применяют экструзию в эластичных оболочках для предотвращения окисления при обжатии 1:40, после экструзии - холодную или горячую деформацию (волочение, прокатку, ковку) с обжатием за проход 5-25 % при суммарном обжатии до 95 %. Заключительная операция - отжиг, приводящий к росту зерен материала матрицы и образованию двойников отжига высокой плотности, снижающих скорость распространения трещины при разрушении.

Рекомендуемая литература:

1.[3] стр.439-440.

2.[4] стр.32-36.

3.[3] стр.440-443.

Контрольные задания для СРС (тема 6) [3, 4]

1. Разобрать формулу Орована.

2. Изучить структуру и свойства диспесрсно-упрочненных КМ на никелевой основе.

10. Волокнистые КМ

10.1 Структура и свойства волокнистых КМ

В волокнистых КМ упрочнителями служат волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений (B, C, Al2O3, SiC и др.), а также проволока из металлов и сплавов (Mo, W, Be, высокопрочная сталь и др.). Для армирования КМ используют непрерывные и дискретные волокна диаметром от долей до сотен микрометров.

При упрочнении волокнами конечной длины нагрузка на них передается через матрицу с помощью касательных напряжений. В условиях прочного (без проскальзывания) соединения волокна с матрицей нагрузка на волокна при растяжении равна фрdl,где ф - касательное напряжение, возникающее в матрице в месте контакта с волокном; d - диаметр волокна, l - длина волокна. С увеличением длины волокна повышается возникающее в нем напряжение. При определенной длине, называемой критической, напряжение достигает максимального значения. Оно не меняется при дальнейшем увеличении длины волокна. Практикой подтверждено, что чем тоньше и длиннее волокно, т.е. чем больше отношение длины к диаметру, тем выше степень упрочнения КМ.

В качестве матриц металлических КМ используют металлы: алюминий, магний и титан, жаропрочный никель и сплавы на их основе; для неметаллических КМ -- полимерные, углеродистые, керамические материалы.

Свойства волокнистых КМ в большой степени зависят от схемы армирования. Ввиду значительного различия в свойствах волокон и матрицы при одноосном армировании физическим и механическим свойствам КМ присуща анизотропия. При растяжении временное сопротивление и модуль упругости КМ достигают наибольших значений в направлении расположения волокон, наименьших -- в поперечном направлении. Анизотропия свойств не наблюдается при двухосном армировании с взаимно перпендикулярным расположением упрочняющих волокон. Остаются низкими характеристики при сжатии и сдвиге. При растяжении материала вдоль волокон нагрузку в основном воспринимают высокопрочные волокна, а матрица служит средой для передачи усилий.

При изготовлении деталей из КМ волокна ориентируют так, чтобы с максимальной выгодой использовать их свойства с учетом действующих в конструкции нагрузок.

Прочность КМ в большой степени зависит от прочности сцепления волокон с матрицей.

Для качественного соединения волокон с матрицей необходимо пpeжде всего обеспечить хороший контакт (без загрязнений, газовых и других включений) по всей поверхности соединений. КМ относятся в основном к термодинамически неравновесным системам, что является главной причиной диффузионных процессов и химических реакций, происходящих на границе раздела между волокном и матрицей. Эти процессы протекают при изготовлении КМ и при их использовании. Некоторое взаимодействие между компонентами необходимо для обеспечения прочной связи между ними, передачи напряжений.

Для металлических КМ прочная связь между волокном и матрицей осуществляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого слоя (1-2 мкм) интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей нет взаимодействия, то на волокна наносят специальные покрытия для его обеспечения, но прослойки образующейся при этом фазы должны быть очень тонкими.

