Сегодня наука многое знает о строении материалов и их свойствах, знает «привычки» и «вкусы» различных материалов, и это позволяет улучшать известные и создавать новые материалы не вслепую, не наудачу, а целенаправленно. Наглядно это можно продемонстрировать на том, как создают композиты .

Материаловедение

Материаловедение изучает общие закономерности создания материалов, устанавливает связи между строением, составом и свойствами материалов. Используя эти закономерности и связи, разработчики новых материалов намечают области поиска и движутся к своей цели осознанно, не блуждая в потемках, как Палисси, создавая французский фарфор, (подробнее: ). Пути, ведущие к цели, сегодня уже достаточно хорошо освещены, на некоторых из них установлены мощные прожекторы, на других повешены маленькие фонарики. По ярко освещенным дорогам можно двигаться быстро, по слабо освещенным - медленнее, преодолевая бугры и пробираясь сквозь заросли, но направление выдерживать можно достаточно четко. Вот по таким дорогам и движутся сегодня отряды материаловедов. А кто-то открывает новые пути, и им необходима интуиция Палисси. Как же сегодня создаются композиты. Это неверное утверждение, что метод проб и ошибок уже не используется вообще. Используется. Но сравнительно мало.

Армированные композиты

Армированным композитам повезло больше, чем другим материалам. К тому времени, когда созрела мысль о необходимости их разработки, уже существовала теория анизотропных сред, которая позволяла предсказывать заранее свойства композитов по известным свойствам компонентов. Если древние металлурги, добавляя в расплавленное железо вещество, не знали, как оно повлияет на свойства стали, (подробнее: ) то создатели армированных композитов четко знают, что они должны получить, вводя определенный вид волокон в определенную матрицу. И могут предсказать свойства будущего материала не только качественно, но и количественно. Потому что они опираются на прочный теоретический фундамент.

Теория и практика

Это не означает, что на практике всегда получается то, что предсказывает теория. К сожалению, полное согласие теории с практикой наблюдается далеко не всегда. Теория, как правило, строится для каких-то определенных моделей, которые отражают главные особенности реальных композитов. Главные, но не все. Все она просто не может учесть, потому что их очень много, и попытка учесть все приводит к такому усложнению, что пользоваться такой теорией просто невозможно. Поэтому каждая теория справедлива в тех рамках, которые оговорены при ее построении. А реальные материалы об этих рамках ничего не знают. И если их поведение в эти рамки не укладывается, то нужно винить не теорию, а тех, кто ее применяет там, где применять нельзя. Но для большей части армированных композитов теория армированных сред позволяет достаточно надежно оценивать свойства, которые могут быть достигнуты, то есть дает ориентир, к которому следует стремиться. Эта теория в общем виде довольно сложна, и чтобы ее понять, нужно знать специальные разделы высшей математики. Мы не будем их касаться, а чтобы все-таки получить представление о том, как можно заранее прогнозировать свойства композитов, рассмотрим простейший пример, для понимания которого вполне достаточно знаний среднего пятиклассника.

Пример создания композита

Требуется создать композит на основе алюминия с прочностью 1000 МПа и модулем Юнга 200 ГПа. Достаточно иметь эту прочность только в одном направлении, в остальных допустима прочность на уровне алюминия. Плотность композита не должна превышать плотности алюминиевых сплавов.
Алюминий как основа создания композита. Если задачу перефразировать, получится следующее: требуется создать материал на основе алюминия, обладающий прочностью и жесткостью хорошей легированной стали и сохраняющий при этом весовые характеристики алюминия . Традиционными металлургическими методами (легированием, термической обработкой, пластической деформацией) это сделать невозможно. Прочность чистого алюминия составляет 120-150 МПа, алюминиевых сплавов - до 500-700 МПа. Большего добиться не удается. Модуль Юнга алюминия и его сплавов примерно 70 ГПа, причем легирование, термообработка и пластическая деформация практически не влияют на его величину. А нам нужно увеличить его почти втрое. Алюминий относится к числу легких металлов (плотность 2700 кг/м 3), и если осуществлять легирование более тяжелыми элементами, чем сам алюминий, это приведет к увеличению плотности и не позволит выполнить поставленные требования.

Рассуждения материаловеда-композитчика

Проследим за ходом рассуждений материаловеда-композитчика . Для него ясно, что задача должна решаться путем создания композиционного материала. Поскольку требуется обеспечить прочность только в одном направлении, нужно создавать армированный материал, в котором армирующие волокна уложены параллельно друг другу. Вдоль их оси и будет обеспечена максимальная прочность и жесткость. Вопрос в том, какие волокна использовать и сколько их ввести? Ясно, что в качестве арматуры нужны волокна с максимальными значениями прочности и жесткости . Но только этими показателями ограничиваться нельзя. Например, вольфрамовые волокна, хотя и обладают высокими механическими характеристиками, имеют большую плотность, и, используя их в качестве арматуры, мы заведомо не сможем выполнить требование, касающееся плотности разрабатываемого композита. По той же причине следует отказаться от применения стальных проволок и волокон карбида кремния. Нитевидные кристаллы, (подробнее: ) могли бы помочь решить задачу, но, как мы уже знаем, их использование связано с большими технологическими трудностями и крупными материальными затратами. Пожалуй, наиболее целесообразно попробовать волокна бора и углерода . Их применение не увеличит плотность композита по сравнению с алюминием (углеродные волокна даже уменьшат ее), а модуль упругости и прочность должны повыситься. Необходимо подсчитаем, сколько волокон нужно ввести, чтобы обеспечить заданные механические характеристики. Сколько - это значит не сколько штук, а сколько процентов по объему должны занимать в композите волокна.

Правило смесей

Расчет здесь простой. Нужно применить правило аддитивности, т.е. воспользоваться правилом смесей . Раньше в четвертом-пятом классах решали задачи такого типа: килограмм карамелек стоит 1 рубль, а килограмм ирисок - 3 рубля. Сколько будет стоить килограмм смеси, составленной из двух килограммов карамелек и четырех килограммов ирисок? Казалось бы, кому нужно знать стоимость килограмма этой злосчастной смеси, ведь ни одного нормального покупателя такой вопрос совершенно не волнует. Но оказалось, задачи о смесях на самом деле - очень нужная штука. Их нередко используют в разных технических расчетах и в частности при оценочных расчетах некоторых свойств композитов. Например, прочность и жесткость композиционного материала в направлении армирования можно рассчитать точно так же, как стоимость одного килограмма смеси. Композит в первом приближении можно рассматривать как смесь матрицы и волокон. (Это можно сделать далеко не всегда, но в данном случае для оценочных расчетов - можно.) Цена одного килограмма смеси определяется по простой формуле: Ц = Ц 1 N 1 + Ц 2 N 2 . В этой формуле Ц 1 Ц 2 и Ц - цены карамелек, ирисок и смеси соответственно; N 1 - доля карамелек в смеси, N 2 - доля ирисок в смеси. При этом в сумме N 1 + N 2 = 1. В смеси, состоящей из 2кг карамелек и 4кг ирисок, доля карамелек N 1 = 2/(2+4) = 1/3, а доля ирисок N 2 = 4/(2+4) = 2/3. В соответствии с приведенной формулой цена 1кг смеси из карамелек и ирисок составит: Ц = 1(руб/кг) 1/3 + 3(руб/кг) 2/3 = 2 1/3 (руб/кг).

