Введение к работе
Актуальность проблем и. В последние три ллетия наблюдается бурное развитие нового класса практически а конструкционных материалов - композиционных материалов (КІЛ). іема КМ стала одной из ведущих в современном материаловедении, успешным решением связано дальнейшее развитие ряда областей : техники и, в первую очередь, авиационной и космической. Это няется, с одной стороны, тем, что традициошше пути ПОВШІОЮІЯ ическлх свойств конструкционных металлов и сплавов в значи-ой степени исчерпаны и, с другой, требованиями енсокой весо-ВДективности материала, т.е. высокш.я значениями удельной ости и удельной жесткости. Кроме того зачастую в конструкца-
материале требуется обеспечить определенный уровень снециаль-пзических свойств - коэффициента линейного расширеїшя, тепло-цности, демпфирования механических колебаний и т.д., а также чныо сочетания этих свойств. Например, для лопаток турбин и тей винтов наряду с высокими механическими требованиями к рукцпонному матеріалу, необходимо добиваться повышенной демп-чсй способности, поскольку результирующее напряжение при ди-зских нагрузках обратно пропоролопально величине демпфирующей Злости материала.
іаиболее перспективными и многообещающими КМ, в настоящее , являются материалы на основе алюминиевых сплавов, упрочнен-?прерывнши Еысокопрочшаш п внсокомодульшми волокнами, час-і и нитевидннш кристаллами (НК). Некоторкз из них, как то званные непрерцвнмш волокнами бора и углерода волокнистые зиционные материалы (ВКМ) и дисперсноупрочешше частицами ш спеченные алюминиевые сплавы САС I разработаны в плане тогии изготовления и изученности свойств до такой степени, с успешно применяют, другие - ВМ М-AtfLOi, jlt-StC я осо-
упрочненвпе ПК КМ, несмотря на большую перспективность, все їходятся в стадии - лабораторных исследований, Эдашад-уникальные потенциальные' возможности указанных КМ как їалов с заданным и широко регулируемым комплексом свойств, зованн'далезто не полностью. И одной из важнейших задач здесь гея изучение процессов -взаимодействия и совместимости компо-в КМ с целью выбора рациональной технологии получения и повы-
шсішя их конструкционных и эксплуатационных характеристик. Успе ноо решение указанных задач требует разработки и привлечения ко методов испытаний КМ и в первую очередь методов неразрущанпего контроля. В настоящей работе в качестве основного метода исслед вания выбран метод внутреннего трения (ВТ).
>. Целью рабогн является решение фундаментальной : учной проблемы о механизмах релаксационных явлений в материалах некстерентнши поверхностями раздела между компонентами с выход на решение практически.важных задач по исследованию структурной нестабильности и создании принципов проектирования гетерофазных материалов с заданными демпфирующими характеристиками. На. 'защиту выносится: "І. Мзхашіз.'щ затухаиля механичєсісих колебаний и возможности
.регулирования демгфирунщими свойствами KL1.
-
Результати исследований спектра ВТ КМ на осноеє алшпшк вых сплавов при различных температурах, амплитудах колебательно! деформации, частотах, видах яагрукения л их анализ на основе даі ных по упруг'осїи и неупругости компонентов.
-
Методика и результаты исследований кинетики твердофазноз физико-химического взаимодействия компонентов КМ, "оценки эффекта ности барьерных покрытий на волокнах и коррозмонно-механмческогс
КОБЄДЄ5ШЯ КМ.
4.'. Методика и результаты исследований остаточних гершчесіш напряжений, их релаксации в матрице КМ.
5. Методика и результаты исследования ВТ н акустической шла сии в КМ в процессе деформирования.