Связь между компонентами в КМ на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии. Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные, керамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением, поверхностной обработкой волокон, называемой вискеризацией. Вискеризация -- это выращивание монокристаллов карбида кремния на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендикулярно их длине. Полученные таким образом «мохнатые» волокна бора называют «борсик». Вискеризация способствует повышению сдвиговых характеристик, модуля упругости и прочности при сжатии без снижения свойств вдоль оси волокна. Так, увеличение объемного содержания нитевидных кристаллов до 4-8 % повышает сдвиговую прочность в 1,5-2 раза, модуль упругости и прочность при сжатии на 40-50 %.

На поверхности соединения компонентов не должно происходить химических реакций, приводящих к повреждению волокон, ухудшению их свойств и свойств КМ.

Технология изготовления волокнистых композиционных материалов призвана решать следующие задачи: создавать надежную связь упрочнитель -- матрица, распределять упрочнитель в матрице по требуемой схеме или обеспечивать сохранность его распределения в армирующих компонентах, исключать коррозионное, механическое и другие виды повреждений.

Для формования заготовок из волокнистых КМ применяют прессование в стальных прессформах, горячее гидростатическое прессование, экструзию, прокатку, виброуплотнение, шликерное литье и уплотнение взрывом.

При прессовании в стальных прессформах давление прессования определяется свойствами применяемых волокон. Если смесь содержит металлические волокна, давление может быть выше, чем при прессовании композиции с керамическими волокнами. При этом следует учитывать, что наличие в смеси жестких волокон препятствует равномерному уплотнению матрицы.

Значительно возрастает равномерность уплотнения заготовок при гидростатическом прессовании. Этот метод целесообразно использовать при прессовании заготовок с ориентированными волокнами, что позволяет сохранить заданное распределение волокон в матрице. Процесс гидростатического прессования композиционных материалов аналогичен прессованию обычных порошковых смесей.

Способом экструзии можно получать заготовки двух видов. Один вид заготовок получают продавливанием через мундштук шихты, состоящей из смеси компонентов и пластификатора, другой -- горячей экструзией порошковых прессовок из смеси матричного материала и упрочнителя. Заготовки этого вида могут применяться и как готовые изделия. Так, например, при производстве титанобериллиевого композиционного материала брикетированные в стальных оболочках смеси порошков титана и бериллиевой проволоки подвергают экструзии при температуре 350--370 °С, а полученные прутки -- прокатке и ковке. Основное преимущество этого способа -- низкая температура процесса, которая предотвращает образование интерметаллидов, снижающих прочность изделий.

Прокаткой смеси можно получать большие по ширине и длине заготовки композиционных материалов с равномерным распределением плотности по сечению заготовки, а также армированные ленты и листы. При совместной пластической деформации волокна вдавливаются в более пластичную матрицу, а матричный материал заполняет все микропустоты заготовки и даже микротрещины на поверхности волокон, что повышает их прочность. При получении композиционных материалов прокаткой необходимо учитывать, что при продольной прокатке деформация заготовки не должна быть причиной разрыва волокон.

Шликерное литье является перспективным способом формования композиционных материалов, позволяющим получать заготовки сложной формы с дискретными волокнами без их деформации в процессе уплотнения. Применяют два вида шликерного литья. Согласно первому из них, из порошков материала матрицы и волокон готовят шликер и заливают в форму. Полученную заготовку сушат и спекают. Содержание волокон в этом случае не превышает 5-10 %. Во втором случае армирующие компоненты помещают в форму и заливают шликером матричного состава. При этом можно использовать и непрерывные волокна.

Примером применения шликерного литья служит технология изготовления композиционного материала никель-вольфрам. В этом случае вольфрамовую арматуру пропитывают шликером из тонкого порошка никелевого сплава. С целью удаления растворителя и предварительного спекания проводят медленный нагрев заготовки в среде водорода до температуры 820 °С с выдержкой в течение 1 ч. Затем заготовку подвергают изостатическому горячему прессованию при 820 °С, давлении 138 МПа в течение 1 ч, после чего температуру повышают до 1100 °С и выдерживают заготовку еще 1 ч.