Модуль Юнга для композита

По аналогичной формуле можно рассчитать модуль Юнга для композита в направлении укладки волокон: Е = E M V M +E B V B . Здесь E M , E B , Е - модули Юнга матрицы, (подробнее: ), волокон и композита соответственно; V M , V B - объемные доли матрицы и волокон в композите.
Бронепластина как яркий пример применения композита. С учетом того, что V M + V B = 1, это выражение можно записать в виде: Е = E M (1-V B) + E B V B . Последней формулой воспользуемся для решения поставленной задачи. Нам нужно получить композит с модулем Юнга Е = 200 ГПа. Модуль Юнга алюминиевой матрицы E M = 70 ГПа, средний модуль Юнга борных волокон E B = 400 ГПа, а углеродных волокон E B = 350 ГПа. Следовательно, для композита, армированного борными волокнами, формула примет вид: 200=70 (1-V B) + 400 V B . Решая это уравнение относительно V B , получим: V B = 0,39 = 39 % (по объему). Для композита алюминий - углеродные волокна - 200 = 70(1-V B) + 350V B , откуда V B = 0,46 = 46 % (по объему). Таким образом, чтобы выполнить требование по жесткости, необходимо ввести в алюминий либо 39 % (по объему) борных волокон, либо 46 % (по объему) углеродных волокон. Прочность композита тоже может быть рассчитана по правилу смесей. Если волокна менее пластичны, чем матрица (а у нас как раз такой случай), то прочность армированного материала в направлении укладки волокон приближенно оценивается формулой: (Ϭ B) к = (Ϭ B) в V B + Ϭ М (1-V B) Здесь (Ϭ B) к и (Ϭ B) в - пределы прочности композита и волокон; Ϭ М - величина, близкая к пределу текучести матрицы; V B - объемная доля волокон. Нам нужно получить (Ϭ B) к = 1000 МПа. Борные волокна в среднем имеют (Ϭ B) в = 3250 МПа, а углеродные - (Ϭ B) в = 2500 МПа, предел текучести алюминия примерно 30 МПа. Таким образом, для алюминия, армированного борными волокнами, получаем 1000 = 3250 V B + 30(1 - V B), а для углеалюминия - 1000 = 2500 V B + 30(1 - V B). Решение этих уравнений дает для бороалюминия V B = 0,3 = 30 % (по объему), а для углеалюминия V B = 0,39 = 39 % (по объему). Из полученных результатов видно, что задача решается либо созданием бороалюминия, содержащего 39 % (по объему), либо - углеалюминия, армированного 46% (по объему) углеродных волокон. Композиты такого состава будут иметь требуемую жесткость, прочность их будет выше заданной (это не очень выгодно с экономической точки зрения, но делать материалы менее прочными мы не имеем права, поскольку при уменьшении прочности за счет уменьшения концентрации волокон снижается и модуль Юнга). Плотность полученных композитов также можно рассчитать по правилу смесей: ɣ = ɣ B V B + ɣ М (1 - ɣ B). Здесь ɣ, ɣ B , ɣ М - плотности композита, волокон и матрицы; V B - объемная доля волокон. Взяв значения плотностей борных и углеродных волокон (2630 кг/м 3 и 1700 кг/м 3) и зная, что ɣ М = 2700 кг/м 3 , легко подсчитать, что плотность композита алюминий - 39 % (по объему) борных волокон составляет 2670 кг/м 3 , а композита алюминий - 46 % (по объему) углеродных волокон - 2240 кг/м 3 . Следовательно, требование по плотности выполнено тоже. Дальше следует решить, на каком из двух выбранных композитов остановиться. Это определяется целым комплексом условий - технологических, конструкционных, экономических. В одних случаях более предпочтительным может оказаться бороалюминий, в других - углеалюминий. Поскольку дополнительная информация не оговаривается, на этом можно остановиться, считая задачу, о том как создаются композиты, выполненной.

Нижегородский государственный технический университет

Кафедра "Материаловедение и порошковая металлургия"

Техническое задание курсового проекта

Проект композиционного материала для изготовления труб, работающих под нагрузкой

Нижний Новгород

Введение

Исходные данные

Эскиз проектируемого изделия

Обзор технической литературы

Конструкционная часть

1 Теория проектирования композитов

2 Выполнение правил комбинирования

3 Стадии проектирования композита

3.1 Выбор, разработка структуры и рецептуры материала

3.2 Уточнение стадий проектирования КМ

Специальная часть

Технологическая часть

1 Обоснование выбора метода формообразования

2 Обоснование выбора метода тепловой обработки

5.3 Расчет технологических параметров процесса формообразования

3.2 Температура спекания

3.3 Расчет геометрических и силовых параметров процесса формообразования

4 Схема технологического процесса изготовления КМ

5 Проектирование и конструирования технологической оснастки

Практическая часть

Новое техническое решение

Заключение

Список используемой литературы

Приложения

Введение

Изготовление общемашиностроительных деталей в порошковой металлургии занимает основное место. По оценкам, спрос на конструкционные детали, изготовленные из порошковых материалов, превышает 60% всей потребности в порошковых материалах. Наиболее характерные машиностроительные детали - шестерни, кулачки, втулки, храповики, фланцы. Сокращение расхода материала, снижение трудозатрат и энергопотребления - таковы основные преимущества изготовления конструкционных деталей методами порошковой металлургии.

В настоящей работе разрабатывается проект композиционного материала для изготовления труб, работающих в нагруженном состоянии. Для изготовления труб применяют различные пористые материалы, но для того, чтобы пористый материал удовлетворял эксплуатационным свойствам, его необходимо армировать.

Исходные данные

Диаметр наружный: D1 = 50 мм; Диаметр внутренний D2 = 30 мм;

Длина трубы: L = 1000 мм; Пористость: Р = 7%;

Крутящий момент, приложенный к обеим частям трубы: М = 0,4 КН*м;

Напряжение внутреннего давления в трубе: F = 400 Мпа;

Масса трубы: m = 4,34 кг; Рабочая температура: Т = +20…+300 оС

Неуказанные предельные отклонения по IT 14/2

Отклонение плотности спроектированного КМ = 7% по массе

Эскиз проектируемого композиционного изделия

2. Обзор технической литературы

Структура, свойства, применение и получение трубного сортамента композиционным методом и порошковой металлургией.

Из данных ТЗ и предварительных расчетов известно, что для изготовления труб требуется разработать легкий композиционный материал (плотность материала трубы 3,45 г/см3). Анализ справочных данных показывает, что по удельной прочности при учете пористости грубы, фторопласт не удовлетворяют требованиям ТЗ. Таким образом, возникает необходимость армировать порошковое изделие. Физико-механические характеристики коррозионно-стойких промышленных материалов приведены в . Для армирования фторопластовых матриц широко применяют керамические волокна. Стоимость их в настоящее время невысока в сравнении с металлическими. Поэтому в качестве базового варианта проекта КМ выбирается композит с матрицей на основе фторопласта, армированный волокнами из керамики.

Согласно монографии Белова , проницаемые пористые материалы широко применяются в машиностроении, авиационной, нефтяной, химической, металлургической и других отраслях промышленности. Они используются как фильтрующие элементы в фильтрах тонкой очистки жидкостей и газов от примесей и как конструкционные материалы.

Фильтрующие металлические материалы обладают высокой коррозионной стойкостью, удовлетворительными прочностными характеристиками, способностью к регенерации.

Эти свойства позволяют использовать пористые материалы для работы с агрессивными средами, применять пористые материалы в системах с высокими тепловыми и механическими нагрузками, в том числе и динамического характера. Таким образом, пористые фильтрующие элементы, в частности трубы, можно получить различными методами, некоторые из которых представлены в . В табл.1 и табл. 2 представлены физико-механические свойства фторопласта и некоторых видов керамических волокон.

Таблица 1

МатериалСвойства матричного материалаПлотность γ, кг/см3Прочность σ, МПаРабочая температура Т, °Сфторопласт2,1535560

Таблица 2

МатериалСвойства армирующего компонентаДиаметр волокна df, мкмПлотность γ, кг/см3Прочность σ, МПаРабочая температура Т, °СКерамические волокна2804,9115401600

3. Конструкционная часть

3.1 Теория проектирования композитов

Композиционными материалами являются искусственно созданные человеком матричные материалы, содержащие два и более компонента, гетерофазные по строению, однородные в макро- и неоднородные в микро масштабе, обладающие аддитивным комплексом физико-механических свойств, обусловленных сохранением индивидуальности каждого образующего композит компонента.

Необходимость к тенденции развития КМ определяется требованиями, предъявляемыми к современным материалам:

высокая конструкционная и технологическая способность;

способность к утилизации и экологичность;

способность получения материала с низкими затратами;

низкий удельный вес и высокие физико-механические свойства;

способность получения материала с уникальным сочетанием физико-механических свойств.

Проектирование КМ основано на принципе комбинирования, который в свою очередь подразделяется на два принципа:

1.Сочетания, подразумевающие сложение физических и механических свойств отдельных компонентов аддитивным способом;

Совместимости, который дает границы физического и механического сочетания и подразумевает сохранение гетерофазности при получении и эксплуатации КМ, совместимость упругих, прочностных и структурных свойств и химическую совместимость. Основными математическими выражениями принципа комбинирования компонентов и КМ являются:

Зависимости структурных соотношений компонентов. Например, аналитические выражения для КМ, имеющих поры, отражающие связь между кажущимися и истинными долями волокон и матрицы, а также выражения, интерпретирующие диаграммы состояния компонентов и законы диффузии;

Зависимости концентрационных соотношений компонентов. Например, выражение, устанавливающее связь между прочностными и упругим характеристиками однонаправленного КМ через долю волокна в случае поперечного растяжения материала;

σуд.матр < σуд.вол -удельная прочность матрицы и волокна соответственно;

Зависимости, отражающие технологические процессы создания композитов и оказывающие влияние на их проектирование.