Научная новизна и практическая ценность. В работе впервые проведено систематическое исследование спектров ВТ .НИ на основе алюминиевых сплавов, упрочне ных волокнами бора, углерода, оксида алюминия, карбида кремния, частицами кремния и нитевидными'кристаллами карбида крегяшя в ши
.роком диапазоне температур, амплитуд колебательной деформации и часаот, различных видах нагружения. Для ВЕв проведен анализ спек ров ВТ на основе экспериментальных данных по упругости и неупру-гости фаз, составдящих композиции. Это позволило, показать, что
" исследованной диапазоне температур демпфирующие свойства КМ, в с аовном, определяются суперпозицией релаксационных процессов в кс понентах. а также «кладом в затухание механических колебаний неї
тных ыеяфазшх границ раздела. Последний вид потерь становит-ачителышы при ослабленной связи котоонешт КМ за счет фрик-эго механизма, при развитии диффузионных процесоов на меж-к границах и т.д.
їредложен моханизм амплитудной зависимости ВТ гетерофазных залов, основанний на прадпологоании о движении дислокаций в ;е КМ в поле внешних и внутренних (остаточних термических) юний. В этой сілий была разработана принципиально новая ые- . і оценки термических напряжений в матрице Ш методом ВТ и' ;ена оценка их изменения в матрице ВКМ Jt - ft в процессе
икла, релаксации и после обработки жидким азотом.
'о результатам исследований температурных и амплитудных зави-
ей ВТ КМ определены температури, при которых термические
ения в матрице яревшаают ее продел текучести. Показано, что момент на кривых температурной зависимости ВТ монет обна-
ться максітаум затухания механических колебаний нерелаксаци-
арироды.
Зиаруяеш и исследованы "деформації ошше" пики ВТ в гетеро-матерналах при пониженных температурах. Установлена их при-
3 по величине релаксации Бордони определена степень пласти-
тармической деформации матрицы Ш.
емечается. несколько новых и вакннх особенностей пика Бордо-этерофазных материалах на основе алюминиевых сплавов - невысокая концентрация примесей в матрице, висота и форма его
4 от числа термоциклов, термической преднетории образцов я
гатрических размеров. В этой связи указано на решающую роль
;ении и поведении пика Бордони в гетерогенних материалах
ских остаточных напряжений. Из всего шогообразия теорий,
ривающих релаксации Бордони, как проявление фундамонталь-
йств дислокаций, с учетом отмеченных особенностей, наиболь-
ималия заслуживают модель Зегера-Парэ и ее модификация
инским.
сувдаегся модель "вакансионного насоса" В.П.Алехина и М.Х. ва применительно к процессу роста шкротрещин и пор в ге-ных материалах при гермоциклироваяии. Двилущей силой про-в этом случае, являются изменяющиеся термические напряже-обая роль здесь отводится стоісу образующихся в процессе клированяя вакансий к.иеафазиым границам.
Изучен процесс структурной релаксации в волокнах бора, обусловленный миграцией атомов бора е сердечник волокна. Определены параметры этого процесса: .Я = 1,7 эВ и t^ilCT** с.
Обнаружен аффект резкого возрастания динамического модуля упругости некоторых гетерсфазных материалов при диффузионном отжиге Этот эффект положен в основу разработанной новой неразрушагощей методики исследования твердофазного физико-химического взаимодействия в КЫ. Показано, что в общем случае физико-химическое взаимодействие в волокнистом боралшшши протекает в две стадии. Первая стадия - инкубационный период - соответствует, видимо, гете-родаффузии через окиснне пленки, их разрушению и образованию заро-вдшей новой фазы. Вторая стадия сопровождается резким и устойчи-еыгд росго?,; .модуля упругости и определяется диффузионном подвиж-тастью атомов алюминия и бора в промежуточном слое продуктов реак-дал. Определены константы скорости и истинная энергия активации процесса прироста высокомодульной фазы. Она оказалась равной 1,2 - О,2 эВ. Показано, что применение барьерного покрытия на во-іокнах боїіа из карбида крешшя толщиной 3,2 мкм примерно в 17 раз ївшсает скорость реакции, а легирование алюминиевой матрицы Си и Щ {сплав Д 16) пшяает скорость взаимодействия примерно в 3 раса Выявлены процессы структурной релаксации в компактах из ульт-аадесперсных порошков меди, обусловленные миграцией собственны/: хзжузелышх атомов и вакансий. В окисленных УДП эти процессы полостью подавлены, что подчеркивает все особенности поверхностных остоянлй в УДП. Хешсорбция кислорода на поверхности УДН и обра-овакие окисних плело:: приводи? к частичкой или полной релаксации збиточної!'свободной поверхностной энергии. Процесс спекания ком-актов из УДП окисленной меда сопровождается ростом динамического одуля упругости, чувствительного даже к стадии десорбции газов, ти данные, а также результаты исследований изменения динашческо-о модуля упругости КМ при диффузионном отжиге позволили сделать ывод о том, что в некоторых случаях упругие модули твердых тел ледуеї рассматривать как структурно-чувствительные характеристики оказано,' что повышенные демпфирующие свойства УДП меди обусловле-н развитой поверхностью ыажзеренных границ.