Горячее прессование позволяет получать беспористые заготовки при более низких давлениях и температурах и за более короткое время по сравнению с раздельным формованием и спеканием, что снижает вероятность разрушения хрупких волокон в процессе формования, а также в связи с применением более низких температур и уменьшением длительности выдержки, удается исключить нежелательное химическое взаимодействие между компонентами.

Например, композиционный материал А1-SiO2 получают горячим прессованием при температуре 400-500 °С, давлении 5-200 МПа с выдержкой в течение 0,75-1,5 ч.

Пластическая деформация позволяет получать композиционные материалы из мягко деформируемых металлов и сплавов при условии, что в процессе совместной деформации матрицы и волокон арматура не разрушается. Пластическую деформацию заготовки композиционного материала проводят прокаткой, импульсным прессованием, взрывом, экструзией и т. п.

Выбор схемы изготовления заготовок для пластической деформации определяется пластичностью волокна. Так, из металлических волокон можно получать заготовки с острыми углами, когда волокна подвергаются изгибу с малыми радиусами. При применении жестких непрерывных волокон, например бора, карбида кремния, борсика, используют только круглые оправки и получают только монослои, которые затем складывают в стопку и прессуют изделие. Если позволяет прочность волокон, заготовку подвергают холодной деформации в закрытых пресс-формах. Напряжение деформации должно обеспечивать прочную адгезионную связь между листами матричного материала.

При использовании волокон с низкой пластичностью, когда высокие напряжения могут привести к разрушению волокон, заготовки подвергают диффузионной сварке при небольших давлениях и температурах, обеспечивающих интенсивное протекание диффузионных процессов.

Рекомендуемая литература:

1. [3] стр.443-450.

2. [4] стр.36-37.

Контрольные задания для СРС (тема 6) [3, 4]

1. Изучить возможность образования различных типов связи между матрицей и наполнителем в КМ.

2. Разобрать виды и свойства упрочнителей.

11. Способы изготовления волокнистых КМ

Существует две технологические схемы изготовления композиционных материалов, отличающиеся способом соединения волокон и матрицы: твердо- и жидкофазные.

Твердофазный способ состоит в механическом соединении волокна и матрицы в виде порошка или фольги с последующим прессованием методом горячего прессования, диффузионной сварки, экструзии или прокатки. После деформации материал может подвергаться спеканию для повышения прочностных свойств. Недостатки способа -- возможность повреждения волокон и их взаимодействие с матрицей при спекании.

Жидкофазный способ предусматривает расплавление материала матрицы. Широко применяют пропитку, поскольку проникновение расплава в пучки волокон или маты из дисперсных неориентированных волокон не приводит к значительным разрывам армирующих волокон и изменению формы армирующих компонентов. Пропитку успешно применяют при изготовлении композиционных материалов на основе легкоплавких металлов Аl, Сu, Ni, Аg и волокон, которые хорошо ими смачиваются. Для улучшения качества материала пропитку проводят в вакууме.

Более тугоплавкие металлы подвергают горячему прессованию при наличии жидкой фазы. Полученные заготовки прокатывают или выдавливают в горячем состоянии. Трудности возникают при обработке композиций с неориентированными волокнами, которые могут разрушаться. Если волокна ориентированы, то экструзию и прокатку можно проводить вдоль волокон, не разрушая их.

Иногда применяют и третий способ изготовления композиционных материалов -- способ осаждения и напыления. Процесс осаждения состоит в химическом или электролитическом осаждении материала матрицы на упрочнитель из пара или раствора. После нанесения покрытия большой толщины композицию подвергают уплотнению. В процессе осаждения в материале всегда остаются пустоты, что вызывает необходимость дальнейшего уплотнения композиции.

Напыление используют для получения композиционных материалов по следующей схеме: напыление материала матрицы на оправку, укладка волокон в один слой, напыление материала матрицы, повторная однослойная укладка волокон и т. д. до достижения необходимой толщины композиционного материала. Завершающим этапом является удаление оправки и при необходимости -- механическая обработка детали.