2 Выполнение правил комбинирования

Исходя из данных ТЗ, объект проектирования представляет собой деталь типа "оболочка" - цилиндр. Согласно , цилиндр следует считать толстостенным, если толщина его стенки больше 0,1 среднего радиуса цилиндра. Из данных ТЗ следует, что труба является толстостенным цилиндром. Труба нагружена только внутренним давлением, а наружное давление (атмосферное) мало и им можно пренебречь.

Из всех нагрузок находят сложное напряженное состояние по формуле:

(1)

где Тмах - напряжение крутящего момента в трубе;

στ - растягивающие напряжения;

σ - сжимающие напряжения;

στ = -F = -400 MПa

σ = (l+K2/1-K2)·F (2)

где К = rl/r2, rl и r2 - радиусы трубы (3)

К = 25/15 = 1,67

σ = 847,2 МПа

Напряжение меняется по гиперболическому закону. Наиболее опасной точкой с точки зрения прочности является точка, лежащая у внутренней поверхности трубы. Напряжение сжатия трубы от сжимающей силы Р:

BP = (P/S)/100 = (100000/12,56)/100 = 79,62 МПа

Напряжение крутящего момента в трубе:

Тmax = 16·Мкр/πd3·(1-α4),

где α - коэффициент для полого стержня:

α = 0,25 = 0,25 = 0,94

Внутренний диаметр

d= α·D1/1000=0,94·50/1000=0,047 см.

Тогда напряжение крутящего момента

Тmax = (16·0,4·10-3)/(3,14·0,0473·(1-0,944)) = 90,43 МПа

Напряжение растяжения из-за внутреннего давления Р:

Nвн = 2·F = 400·2 = 800 МПа

Находим допускаемое напряжение:

Результирующее напряжение:

Nкм = σэкв/cos45 = 1097,49 МПа

3.3 Стадии проектирования композита

Под давлением технико-экономических причин, главная из которых - расширение сырьевой базы машиностроения, осуществляют постоянное проектирование новых материалов, большей частью КМ. Проектирование КМ проводят последовательным выполнением следующих стадий:

3.3.1 Выбор, разработка структуры и рецептуры материала

На основании данных ТЗ, обзора технической литературы, анализа справочных данных и предварительных расчетов для создания КМ трубы выбрана матрица из фторопласта. Его свойства удовлетворяют требованиям по плотности, прочности и другим характеристикам, а также ограничениям по рабочей температуре и экономическим показателям. Но без армирования материал матрицы не отвечает конструкционным критериям. Необходимо выбрать материал армирующего элемента. Чтобы подобрать подходящий материал арматуры необходимо рассмотреть возможные материалы и методы формообразования композита.

Наиболее целесообразным методом получения труб является экструдирование. При получении КМ этим способом единственным вариантом строения армирующего элемента является дискретные хаотично расположенные волокна. По данным ТЗ наиболее подходящими для армирования будут керамические волокна с прочностью при растяжении σbf =1540 МПа.

Ограничивающим условием размера отдельной частицы или дискретного волокна является соотношение: число частиц (волокно в поперечном направлении) должно быть кратно 100 при делении на минимальный размер формуемого отверстия. Из этого условия определяем диаметр волокна:

(5)

Df = [(0,05-0,03)/2]/l00 = 0,0001 м = 100 мкм

Назначаем наибольший диаметр волокна равным 20 мкм.

Определяем критическую длину волокон. Это такая длина, при которой начинается упрочнение при введении волокон в матрицу. В то же время это минимальная длина волокна, в которую допускается переработка проволоки. Она рассчитывается по формуле:

(6)

где Lкр - критическая длина хаотично дискретного волокна; Df - диаметр волокна; σbf - прочность при растяжении волокна; Тгр - прочность границы "волокно-матрица".

Прочность границы в КМ можно определить по зависимости, полученной из уравнения Юнга , определяющего работу адгезии (работу образования единицы площади поверхности):

(7)

(8)

(9)

где σж - коэффициент поверхностного натяжения (Н/м); Qs - краевой угол смачивания; Lконт - длина контура, ограничивающего действие сил адгезии, сопротивляющихся разрушению границ.

Поскольку волокна хаотичны, Lконт вычисление, как некоторой статической величины, при бесконечном числе вариантов ориентации волокон становится весьма проблематичной задачей. Поэтому рассматриваем самый неблагоприятный случай, когда нагрузка направлена перпендикулярно оси симметрии волокна:

(10)

Подставляем полученную формулу в зависимость для расчета прочности границ, а ее в формулу для определения критической длины волокна:

(11)

(12)

Для жидкостей удельная поверхностная энергия и коэффициент поверхностного натяжения совпадают как по размерности, так и по численному значению. Для твердых тел их значения могут существенно отличаться, что связано с дефектностью кристаллического строения и анизотропией кристаллов. Известно, что с повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения линейно убывает с температурой и определяется по формуле:

(13)

где V = 1200000 - мольный объем; К = 2,1 - коэффициент для недиссоциированных жидкостей; Ткр - температура равновесия жидкость-пар; Т - текущее значение температуры (температура тепловой обработки):

В твердой фазе в металлических сплавах угол Qs = 0 градусов, это следует из определения работы когезии. Для учета кристаллической дефектности границ можно положить Qs = 45°. Длина волокна как половина толщины стенки:кр = 0,005 м

(14)

Известно, что при длине дискретных волокон, равной Lкр, разрушение композита происходит вытягиванием арматуры из матрицы. Кроме того, для волокон, у которых длина равна их диаметру, разрушение КМ происходит по механизму разрушения единичной матрицы. Для ужесточения расчета Lкp предполагаем, что разрушение матрицы происходит от сдвиговых напряжений и что они определяют в данном случае прочность границы:

Тгр = 35 · cos45°= 24,85 МПа

Находим расчетную долю волокон:

Определяем реальную концентрацию волокон в КМ по формуле:

Тогда:

Длина контура волокна:

Прочность границ через половину толщины стенки:

Необходимая среда и температура тепловой обработки, обеспечивающие краевой угол смачивания:

3.3.2 Уточнение стадий проектирования KM

По данным ТЗ масса трубы не должна превышать 4,34 кг, объем трубы равен 1256 см3, плотность изделия 3,45 г/см3.

Определим плотность разработанного композита:

(15)

Плотность спроектированного КМ не превышает допускаемое значение ТЗ. Следовательно, в данном курсовом проекте в качестве КМ принимаем композит фторопласт - керамические волокна.

Специальная часть

При проектировании КМ и расчете параметров технологического процесса необходимо решать задачи нахождения оптимального значения факторов, влияющих на свойства КМ. К ним принадлежат различные методы расчетов коэффициентов полиномов, полученных при решении систем уравнений, отражающих протекание технологических процессов, например экструдирования. В проекте "КМ" с помощью ПЭВМ решалась задача по нахождению оптимального угла конуса матрицы экструдера через нахождение корней полинома 4 степени, полученного при решении системы уравнений, приведенной в разделе 6 проекта. Вычислительные работы проведены на ПЭВМ. Кроме того, решалась задача по нахождению сложного напряженного состояния в трубе. Определены: диаметр, доли, длина волокон арматуры композита. Определен оптимальный угол конуса матрицы экструдера через нахождение корней полинома . Определены геометрические размеры, подобраны марки стали цилиндра, стержня экструдера и матрицы.

Вычислительные работы проведены на алгоритмическом языке ОВазю. Результаты вычислений угла конуса матрицы экструдера перенесены в шестой раздел курсового проекта. При решении погрешность принималась равной 0,001.

5. Технологическая часть

5.1 Обоснование выбора метода формообразования

На основании данных ТЗ, проведенного обзора технической литературы и расчетов конструкторской части было предварительно выбрано для формообразования изделия горячее экструдирование. Процесс экструдирования трубы представляет собой объемное сжатие и выдавливание через матрицу - мундштук 2 порошка 5, находящегося в объеме, ограниченном цилиндром 1, рабочим плунжером 3, выходным отверстием 4 и стенками стержня 6. В качестве исходного порошкового материала матрицы КМ выбран порошок фторопласт, обеспечивающий временное сопротивление 35 МПа. Составляем таблицу, используя справочные данные . Кинематическая схема экструдирования назначается горизонтальной, т.к. по ТЗ длина трубы составляет 1 м, а вертикальный способ увеличивает высоту производственного здания. Применение горячего экструдирования основывается на следующем:

·снижается удельное давление формообразования;

·не требуется введения пластификаторов;

·разрушаются окисные и образуются прочные межчастичные контакты. В качестве источника нагрева порошковой смеси выбирается косвенный нагрев, т.к. при прямом пропускании электрического тока требуется высокое напряжение. Согласно оно должно быть 6000 В, что неприемлемо по технике безопасности. Для индукционного нагрева характерна неоднородность нагрева сыпучего тела. При индукционном нагреве появляется ряд явлений: поверхностный эффект, эффект близости, кольцевой эффект и др.