. Установлена высокая эффективность метода ВТ при исследовани-х крррозионно-иехаяическоії стойкости волокнистого утлэалдаания в идкой я газообразной коррозиоиной среде. Так при 10-часовой вы-
жке в пні п вода, ВТ углеалшшия изменяется на 600 % и динами-кий мохуль сдвига на 15 %.
Разработана методика совместного измерения ВТ и акустической сени в твердих толах в процесса деформирования, позволившая поить некоторые новые данные о кинетике и механизме накопления ревдеиий в гетерофазшх материалах.
Результаты исследований применяются и могут бить применимы:
-
при разработке и оптимизации технологии изготовления КМ с анее заданным комплексом физических свойств (и в частности, пфиругацих);
-
при решении проблемы термомеханической совместимости ком-ентов ЮЛ и оценке его работоспособности с точки зрения черникой усталости;
-
при решении проблемы физико-химической совместимое ТІЇ ком-ентов КМ как при изготовлении, так и при определении верхней пературы использования.
Установка для исследования релаксационных свойств КМ и резулъ-ц иселедоваїшя взаимодействия на границе раздела матрица-волок-в ВКМ Л t - В мотодом БТ внедрэны на предприятии п/я P-G209
Москва) с годовш экономическим эффектом 100 тне.рублєіі. Апробация работы. Материалы диссертации докавались п обсугдались на Пи її іЗсосоїозннх-научных конференциях нитевидным кристаллам (Воронеж - 1974 и 1978 гг), 4 совещаниях иеханазмам внутреннего трения в твердых телах (Кутаиси - 1973, 2 гг., Батумі - IS85 г., Тбилиси - IS89 г.), 17 и У Всесоюзных уеронцилх по композиционны.! материалам (Москва - 1978 и І5ГІІ ), постоянных с-зп;іі,",рах по слзкко прочности ксмлогшцнонпнх м.-ч-лалов (Ленинград - 1480 и 1585 гг., І/лнск - 1^62 г., Каменец -эльский - 1989 г.), постоянном семинаре по физико-т'ехнологнчес-
проблемам поверхности металлов (Леїшнград - 1982 г.), IIJ Бсе-зпой конференции по закономерностям формирования структуры авов эвтектического типа (Днепропетровск - 1986 г.), Всесоюзном [;наро по акустической эмиссии и разрушению композиционных мате-лов (Душанбе - 1987 г.), I Всесспзной научно-технической коифю-ции по композиционным материалам в иородоразруиакщлх инструмен-
(ІІвано-ФранкоЕСК - І9В7 г.), семінаре по применению демпфирукь-
материалов в машиностроении (Шшеск - IS59 г.) и Московскоіі дународной конференции по композитам (1990 г.). Кроме того,
доклада были представлены па Международном симпозиуме по композ: ционным материалам (Патрас, Греция - 1990 г.) и Мевдународаой ю ференции пб неметаллическим материалам и композитам при. низких температурах (Геіідельберг, ФРГ- 1990 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 j учных работ,
Структура и объем работы. Диссёртш состоит из введения, шести разделов, выводов, описка литературы приложения. Объем работы 320 страниц машинописного текста, в тол числе 112 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 341 наимвної ний. .