Среди твердофазных способов для получения композиционных материалов, армированных непрерывными и дискретными волокнами, матами, сетками и т. п., широко применяются способы порошковой металлургии, позволяющие получать композиционные материалы с заданной пористостью путем изменения в широком диапазоне концентрации волокна. Обычно применяют традиционную технологическую схему.

Смешивание -- ответственная операция, которая в основном определяет свойства композиционного материала, может осуществляться механическим и химическим способами.

Равномерное распределение компонентов в композиционных материалах достигается при смешивании в конусных, Y-образных смесителях и смесителях со смещенной осью. Применение для смешивания шаровых мельниц и барабанных смесителей вызывает комкование волокон. Более равномерное распределение компонентов достигается при мокром смешивании в спирте, бензине или воде.

Химический способ смешивания, состоящий в осаждении матричного материала на поверхность волокон из растворов химических соединений, позволяет равномерно распределить компоненты, но имеет низкую производительность.

После мокрого или химического смешивания смесь сушат при температуре 100-120 °С. Если компоненты отличаются по плотности, сушку исключают из технологического процесса с целью предотвращения разделения компонентов при засыпке и формовании заготовок.

Рекомендуемая литература:

1. [4] стр.38-44.

2. [2] стр.265-270.

3. [4] стр.43-44.

Контрольные задания для СРС (тема 6) [1, 4]

1. Разобрать свойства и области применения КМ с алюминиевой, титановой матрицами.

2. Изучить технологию получения композиционного материала Ni-W шликерным литьем.

12. Методические указания для выполнения лабораторных работ

Лабораторная работа 1 Определение гранулометрического состава порошка

Цель работы: ознакомление с основными методами контроля зернистос-ти в порошковой металлургии и определение гранулометрического состава порошка методом ситового анализа.

Порядок выполнения работы:

1. Провести ситовый анализ двух видов образцов порошкового материала. Результаты анализа оформить в виде таблицы по примеру табл. 1.

Таблица 1. Пример заполнения результатов определения грануломет-рического состава

Номер сетки	Размер сторон ячейки сетки в свету, мм	Остаток на сетке
		грамм	%
1	1,00
063	0,63
04	0,40
0315	0,315
02	0,20
016	0,16
01	0,10
0063	0,063
005	0,05
Менее 0,05
Всего

2. Провести микроскопический анализ двух видов образцов порошкового материала. Подобрать увеличение микроскопа для размеров измеряемых час-тиц. Определить средний размер частиц.

3. Сделать выводы и составить отчет по работе в соответствии с вышеуказанными пунктами.

Контрольные задания для СРС [1, 5, 7]

1. Изучить методику фотоседиментационного определения грануломет-рического состава порошков.

2. Научиться проводить обработку результатов изученного метода.

Лабораторная работа 2 Определение насыпной плотности, плотности утряски и текучести металлического порошка (2 часа)

Цель работы: ознакомление с одной из важнейших характеристик метали-ческих порошков -- насыпной плотностью и способами определения ее; освоение методики определения насыпной плотности с помощью волюмометра; определение текучести металлического порошка.

Порядок выполнения работы:

1. Провести определение насыпной плотности, плотности утряски и текучести двух видов образцов порошкового материала. Полученные данные представить в виде таблицы.

2. С помощью полученных данных рассчитать относительный объем, относительную плотность и пористость материала.

3. Проанализировать полученные данные и составить отчет по работе.

Контрольные вопросы:

1. К каким свойствам металлических порошков относятся насыпная плотность и текучесть?

2. Дайте определение термину «насыпная плотность». Для чего необходимы значения насыпной плотности? Какими способами можно определять насыпную плотность? Каким образом можно изменить величину насыпной плотности? Какую величину называют насыпным объемом?

3. Дайте определение понятию «плотность утряски». Каким образом определяют ее величину? Какую величину называют объемом утряски?

4. С помощью каких величин можно рассчитать относительный объем, относительную плотность и пористость порошковых материалов? Что характеризует каждая из этих величин?