5.2 Обоснование выбора метода тепловой обработки композиционного материала

Для создания требуемых физико-механических свойств в формованных металлических композиционных полуфабрикатах применяют спекание. При спекании заготовки трубы выполняется дополнительная функция - происходит не только консолидация межчастичных контактов, но и снимаются внутренние напряжения, накопленные волокнами при деформационных процессах горячего экструдирования.

5.3 Расчет технологических параметров процесса формообразования

5.3.1 Температура горячего экструдирования

Процесс формования является горячим, если он протекает при температуре рекристаллизации основного компонента. Температура горячего экструдирования рассчитывается по формуле:

Тформ = (0,8 - 0,9) · Тпл,(16)

где Тпл - температура плавления основного компонента.

Тформ = 0,825 · 560 = 462°С

3.2 Температура спекания

По аналогии с горячим формованием выбираем температуру спекания 462°С.

5.3.3 Расчет геометрических и силовых параметров процесса формообразования

К геометрическим параметрам формообразования принадлежат размеры оснастки - валков, пресс-форм, матриц и камер экструдера. Одной из задач проектирования технологии КМ является поиск решения, отвечающего минимальным энергетическим потерям, например, на трение. Давление мундштучного формования при постоянной степени обжатия минимально при выдавливании материала через мундштук с учетом конуса 90°. При таком угле, давление экструдирования определяется противодействием сил трения. Высота мундштука при прессовании труб и стержней небольшого диаметра и сечения должна быть в 2,5-4 раза больше диаметра его выходного отверстия.

Рассчитываем высоту матрицы экструдера:

Для определения конусности мундштучного отверстия (угол α на рис.4) рассчитываем площадь формования S. Очевидно, что площадь экструдирования в своей наименьшей величине ограничена диаметром D1, а в максимальном - мощностью гидравлического агрегата и длиной камеры экструзии. Увеличение 3 сопровождается уменьшением хода толкателя и уменьшением мощности нагнетающего насоса. В то же время увеличение 8 сопровождается изменением угла наклона α и потерь на трение. Для поиска оптимальной конусности составим систему уравнений:

·уравнение расчета геометрии конуса

·уравнение сил трения в матрице.

Очевидно, что чем больше сила реакции опоры, тем больше сила трения порошка о матрицу. Для ужесточения расчета давления формования предположим, что материал изотропный и беспористый.

Сила экструдирования вызывает давление

Pэкстр/S.

Площадь экструдирования

S = π · /4.

Сила трения

ТР, PP · sinα ·f,

где f - коэффициент трения.

В механической смеси присутствует фторопласт и керамика, коэффициент трения будет аддитивной величиной. При температуре 462°С коэффициент трения смеси по стали равен 0,06. Коэффициент трения f можно легко отрегулировать применением поверхностной обработки матрицы экструдера. Кроме того, принимая значение f максимально возможным, создаем запас по потерям па трение и на изменение состава КМ при уточнении и экспериментальной апробации материала. Коэффициент полезного действия экструзии, выраженный через потери на трение имеет вид:

,(17)

Обычно КПД формования составляет 75%. Используя его значение, определим РТР как 0,25РР, откуда получаем:

,(18)

или ,(19)

Получаем систему уравнений:

,(20)

и ,(21)

Заменим sinα на tgα/0,5 в уравнении (20) и подставим в него уравнение (21). Подставляя численные значения, получим:

,(22)

Уравнение решается на ПЭВМ, заменив tgα на В и приведя полученное выражение к полиному в канонической форме четвертой степени:

В4 = 4,0257·102

Значение В1 и В2 неприемлемы из-за своей отрицательной величины. Вычисляем arctgα для корня ВЗ и В4.

Получаем угол мундштука 69° и 2,56° соответственно.

Рассчитываем значение внутреннего диаметра экструдера:

По результатам вычислений подходят оба значения, но с технической стороны выбираем DВН = 1094 мм.

Используя полученные значения DВН и tgα получим f = 0,17. Рассчитываем площадь поперечного сечения в зоне вдавливания:

Рассчитываем объем конусной части:

Рассчитываем давление экструдирования. Для выдавливания пористых заготовок давление экструзии можно оценивать, используя континуальные представления и условия пластичности. Так, приближенное значение давления экструзии можно представить выражением:

где Q = 7% - пористость; dl и DВН - диаметры выдавливаемого отверстия и экструзионной камеры.

= (dl + d2)/2;

σт - предел текучести экструдируемой смеси;

σт = σт · (фторопласт) · (1 - Vfpeaл) + σт (кв) · Vfpeaл

σт = 28·(1 - 0,4371) + 1232·0,4371 = 2460 МПа

Рассчитываем давление Р, прикладываемое к штоку экструдера:

Кроме давления и температуры, важным параметром экструзии является скорость выдавливания. Скорость выдавливания материала через мундштук не должна превышать 5-10 м/с. Применение более высоких скоростей приводит к появлению неравномерной пористости изделия, неравномерной усадке и короблению изделий при последующем спекании.

4 Схема технологического процесса изготовления КМ

Схема технологического процесса изготовления труб из композиционного материала показана на рис.6. Схема технологического маршрута представляет собой графическое изображение 14 последовательности операций изготовления КМ от исходных компонентов до готовой продукции. В описании технологического процесса дается подробное изложение правил, требований к каждой стадии, этапу и операции получения КМ. Исходным материалом получения волокон КМ являются керамические волокна. Для матрицы используется порошок фторопласт. После поставки материалов используется заводской входной контроль.

Для волокна проверяются:

·химический состав спектральным анализом;

·механические характеристики.

Для порошка проверяются:

·химический состав (аналитическим методом и спектральным анализом). Потерю массы при прокаливании в водороде определяют по ГОСТ 18897-73, содержание воды по ГОСТ 18317;

·гранулометрический состав по ГОСТ 18318-73,

·прессуемость по ГОСТ 25280-82.

После входного контроля проволоку режут на короткие волокна. Используют станок К1 А62 и цеховое приспособление ДЛЛ.ООО.946.00.0г. У готовых волокон контролируется длина 40 - 3202 мкм. наличие трещин и искривления, качество среза. Углы искривлений не должны превышать 30°. Трещины на поверхности и смятие торцов (последние не больше, чем 1,5 диаметра волокна) не допускаются. После проведения контрольных операций осуществляют смешивание компонентов. Используется V-образный смеситель. Взвешивание компонентов проводят на весах ГОСТ 2371-79. Колебание состава допускается не более 1 г на 1 кг шихты или компонента. Время смешивания составляет 4 ± 0,01 часа.

Горячая экструзия проводится на установке формования ГОСТ 7029-89. Температура процесса 462°С. Контроль температуры осуществляется термоэлектропреобразователем ГОСТ 3044-77 с помощью прибора КСП-3. Давление 4-105 МПа контролируется по приборам установки экструзии. Скорость выдавливания составляет 6 м/с. Резка горячего полуфабриката производится на рычажных ножницах цехового изготовления. Из пресса заготовка передается на рольганг захватом вручную.

Выборочный контроль горячесформованных изделий. Проверяется плотность, пористость. Твердость по ГОСТ 9012-50. Визуально контролируется отсутствие макродефектов проплавления, трещины, раковины и сколы не допускаются. Объем контрольных работ составляет 0,01% от объема готовой продукции.

Схема технологического процесса изготовления пористых труб из композиционного материала: матрица фторопласт - волокна керамические.

5.5.Проектирование и конструирование технологической оснастки

Существует широкий спектр формообразующих машин (пресса, прокатные станы, установки интрузии, экструзии и вакуумирования и т.д.). В производственных условиях для реализации технологического процесса необходимо дополнение их оснасткой, как правило, индивидуальной для каждой детали. Задачей инженера, занимающегося технологией КМ, является разработка технологической оснастки (ТОС). Разработка ТОС регламентирована и опирается на ЕСК(Т)Д РФ.

5.1 Выбор конструкции формующей оснастки

Ориентировочный выбор конструкции оснастки осуществляется на этапе выбора метода формования. При проектировании ТОС для КМ и порошковых материалов учитывают программу выпуска изделий, степень сложности изделия, допуска и физический механизм уплотнения. Зная геометрические и силовые параметры процесса и учитывая необходимость получения заданных свойств КМ, проводят выбор рациональной конструкции ТОС. При этом руководствуются правилом: формование КМ должно проводится в конструкции ТОС максимально уменьшающей число и трудоемкость последующих операций, связанных с получением формы и размеров детали.

Для экструзии композиционных смесей, исходя из профиля изделия, проектируют геометрию отверстия матрицы.

5.2 Расчет геометрии и прочности элементов формообразующей ТОС

Расчет геометрических размеров оснастки для горячей экструзии композиционной смеси: порошок фторопласта - дискретные волокна из керамики.