5. Дайте определение термину «текучесть металлического порошка». От чего в основном зависит текучесть? По какой формуле можно определить текучесть?

6. Каким образом проводят определение текучести порошкового материала? Какие влияют на текучесть удельная поверхность и шероховатость частиц, влажность и процесс окисления металлического порошка?

Рекомендуемая литература:

1. [1]

2. [5]

3. [7]

Контрольные задания для СРС [1, 5, 7]

1. Провести анализ исследования текучести трех типов образцов порошков материалов.

Лабораторная работа 3 Исследование уплотняемости и прессуемости порошка (2 часа)

Цель работы: изучение закономерностей процесса уплотняемости и прессуемости металлического порошка, определение основных факторов, влияющих на уплотнение; ознакомление с основными операциями формования металлических порошков.

Порядок выполнения работы:

1. Провести уплотняемость двух видов образцов порошкового материала. Данные по уплотняемости представить в виде графика зависимости плотности прессовок от давления прессования.

2. С помощью пресс-формы сформовать порошковый металлический материал и проверить его качество.

3. Сделать выводы и составить отчет по работе в соответствии с вышеуказанными пунктами.

Контрольные вопросы:

1. К каким свойствам металлических порошков относятся уплотняемость, прессуемость и формуемость?

2. Дайте определение термину «уплотняемость металлического порошка». По какой характеристике оценивается уплотняемость?

3. Какова последовательность операций при определении уплотняемости порошка?

4. Дайте определение термину «прессуемость металлического порошка». С какими характеристиками металлических порошков связана прессуемость?

5. Дайте определение термину «формуемость металлического порошка». От чего в основном зависит формуемость порошка? Как качественно можно оценить формуемость прессовки?

Рекомендуемая литература:

1. [1]

2. [5]

3. [7]

Контрольные задания для СРС [1, 5, 7]

1. Определить плотность прессовки образца и вычертить кривую прессуемости.

Лабораторная работа 4 Прессование порошкового материала (2 часа)

Цель работы: ознакомление с различными способами прессования порошкового материала и определение расчетных величин.

Порядок выполнения работы:

1. Вычертить простейшую схему пресс-формы и назовите ее основные детали.

2. С помощью пресс-формы спрессуйте порошковый металлический материал.

3. Проанализируйте качество полученной прессовки.

Контрольные вопросы:

1. Дайте определение понятий «прессование порошка» и «прессовка».

2. От каких факторов зависит качество получаемых прессовок?

3. Какие способы прессования порошковых материалов Вы знаете?

4. В каком случае применяется двухстороннее прессование?

5. Из каких операций складывается процесс прессовки?

6. Какой формулой пользуются при расчете навески порошка?

7. Каким образом осуществляют дозировку порошка?

8. Каким образом при заполнением порошком матрицы пресс-формы достигается его равномерное распределение и горизонтальность поверхности? спекаемость порошок алюминиевый пудра

9. По каким признакам классифицируют пресс-формы для изделий из металлических порошков?

Рекомендуемая литература:

1. [1]

2. [5]

3. [7]

Контрольные задания для СРС [1, 5, 7]

1. Выполнить расчет матриц на прочность, с учетом рекомендуемых размеров матрицы.

Лабораторная работа 5 Изучение структуры порошковых материалов (2 часа)

Цель работы: изучение влияния различных факторов на формирование структуры порошковых материалов.

Порядок выполнения работы:

1. По маркам выданных образцов порошковых изделий определить приблизительный химический состав.

2. Изучить и зарисовать микроструктуры образцов.

3. Сделать выводы и составить отчет по работе в соответствии с вышеуказанными пунктами.

Контрольные вопросы:

1. Какова в общем виде взаимосвязь между структурой пористого тела и его свойствами?

2. Перечислите структурные составляющие порошкового материала.

3. Какие факторы и как влияют на формирование структуры порошкового материала?

4. Охарактеризуйте методы исследования структуры порошкового материала.

5. Расшифруйте марку порошковой стали 30Н3Д1,5Мn.

Рекомендуемая литература:

1. [1]

2. [5]

3. [7]

Контрольные задания для СРС [1, 5, 7]

1. Изучить микроструктуру образца порошкового материала

Лабораторная работа 6 Определение прочности, ударной вязкости и твердости порошковых материалов (3 часа)

Цель работы: изучение механических свойств порошковых материалов: прочности, ударной вязкости, твердости, а также практическое освоение методик определения этих свойств.

Порядок выполнения работы:

1. Измерить микротвердость нескольких образцов.

2. Провести определение предела прочности при растяжении пористого конструкционного материала цилиндрической формы.

3. Результаты определений занести в таблицу и сделать выводы

Контрольные вопросы:

1. К каким свойствам металлических порошков относятся прочность, ударная вязкость, твердость?

2. От чего зависят механические свойства порошковых материалов?

3. Как оценивают прочность порошковых материалов?

4. Охарактеризуйте методику определения ударной вязкости?

5. Каким образом определяют микротвердость порошковых материалов?

Рекомендуемая литература:

1. [1]

2. [5]

3. [7]

Контрольные задания для СРС [1, 5, 7]

1. Изучить методику определения предела прочности твердых сплавов при поперечном разрыве.

Лабораторная работа 7 Дисперсно-упрочненные композиционные материалы (2 часа)

Цель работы: ознакомление со свойствами и технологией изготовления дисперсно-упрочненных композиционных материалов на алюминиевой основе.

Порядок выполнения работы:

1. Сравнить механические свойства чистого алюминия, сплавов алюминия и дисперсно-упрочненного САП.

2. Данные представить в виде таблицы и сделать выводы.

Контрольные вопросы:

1. Какие технологические схемы применяют для получения дисперсно-упрочненных композиционных материалов типа САП?

2. Какие марки исходного материала используют для получения САП? Каково содержание оксида алюминия в них?

3. Какова структура САП?

4. Как влияет содержание оксида алюминия на механические свойства САП?

5. Какую продукцию изготавливают из САП?

6.Что служит матрицей в дисперсно-упрочненных композиционных материалах на никелевой основе?

7. Введение каких элементов приводит к дополнительному упрочнению КМ на никелевой основе?

Рекомендуемая литература:

1. [3]

2. [7]

Контрольные задания для СРС [3, 7]

1 Изучить технологию изготовления дисперсно-упрочненных компози-ционных материалов на никелевой основе.

13. Тематический план самостоятельной работы студента с преподавателем

Наименование темы СРСП	Цель занятия	Форма проведения занятия	Содержание задания	Рекомендуемая литература
Тема 1. Основные методы получе-ния металличес-ких порошков (6 час).	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой	Изучить влияние спо-соба получения по-рошков на их размер и форму.	[1, 4, 6, 7]
Тема 2. Подготов-ка порошков и ее виды. Смешива-ние порошков (6 час).	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой	Отжиг, классифика-ция, смешивание.	[1, 6, 7, 10]
Тема 3. Практика спекания порош-ковых материалов и изделий. Виды брака (6 час).	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой	Атмосферы спекания и защитные засыпки. Изучить различные виды брака: коробле-ние, пережог, недопе-кание, окисление, скрытый расслой и др.	[1, 6, 10]
Тема 4. Условия к выбору техноло-гической схемы получения конст-рукционных по-рошковых мате-риалов. Марки-ровка порошко-вых материалов (6 час).	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой	Рассмотреть необхо-димые условия (ис-ходное сырье и техно-логию) для получения мало-, умеренно-, средне- и тяжело нагруженных деталей. Маркировка порошко-вых материалов в соответствии с ГОСТ	[2, 4, 9]
Тема5. Краткая характеристика изделий из по-рошковых мате-риалов. Защита от коррозии (6 час).	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой	Характеристика анти-фрикционных, фрик-ционных, твердых сплавов,компактных порошковых материа-лов, металлокерами-ческих фильтров, контактов, магнитов; дисперсно-упрочнен-ных и волокнистых КМ. Рассмотреть воз-можные коррозион-ные процессы порош-ковых материалов.	[1, 2, 6, 7, 10]
Тема 6. Схемы армирования ком-позиционных ма-териалов и рас-пределение на-полнителя (8 час).	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой	Разобрать схемы армирования КМ (од-ноосное, двуосное и трехосное) и распо-ложение наполните-лей в них.	[3, 4, 6]
Тема 7. Способы изготовления во-локнистых ком-позиционных ма-териалов (7 час).	Углубление знаний по данной теме	Работа с литературой	Изучить пластичес-кую деформацию во-локнистых КМ, свар-ку взрывом, а также пропитку армирую-щих элементов.	[3, 4, 6]