В расчете геометрических параметров ТОС сначала необходимо определить усадку полуфабриката при спекании. Композиционная смесь при спекании создает гетерофазную структуру. Используя концентрационные соотношения матрицы и арматуры, определим тип структуры КМ армированного хаотично-ориентированными волокнами. Данные для расчета являются: весовая доля волокон (0,06); весовая доля матрицы, пористость, диаметр и длина волокна. Данные показывают, что волокна не оказывают влияния на кинетику спекания, т.к. их размер незначительный. Матрица представляет собой однокомпонентную систему, следовательно, при спекании будет происходить усадка.

На величину усадки оказывает влияние способ нагрева. Предполагаем, что размеры после выбранной тепловой операции не будут отличаться существенно от размеров полуфабриката после экструзии.

Для расчетов геометрических размеров цилиндра исходными являются: внутренний диаметр DВН = 1094 мм, температура процесса Т = 462°С. Определим наружный диаметр цилиндра DНР.

Для случая несоставного цилиндра соотношение наружного и внутреннего диаметров определяется соотношением:

где [а] - временное сопротивление материала матрицы; Рб - боковое давление, которое равно 0,3·Рштока = 330 МПа.

Для поиска необходимой марки стали для изготовления цилиндра экструдера воспользуемся программой ПЭВМ. "СТАЛЬ" [НГТУ].

В результате предварительных вычислений получены данные: необходима марка стали с прочностью [а] = 2706,51 МПа, требуемая толщина стенки экструдера Нст = 82 мм, а наружный диаметр цилиндра равен DНВ = 1259 мм.

Рассчитываем геометрические размеры цилиндра экструдера. Осталась неопределенной величина полной высоты цилиндра (Lп). Она складывается из длины хода толкателя (LТ) и высоты захода плунжера (НД). Последняя, обычно, равна 1/3 высоты матрицы экструдера. Назначаем НД = 66 мм. Полная длина хода толкателя в свою очередь складывается из длины хода толкателя в режиме выдавливания Lв.эк. и длины хода толкателя при уплотнении Lу. Первая рассчитывается по формуле:

Вторая вычисляется исходя из определения объема Vц, занимаемого не сформованным порошком. Этот объем равен произведению коэффициента уплотнения Кz на объем сформованного изделия и вычисляется по формуле:

Длина хода толкателя экструдера при уплотнении смеси рассчитывается по формуле:

Из законов теплопередачи следует, что наиболее эффективным будет тот случай нагрева цилиндра от окружной стенки, когда отношение его диаметра к высоте больше единицы.

Рассчитываем число порций порошка под выдавливание, находящихся в зоне нагрева, по формуле:

Темп толкателя не вычисляем. Проводим вычисления полной длины толкателя. Подставляя численные выражения, получаем:

Рассчитываем геометрические размеры матрицы (мундштука) экструдера. Исходными данными для расчета являются: диаметр выходного отверстия dl = 50 мм; внутренний диаметр цилиндра DВН = 1094 мм; наружный диаметр цилиндра DНР = 1259 мм; угол входной образующей конуса мундштука α = 68°; высота конуса матрицы Нм = 200 мм. Полная высота матрицы складывается из высоты конуса матрицы Нм, удвоенной высоты выходного конуса Нк и величины заходной части НЗ. Последнюю назначают равной величине толщины стенки цилиндра НЕТ, если он не составной, или принимают равной толщине стенки первого внутреннего цилиндра, если спроектирована конструкция с натягом. При горячем формовании величиной упругого последействия можно пренебречь. Таким образом, при Lк → 0 величина Нк назначается равной 2,5 мм. Определяем НП по формуле:

Проводим расчет геометрии стержня.

Рабочая длина стержня складывается из матричной части НП, длины стержня в зоне нагрева Lв.эк., длины стержня в зоне уплотнения порошка Lц.эк., высоты захода плунжера НД. Для получения заготовки трубы диаметр матричной части назначается d2. На длине стержня в зоне уплотнения предусматривается конус длиной

заканчивающийся диаметром

.

Рабочий конец стержня изготавливается сферическим, с радиусом К = а2/2. Геометрия опорной части элементов ТОС в проекте не рассчитывается.

Вычисляем рабочую длину стержня по формуле:

При экструзии максимальное давление развивается в зоне выхода выдавливаемого материала, где стержень имеет диаметр d2. Стержень за счет сил трения испытывает растяжение. Для ужесточения расчета следует полагать, что напряжение растяжения равно давлению экструдирования. В соответствии с критерием наибольших линейных деформаций, напряжение в стержне: Для изготовления стержня выбираем сталь ХВСГФ. Проводим проверочный расчет по формуле:

Таким образом, сталь ХВСГФ пригодна для изготовления стержня.

Назначаем покрытия и поверхностную обработку на рабочих элементах экструдера.

На рабочих поверхностях матрицы и стержня назначают покрытие из нитрида титана, т.к. для него коэффициент поверхностного натяжения f составляет 0,003 при этом оно обладает противозадирными свойствами. Назначаем допуска и посадки. Для отверстия матрицы d1 и стержня d2 необходимо предусмотреть износ.

На диаметре d3 стержня и DВН, обеспечивающем свободное скольжение плунжера относительно внутренней стенки цилиндра, необходимо учесть интенсивное изнашивание последних порошком и упругое расширение. Используя назначаем посадки и допуски.

Из расчетов максимальных напряжений (рис. 1) конструкционной части проекта "КМ" следует, что опасными являются напряжения растяжения. Таким образом, для практической проверки проектных решений необходимо изготовить по технологической схеме рис.3 образцы для испытаний порошковых КМ на растяжение по ГОСТ 25601-80.

Контрольные операции по проверке технологических стадий изготовления призматического образца назначается по п.6.4. проекта "КМ". Формование горячим экструдированием заменяем на горячее двустороннее прессование в целях снижения затрат на эксперименты. Для контроля степени разупрочнения арматуры при горячем прессовании проводим изучение ширины дифракционных максимумов отражений, полученных с поверхности металлических волокон стали.

7. Новое техническое решение

С целью увеличения краевого угла смачивания и ряда других свойств была произведена замена материала волокна с Т1С на А1203. Изменившиеся свойства представлены в таблице 3:

Таблица 3. Сравнение свойств полученного КМ в зависимости от типа волокна.

Свойства материалаТ1СА120,Удельная прочность материала волокна σуд.г, МПа313,65608,59Реальная доля волокон VFr0,140,22Рекомендуемая длина волокна LKR.1, мкм4283,932819,09Длина волокна по прочности LKR.2, мкм619,71969,81Прочность границ через половину толщины стенки TgrP22,463,85MTla краевой угол смачивания qs2, рад0,600,74Удельные энергетические затраты, кДж/кг1380950

При изменении марки волокна произошел рост ряда свойств, что привело к улучшению эксплуатационных свойств. Также уменьшилась себестоимость выпускаемой продукции.

Заключение

По данным ТЗ необходимо было разработать КМ для изготовления пористой грубы (П = 7%) с внешним диаметром 50 мм и внутренним диаметром 30 мм, нагруженного внутренним давлением 400 МПа и крутящим моментом 0,4 кН·м.

В результате расчетов был разработан КМ с матрицей из фторопласта и хаотично ориентированными керамическими волокнами. Выбран метод формообразования и тепловой обработки изделия из композита, рассчитаны параметры выбранного технологического процесса формообразующая оснастка.

Расчеты конструкционной и технологической частей, а также выбор марок сталей для ТОС были проведены на ПЭВМ.

Список использованной литературы

1.Материалы в машиностроении. Выбор и применение: Справочник в 5-ти томах. Т. 1. Цветные металлы и сплавы / Колл. Авт. Под ред. Лужникова Л.П., М.: Машиностроение, 1967. - 304 с.

2.Материалы в машиностроении. Выбор и применение: Справочник в 5-ти томах. Т. 2. Специальные стали и сплавы / Колл. Авт. Под ред. Лужникова Л.П., М.: Машиностроение, 1968. - 364 с.

.Карпинос Д.М. Композиционные материалы: Справочник. Киев: Наукова Думка, 1985. - 587 с.

.Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. - 2-е изд., перераб. и доп., М.: Машиностроение, 1987. - 247 с.

.Сопротивление материалов / Под. Ред. Акад. АН УССР Писаренко Г.С. / 5-е изд., перераб. и доп. Киев: Высшая школа. Головное изд-во, 1986. - 775с.

.Определение работоспособности и технологических параметров композитов с использованием ПЭВМ / НГТУ; Сост.: И.М. Мальцев, В.К. Сорокин, Ю.А. Шоткин., Н.Новгород. 1994. - 16 с.

.Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.

.Термостойкость спеченных гетерофазных материалов / Чоба А. В., Егоров Ф.Ф., Пасичный В.В. / Порошковая металлургия. 1990. №11.-е. 19.

.ГОСТ 25601-80.

.ГОСТ 26698-83.

.ГОСТ 18898-73.

.Краткий справочник по физике. Изд. 2-е / Корякин Н.И., Быстрое К.П., Киреев П.С..М.: Высшая школа, 1964. - 574 с.

.ГОСТ 19427-74. Обработка данных и программирование. Правила выполнения. Схема алгоритмов и программ. М.: Изд. Стандартов.

.Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ПЭВМ. М.: Наука. Главн. ред. физ.-мат. литературы. 1987. - 240 с.

.Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справочник / И.М. Федорченко, И.И. Францевич, И.Д. Радомысельский и др.; Отв. Ред. И.М. Федорченко. Киев: Наукова думка, 1985. - 624 с.

.Райченко А.И. Основы процесса спекания порошков пропусканием электрического тока. М.: Металлургия, 1987, - 128 с.

.Радомысельский И.Д. Пресс-формы порошковой металлургии. Расчет и конструирование. Киев: Техника, 1970. - 127 с.

Приложения

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Расчет конструкционной части курсового проекта KM по заданию -Т

Плотность материала трубы [г/см^3] g= 3.455414

Объем трубы

3.14*(((D1/2)^2)-((D2/2)^2))*L V= 1256.000000

Максимальный размер диаметра арматуры

=(D1-D2)/20 0.10

Площадь поперечного сечения

3.14 * (D1 ^ 2 - D2 ^ 2) / 4

Площадь поперечного сечения

[см^2]= 12.5600

Напряжение сжатия трубы BP [МПа]= 79.6178

Крутящий момент приложен к обоим концам трубы

Коэффициент а - для полого стержня a={1-(D2/D1)^3}^0.25

Коэффициент а - для полого стержня a= 0.94

Внутренний диаметр из формулы крутящего момента определяется по

Внутренний диаметр из формулы крутящего момента Dвн = 0.0470

Напряжения крутящего момента в трубе Tmax рассчитано по формуле:

Напряжения крутящего момента в трубе Tmax [МПа]= 90.4345224115

Напряжения растяжения из-за внутреннего давления

2*F [МПа]= 800.00

Расчет сложного напряженного состояния проводим по формуле:

Результирующее напряжение сдвига в трубе

Мпа 779,2175181355

Напряжение растяжения в трубе, рассчитанное через напряжение сдвига

Мпа = 1097,4894621626

Определяется по формуле

BNHJ/cos45о

Программа расчета трубного изделия из композита

Приложение 5

Свойства стали ХВСГФ

σТ = 3100 Мпа

σВ = 3200 Мпа= 1%

Ф = 5%= 20= 627кр1 = 80 ммкр2 = 80 мм

σ*(-1) = 0 Мпа

σ = 0 Мпа= 0 кг/м3

Стоимость = 240

Приложение 6

Рисунок 1 - схемы напряжений и эпюры напряжений в трубе

.цилиндр

.матрица

.плунжер

.выходное отверстие

.порошок

.стержень

.толкатель

Рисунок 2 -схема экструдирования

1.экструдер

2.резаки

.валки-электроды

.заготовка

.ральганг

.электросиловая установка

.механический червяк

.V - образный смеситель

Рисунок 3 - схема оборудования

Рисунок 4 - определение конусности мундштучного отверстия

1.HRC 45…50

2.Материал круг 180 11 ГОСТ 7417-75 ХВСТФ ГОСТ 5950-73

3.Поверхность полировка до зеркальности в направлении прессовки

4.Размагнитить

композиционный материал труба фторопласт

Классификация композиционных материалов (КМ)

Крупнейшим достижением в материаловедении за последние полвека является создание так называемых композиционных материалов . Большой интерес к ним обусловлен высоким уровнем свойств:

Высокой прочностью;

Высокой жесткостью;

Высокой жаропрочностью;

Значительным сопротивлением распространению трещин и др.

В отличие от обычного конструкционного материала композиционный материал (КМ) – искусственный продукт, не встречающийся в природе, его компоненты выбирают и рассчитывают преднамеренно. КМ содержит по крайней мере две различные химические фазы и его свойства определяются свойствами этих фаз.

Основная идея создания КМ – получить комбинацию свойств, которые не присущи каждому материалу в отдельности.

Традиционно применяемые металлические и неметаллические материалы в значительной мере достигли своего предела конструктивной прочности. Вместе с тем развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Зачастую требования, предъявляемые к материалам, могут носить противоречивый характер. Удовлетворить эти требования можно путем использования композиционных материалов.

Принцип построения КМ человек позаимствовал у природы. Типичными композиционными материалами являются стволы растений, стебли деревьев, кости человека и животных.

Как известно, для оценки эксплуатационных характеристик конструкций существует квадратно-кубическая зависимость: прочность и жесткость повышаются пропорционально квадрату линейных размеров (поперечное сечение), в то время, как масса растет пропорционально кубу (объем) линейных размеров. Т.е. для достижения высоких значений жесткости и прочности должны быть использованы новые высокопрочные и более жесткие материалы, чтобы масса в известном смысле не опережала механические характеристики.

Важной характеристикой в свете этого является удельный модуль упругости Еуд=G/γ. Промышленные материалы, такие, как сталь, алюминий, титан, стекло – имеют близкие значения Е УД. Для его увеличения конструктор вынужден, в основном, использовать материалы с более низкой плотностью γ и увеличенным размером сечения.

Композиционный материал – это материал, состоящий из двух или нескольких компонентов, отличных по своей природе и химическому составу.

Компоненты образуют единую структуру с границами раздела.

Компонент, непрерывный во всем объеме материала, называется матрицей . Компонент (компоненты) прерывистые, разъединенные матрицей, называются арматурой или армирующим компонентом (фазой). Понятие «армирующий» означает «введенный с целью изменения свойств материала», но всегда «упрочняющий».

КМ принято классифицировать по нескольким основным признакам:

По материалам матрицы и арматуры;

По структуре – геометрии и расположению компонентов;

По методу получения;

По области применения, впрочем, этот принцип классификации используется редко, т.к. разные материалы могут иметь одно применение (или один и тот же материал использоваться для различных целей).

Классификация по материалам

1. КМ на основе металлов и сплавов. Чаще всего используется Al, Mg, Ti, Cu и сплавы на их основе;

2. КМ на основе интерметаллидов, т.е. химических соединений «металл–металл», например TiAl, Ti 3 Al, NiAl, Ni 3 Al и др.;

3. керамические КМ – соединения оксидов, карбидов, нитридов, обладающие высокой жаропрочностью;

4. КМ на основе неметаллов, например на основе углерода;

5. КМ с матрицей из полимеров.

Классификация по структурным признакам

1. Волокнистые КМ (ВКМ);

2. Слоистые КМ;

3. Дисперсно-упрочненные КМ (ДУКМ или ДКМ).

Классификация по методам получения

1. Химические методы, связанные с химическим, электрохимическим и термохимическим осаждением или напылением;

2. Твердофазные методы совмещения матрицы и арматуры (методы порошковой металлургии, сварка взрывом, обработка давлением и т.д.);

3. Жидкофазные методы - пропитка волокон расплавом матрицы на воздухе, в вакууме или инертном газе и др.;

4. Комбинированные методы.

Волокнистые композиционные материалы

Несущим элементом волокнистых композиционных материалов (ВКМ) является волокно, проволока. Эти компоненты имеют высокую прочность, высокий модуль упругости и, как правило, невысокую плотность. Именно волокна определяют уровень свойств композиционных материалов. Наиболее перспективными являются волокна бора и углерода. Они используются для упрочнения матриц из Al, Mg, Ti.

Приведем для сравнения свойств армирующих компонентов следующую таблицу.

Свойства волокон, проволоки и нитевидных кристаллов («усов»).

Матрица скрепляет волокна, защищает от механических повреждений и окисления, передает нагрузку на волокна. При разрушении некоторых волокон матрица перераспределяет напряжения. Состояние поверхности раздела компонентов оказывает существенное влияние на поведение КМ. Эта поверхность представляет собой некоторую область, где протекают различные процессы – растворения, образования новых фаз, перераспределения примесей. Некоторые следователи склонны считать поверхность раздела еще одной фазой.

ВКМ находят применение в авиационной и космической технике, судостроении, автомобилестроении, металлургии, химической промышленности, медицине (ортопедии). Их используют для изготовления корпусных элементов, обшивки, силовых конструкций, поршней, лопаток компрессоров, турбин, протезов, медицинских инструментов. В технологическом отношении необходимо отметить, что правильно выбранная технология оказывает существенное влияние на свойства КМ. При этом следует исходить по крайней мере из 3-х условий. Во-первых, техпроцесс должен обеспечить равномерное распределение волокон при заданном их объемном содержании; они должны быть изолированы между собой слоем матрицы. Во-вторых, механическое повреждение волокон должно быть сведено к минимуму. В-третьих, взаимодействие волокон с окружающей средой и с матрицей в процессе их совмещения и снижение при этом прочности волокон должно быть минимальным.