14. Материалы для контроля знаний студентов в период рубежного контроля и итоговой аттестации

14.1 Тематика письменных работ по дисциплине

Тематика рефератов

1. Металлические порошки и наноматериалы.

2. Технология порошковых конструкционных материалов.

3. Порошковая металлургия в машиностроении.

4. Современные проблемы порошковой металлургии.

5. Применение порошковых, композиционных материалов и покрытий в машиностроении.

6. Оборудование цехов порошковой металлургии.

7. Новые материалы, получаемые методами порошковой металлургии.

8. Порошковые металлические покрытия.

9. Производство изделий из порошков цветных металлов.

10. Пирофорность порошковых материалов.

11. Новейшие методы порошковой металлургии.

12. Исследования в области порошковой и стружковой металлургии.

13. Спекание в присутствии жидкой металлической фазы.

14. Твердофазное спекание.

15. Порошковая металлургия жаропрочных сплавов.

16. Применение изделий порошковой металлургии в промышленности.

17. Порошковая металлургия титановых сплавов.

18. Порошковая металлургия алюминиевых сплавов.

19. Порошковая металлургия медных сплавов.

20. Производство металлических порошков.

21. Процессы порошковой металлургии.

22. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.

23. Волокнистые композиционные материалы.

24. Керамические композиционные материалы.

25. Применение углеродных волокон в композиционных материалах.

26. Горячее прессование в порошковой металлургии.

27. Мундштучное формообразование.

28. Вибрационное формообразование.

29. Импульсное формообразование.

30. Шликерное литье.

14.2 Вопросы для самоконтроля

1. Какие порошковые материалы можно получать методами порошковой металлургии?

2. Какие преимущества имеют методы порошковой металлургии?

3. Дайте определение понятию «медный порошок».

4. Какими свойствами характеризуются металлические порошки?

5. Какие свойства металлических порошков относят к химическим?

6. В каком виде могут находиться примеси в порошках?

7. С чем связано происхождение примесей в порошках?

8. Какие свойства металлических порошков относят к физическим?

9. Как влияет размер порошка на свойства спеченных материалов?

10. Какими методами определяют гранулометрический состав порошка?

11. От каких факторов зависит морфология порошковых частиц?

12. Какие формы могут иметь порошковые частицы?

13. Дайте определение понятию «удельная поверхность порошка».

14. От каких факторов зависит удельная поверхность порошка?

15. От каких факторов зависит плотность частицы порошка?

16. Какие свойства металлических порошков относят к технологическим?

17. Что понимают под насыпной плотностью порошка?

18. Дайте определение понятиям «текучесть, прессуемость, спекаемость».

19.Как определяются формуемость и уплотняемость порошковых мате-риалов?

20. Как классифицируются способы получения порошков?

21. Какие способы получения порошков относятся к физико-химическим?

22. Какие способы получения порошков относятся к механическим?

23. В чем сущность способов химического восстановления?

24. Какие вещества применяют в качестве восстановителей?

25. В чем сущность способа диспергирования расплава?

26. Перечислите основные операции технологии получения изделий методом порошковой металлургии.

27. В чем заключаются подготовительные операции получения изделий?

28. Какие вещества используют в качестве пластификаторов?

29. Каково назначение пластификаторов?

30. Какое оборудование применяют для смешения порошков?

31. Какими способами формообразуют заготовки и детали из металлических порошков?

32. Охарактеризуйте одно- и двустороннее, горячее, гидростатическое, изостатическое прессование.

33. В чем заключается сущность шликерного литья?

34. Охарактеризуйте технологию прокатки одно- и двухслойных материалов.

35. Какие материалы получают выдавливанием порошка?

36. С какой целью применяют процесс спекания заготовок?

37. Какие виды спекания применяют для порошковых материалов?

38. В чем сущность спекания однокомпонентных систем?

39. В чем сущность спекания многокомпонентных систем?

40. Какие процессы одновременно протекают при спекании?

41. Чем обусловлен механизм процесса спекания?

42. При каких температурах проводят процесс спекания?

43. С какой целью искусственно активизируют процесс спекания?

44. Назовите наиболее распространенные методы активизации процессов спекания.

45. В чем заключаются специфические особенности термической обра-ботки порошковых материалов?

46. С какой целью применяют различные виды химико-термической обработки порошковых материалов?

47. В чем заключается термомеханическая обработка?

48. Каковы особенности механической обработки порошковых мате-риалов?

49. Как классифицируют конструкционные порошковые материалы?

50. От каких факторов зависят свойства порошковых материалов?

51. Для каких материалов с целью определения предела прочности при-меняют формулы Бальшина и Рышкевича?

52. Как маркируют порошковые конструкционные материалы (КМ)?

53. Какие материалы называются композиционными?

54. Как классифицируют композиционные материалы?

55. От каких факторов зависят свойства КМ?

56. На какие группы подразделяются наполнители КМ?

57. Какие наполнители используют при линейном, плоском и объемном армировании?

58. Какова структура и свойства дисперсно-упрочненных КМ?

59. Какова роль дисперсных частиц в дисперсно-упрочненных КМ?

60. Какие операции входят в технологическую схему получения дисперс-но-упрочненных КМ?

61. Охарактеризуйте каждую операцию технологии получения дисперс-но-упрочненных КМ.

62.Какие способы смешивания исходных порошков применяют при изготовлении дисперсно-упрочненных КМ?

63. Какие структуры могут иметь дисперсно-упрочненные КМ?

64. Для чего применяют экструзию дисперсно-упрочненных материалов?

65. Какова структура и свойства волокнистых КМ?

66. Какие элементы используют в качестве матриц в металлических КМ?

67. Какие вещества используют в качестве матриц в неметаллических КМ?

68. За счет чего осуществляется прочность связи в металлических КМ?

69. За счет чего осуществляется связь в неметаллических КМ?

70. Какие существуют технологические схемы для изготовления волок-нистых КМ?

14.3 Экзаменационные вопросы (тесты)

Тесты

1. Область техники, занимающаяся изготовлением изделий из металлических порошков и металлоподобных соединений называется металлургией.

2. Исходным материалом в порошковой металлургии может быть:

1. порошок одного материала;

2. смесь различных металлов;

3. смесь металлических порошков с порошками неметаллических материалов;

4. все ответы верны.

3. Преимуществами порошковой металлургии по сравнению с другими методами производства металлических изделий являются получение материалов:

1. с уникальными свойствами;

2. имеющих пористую структуру;

3. изготовление деталей из тугоплавких металлов;

4. сводит к минимуму отходы металла в стружку;

5. упрощает технологию изготовления деталей;

6. снижает трудоемкость производства;

7. все ответы верны.

4. Какие факторы необходимо учитывать, при выборе способа приготовления порошка из данного металла, кроме его свойств:

1. расходы на получение порошка;

2. потребительские свойства готового изделия;

3. технологические процессы прессования и спекания;

4. все перечисленные.

5. Металлические порошки принято характеризовать следующими свойствами (выбрать нужное):

1. химическими;

2. эксплуатационными;

3. технологическими;

4. физическими;

...