Механическое поведение ВКМ.

Армирование волокнами дает возможность получать наиболее эффективное упрочнение.

Требования к волокнам:

Высокая прочность;

Высокий модуль упругости;

Легкость изготовления и низкая стоимость;

химическая стабильность.

Разрушение ВКМ состоит из ряда последовательных дискретных этапов. В каждом из них происходит перераспределение напряжений. Трещина возникает в матрице и, развиваясь, встречает препятствие на границе раздела «волокно-матрица». Наступает период относительной стабильности. В подобных композитах сочетаются два противоположных свойства – высокий предел прочности за счет использования высокопрочных волокон и достаточная вязкость разрушения за счет пластичного материала матрицы.

Дадим оценку прочности ВКМ с непрерывными волокнами. В ВКМ непрерывные волокна обычно распределены равномерно по всему объему.

В целях упрощения предположим, что они однородны, прочно скреплены с матрицей так, что при деформировании между ними отсутствует проскальзывание, т.е. деформации композита, волокон и матрицы равны.

.

Схематично кривая «напряжение-деформация» выглядит следующим образом и имеет 4 характерные стадии.

I стадия: упругое волокно и упругая матрица (деформация невелика, оба компонента работают в упругой области).

II стадия: упругое волокно, пластичная матрица (линейна зависимость сохраняется, т.к. модуль упругости волокна много больше модуля упругости матрицы , объемная доля волокон высокая и поведение композита определяется свойствами волокон).

III стадия: пластичные волокно и матрица.

IV стадия: разрушение волокна.

Поведение композита с непрерывными волокнами проще представить, если рассматривать следующую модель.

Здесь σ - растягивающие напряжения, действующие на поперечное сечение ;

τ – напряжения сдвига, воздействующие на площадь .

Пусть к образцу из ВКМ приложена осевая нагрузка P, которая связана с напряжением соотношением

где F – площадь поперечного сечения стержня.

Предположим также, что поверхность разрушения плоская; тогда разрушающая нагрузка P max связана с осевым напряжением разрушения σ max аналогичным образом:

.

Определим теперь прочность КМ при растяжении

.

Поскольку поверхность разрушения проходит через оба компонента, можно записать

,

где F В – площадь волокон в поперечном сечении; F М – площадь матрицы.

Это уравнение можно переписать в ином виде

,

где σ В – средняя прочность волокон в композиции; σ М – среднее напряжение течения в матрице в момент разрушения.

Если в любом поперечном сечении относительная площадь волокон и матрицы одинакова, то последнее уравнение принимает вид

где V B и V M – объемные доли волокон и матрицы соответственно.

Это уравнение называется правилом смеси или аддитивности. Оно широко используется для расчета прочности композиций.

При выводе правила смеси предполагали, что между составляющими композита существует прочная связь. Это означает равенство деформаций разрушения .

Правило смеси имеет определенные границы применения. Это связано с существованием верхней и нижней границ объемных долей волокон и , что в свою очередь определяется технологическими возможностями. При очень плотной укладке волокон матричный материал почти отсутствует, как показано ниже.

Плотная укладка

И, напротив, доля волокон слишком мала, упрочнение незначительно:

V В слишком мало

В силу указанных причин для ВКМ существует понятие оптимальной объемной доли волокон.

Примечание: При малых деформациях правило аддитивности для напряжений можно записать как

Это уравнение выполняется до тех пор, пока не будет достигнута деформация разрушения одной из структурных составляющих.

Разрушение ВКМ с непрерывными волокнами.

Характер разрушения ВКМ зависит от объемного содержания волокон и матрицы и соотношения их деформаций до разрушения.

до разрушения.

а) однократное разрушение.

Ему соответствует диаграмма разрушения

б) множественное разрушение

Диаграмма разрушения при этом имеет вид

Волокна дробятся на меньшие длины. Ниспадающие ветви диаграммы соответствуют вытягиванию концов разорвавшихся волокон из матрицы.

Матрица и волокна могут разрушаться не в одной плоскости.

ВКМ, обладая высоким пределом прочности и еще меньшей пластичностью, чем высокопрочные сплавы, имеют, однако, меньшую чувствительность к концентраторам напряжений и большое сопротивление усталостному разрушению. Это объясняется тем, что у материалов различный механизм развития трещин. В традиционных изотропных высокопрочных сталях и сплавах развитие трещин идет прогрессирующим темпом.

В КМ трещина обычно возникает в матрице и, развиваясь, встречает препятствия на границе раздела «матрица-волокно». Волокна тормозят развитие трещин и наступает период относительной стабильности, в течение которого развитие трещин приостанавливается.

Влияние ориентации волокон.

Волокна не всегда параллельны действующей нагрузке. По расположению компонентов (схемы армирования) КМ могут быть разделены на 3 группы:

1. Композиты с одноосным (линейным) расположением армирующего компонента. Волокна, проволоки или нитевидные кристаллы располагаются в матрице в плоскостях, параллельных друг другу.

2. Композиты с двухосным (плоскостным) расположением армирующего компонента, составляющие которого в виде волокон, фольг, матов из нитевидных волокон и т.п. расположены в матрице в плоскостях, параллельных друг другу.

3. КМ с трехосным (объемным) расположением компонентов, когда невозможно выделить одно или два преимущественных направления в материале.

Размер пучка нити, шаг пучков, плотность упаковки нити в каждом направлении характеризуют свойством ткани.

Пусть Θ – угол между направлением (ориентацией) волокон и направлением нагрузки однонаправленного ВКМ.

1. При небольших Θ разрушение происходит вследствие разрыва волокон.

2. При средних значениях Θ – в результате сдвига матрицы по плоскости, параллельной волокнам, либо по поверхности раздела.

3. При больших углах Θ – либо путем разрыва матрицы, либо по поверхности раздела путем отрыва .

Если принять, что σ 0 – прочность композита при Θ=0 0 ;

τ м – предел прочности матрицы на сдвиг;

σ м – предел прочности матрицы при растяжении, то графически зависимость прочности композита σ К от угла Θ выг8лядит следующим образом

Волокнистые композиционные материалы с дискретными волокнами.

Здесь, как и в предыдущем случае, обратим внимание скорее на качественную сторону вопроса без достаточно строгого вывода основных формул.

В том случае, когда армирующие волокна непрерывны, напряжения в них постоянны по всей длине за исключением концевых участков. При малом разбросе частных значений прочности волокон в момент разрушения композиции напряжения почти во всех волокнах достигают их предела прочности. Если же композиция армирована короткими волокнами или усами, то активная роль матрицы состоит в том, чтобы путем пластической деформации передать напряжения волокнам и нагрузить их. В КМ с непрерывными волокнами (особенно высокопрочными) активная роль матрицы состоит скорее в том, чтобы «сплотить» волокна, заставить их работать как единое целое.

Матрица передает нагрузку в результате сдвиговых напряжений на поверхность волокна вблизи разрушенных волокон.

Рассмотрим распределение напряжений в волокне конечной длины l, находящемся в материале матрицы. При этом будем считать, что волокно и матрица работает в упругой области. Если нагрузка приложена к матрице, то в упругой области последняя удлиняется пропорционально напряжению.

Модули упругости соотносятся как - это условие является основным для получения композиции с более высокими механическими свойствами. Т.е. волокно будет ограничивать свободное удлинение матрицы в соседней с волокном зоне.

Рассматриваем отдельно взятое волокно, окруженное матрицей. Влияние других волокон в нашей модели исключается.

Ненагруженное состояние

Схема совместной деформации волокна и матрицы (а) и эпюры распределения растягивающих напряжений в волокне и напряжений сдвига на поверхности раздела «волокно – матрица» в упругом (б) и упруго – пластическом приближении (в).

На некотором удалении от волокна матрица свободно и равномерно пластически удлиняется, тогда как в прилегающей к волокну зоне удлинение матрицы будет равняться упругому удлинению последнего. Это приводит к возмущению поля деформации в прилежащей к волокну зоне. По мере удаления от волокна его возмущающее действие ослабевает, пока полностью не сойдет на нет.

Предполагается, что между волокном и матрицей существует идеальная связь и отсутствует передача напряжений через торцы волокна. Это распределение растягивающего напряжения σ вдоль волокна показано на рисунке б.

Поскольку нагрузка не передается через торцы волокна, то растягивающее напряжение увеличивается от нуля на его концах до максимального значения в точке l кр /2. Критическая длина lкр определяется как длина короткого волокна, которая необходима для достижения напряжения, равного напряжению в волокне бесконечной длины.

Распределение касательных напряжений τ вдоль поверхности раздела нетрудно найти, если рассмотреть равновесие сил, действующих на элемент волокна. Касательные напряжения максимальны на концах волокон и минимальны в середине волокна (рис.б).

Анализ отношения τ max /σ max показывает, что максимальные касательные напряжения на поверхности раздела могут достигать и превышать предел текучести матрицы. В этом случае матрица пластически деформируется, и эпюры напряжений будут такими, как это показано на рис. В. При небольшой растягивающей нагрузке изменение касательных напряжений определяется упругим поведением матрицы. По мере увеличения нагрузки максимальные значения ограничиваются пределом текучести матрицы τ Т.

Таким образом, упругопластическое поведение матрицы представляется более вероятным в процессе работы композиции. За пределами упругой области длина передачи нагрузки и, следовательно, l кр зависят от напряжения разрушения волокна. Эту зависимость легко получить из уравнения равновесия элементов волокна и матрицы в предположении равенства τ пределу текучести матрицы τ Т.

,

где - напряжение разрушения волокна.

Из этого выражения следует, что критическая длина волокна l кр возрастает пропорционально напряжению разрушения волокна.

В рассмотренной выше модели не учитывалось влияние соседних волокон на распределение напряжений и деформацию. Существуют работы, где приводятся расчеты распределения σ вдоль оси волокна и распределения τ по периметру волокна в зависимости от расположения соседних волокон.

2. Расчет количества армирующего материала и связующего

Для определения общей площади ткани, необходимо найти расход ткани, используемой, при армировании со структурой .

Расчет количества армирующего материала (ткани) производим, используя данные из схемы раскроя и данные таблицы 1.

Имеем общую длину ткани, учитывая ее ширину, можем посчитать затраченную площадь ткани:

S затр = 22.42 м 2

Рассчитаем потребную площадь, то есть площадь панели, учитывая количество слоев ткани, необходимой для укладки:

S потр = 27.14 м 2

Теперь, зная потребную и затраченную площади тканей, можно определить коэффициент использования материала (КИМ):

Рассчитаем массу АМ, воспользовавшись формулой:

m= с·S пот р

где с - поверхностная плотность ткани Т-13-76;

S потр - потребная площадь ткани.

m= 0,32·22,42 = 7.174 кг.

Определим количество связующего, необходимое для пропитки ткани по формуле:

где - масса необходимого для пропитки связующего, кг;

Масса пропитываемого армирующего материала, кг;

Процентное содержание связующего в КМ, K c = 57%;

Коэффициент технологических потерь, .

Рассчитаем массу каждого компонента связующего по формуле:

где - масса искомого компонента связующего, кг;

Масса необходимого для пропитки связующего, кг;

Удельное массовое содержание искомого компонента в рецептуре связующего, масс. ч.

Используя рецептуру связующего L-285, запишем:

смола L-285 - 100 масс. ч.;

отвердитель H-285 - 40 масс. ч.;

замедлитель полимеризации NLC-10 - 0.5%;

Замедлитель полимеризации применяется, чтобы продлить время, в течение которого связующее сохраняет допустимое для выкладки значение вязкости (чтобы предотвратить преждевременно начало полимеризации). Масса смолы L-285:

Масса отвердителя H-285:

Масса замедлителя полимеризации NLC-10:

Перед применением армирующего материала необходимо производить входной контроль. Проверке качества армирующего материала по порокам внешнего вида, соответствия геометрическим размерам...

Лонжерон крыла из КМ самолета РСМ-25 "Robust"

Лонжерон крыла из КМ самолета РСМ-25 "Robust"

Для нахождения потребного количества стеклоленты ЛСК-ВМ-0.1Ч35-76 и стеклоткани Т-10-14 воспользовался схемой раскроя. S??д= Sд.ткани+ Sд.ленты=4,617+2,395=7,012м2 S??п= Sп.ткани+ Sп.ленты=4,309+2,053=6...

Лонжерон крыла из КМ самолета РСМ-25 "Robust"

Считаю, что подкос будет изготавливаться в ручную намоткой, так как изготовление фильеры очень дорогое мероприятие по сравнению с ручным формообразованием. Масса AM, необходимая для изготовления одного стержня рассчитывается по формуле: ,(2...

Стеклопластики являются одним из наиболее применяемых композиционных материалов. В 1979 г. в США было произведено более 900 тыс. т материалов данного типа...

Получение вольфрамовой нити путем порошковой металлургии

Объем армирующего элемента определяем по формуле: выражение, устанавливающие связь между прочностными и упругими характеристиками однонаправленного КМ через долю волокна в случае поперечного растяжения материала;...

Проектирование конструкции лонжерона крыла с подкосом самолета RWD-13

Расчет количества стеклоткани Т-14 производим, используя данные из таблицы 2.1. Схема раскроя ткани Т-14 приведена на рисунке 2.1 Рис.2.1 - Схема раскроя ткани Т-14 Следовательно...

Разработка технологического процесса изготовления створки шасси для самолета АН-158

Определим количество связующего, необходимое для пропитки ткани по формуле : , где- масса, необходимого для пропитки связующего, кг; - масса пропитываемого армирующего материала...

Расчет количества армирующего материала производим используя схему раскроя и приложения программы КОМПАС-3D V8 Plus+. Расчет количества связующего был рассчитан в программе Mathcad 13, результаты расчета оформлены ниже...

Технология производства изделий из композиционных материалов

Расчет количества армирующего материала производим, используя схему раскроя рис.1 Рис.1 Схема раскроя УТ-900-2,5А+ЭДТ-69Н Посчитаем затраченную площадь ткани: Рассчитаем потребную площадь (площадь накладки), учитывая количество слоев ткани...

Технология производства изделий из композиционных материалов

Подготовка армирующего материала включает в себя несколько технологических операций: входной контроль АМ, расшлихтовку, аппретирование...

Подготовка армирующего материала включает в себя несколько технологических операций: входной контроль АМ, аппретирование...

Технология производства композиционных материалов

Перед выкладкой панели необходимо произвести раскрой армирующего материала и материала рифтов. Данная операция проводится на специальных раскройных столах с использованием ножа. ножниц, линейки...

Технология производства композиционных материалов

Для определения общей площади ткани, необходимо найти расход ткани, используемой, при армировании со структурой . Расчет количества армирующего материала (ткани) производим, используя данные из схемы раскроя и данные таблицы 1...

В современной промышленности вряд ли найдется такая отрасль, где не использовались бы те или иные композиционные материалы (КМ). Для материаловедения весьма актуальной является задача получения КМ с требуемым комплексом свойств. Решение данной задачи в значительной степени связано с изучением процессов самоорганизации, устойчивости и распада различных неравновесных полиструктурных систем, к которым с полным основанием могут быть отнесены КМ. Главным признаком композитов является способность образовывать в процессе формирования специфические структуры из частиц наполнителя и матрицы. В результате новый составной материал приобретает неаддитивные, иногда уникальные свойства, не присущие составляющим КМ в отдельности. К таким структурам, прежде всего, могут быть отнесены кластерные, решеточные и каркасные.

Из всех физико-механических показателей КМ прочность является одной из наиболее сложнопрогнозируемых величин. Она непосредственно определяется вероятностными процессами возникновения и развития структурных повреждений в нагруженных композитах. Природа экстремального изменения прочности при повышении содержания наполнителя в КМ интересна и мало изучена. Тем не менее, характер ее изменения находит вполне ясное описание в довольно простых математических моделях дисперсно-наполненных композитов, предлагаемых А.Н. Бобрышевым, В.Т. Ерофеевым, В.Н. Козомазовым .

Физико-механический показатель прочности КМ с дисперсным наполнителем непосредственно зависит от процентного соотношения объема матрицы и наполнителя. С повышением содержания наполнителя в КМ развиваются два одновременных альтернативных процесса в большей мере обусловленных возникновением границы раздела между фазами в композите и поэтому обязанных проявлению комплексных свойств, не присущих компонентам в отдельности.

С одной стороны, протекает процесс упрочнения композита за счет введения в матрицу дисперсных частиц. Такое упрочнение преимущественно осуществляется в результате близкодействующего взаимодействия отдельных частиц наполнителя, способствующего переводу матричного материала в контактном пространстве между частицами наполнителя из его объемного состояния в пленочное с более высокой прочностью и структурированностью.

С другой стороны, в композите проявляется процесс разупрочнения, развивающийся с повышением содержания наполнителя. Прежде всего, источником дефектов является поверхность раздела фаз. Кроме того, с повышением содержания наполнителя в КМ проявляется пустотность, вызванная дефицитом связующего материала.