автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Закономерности структурообразования компонентов и контактных зон волокнистых композиционных материалов на основе алюминия при термоциклической обработке

ТУЛЬСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи МОЗГОВОЙ Александр Васильевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТРУШРООЬРАЗОВАНИЯ КОМПОНЕНТОВ И КОНТАКТНЫХ зон волокнистых композиционных МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛШИНИЯ ПРИ TBFMO-ШКЛИЧЕСШ ОБРАБОТКЕ

Специальность 05.16.01 - металловедение и тершгас-

кая обработка металлов

Автореферат

диссертации на соискание учёной степеии кандидата технических наук

Тула - 1990

Работа выполнена в Тульском ордена Трудового Красного Знамени политехничоском институте и

Винницком государственном педагогическом института им. Н.Островского

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Головин С.А.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профоссор

Гордиенко J1.K.

- кшдацат технических наук, доцент Сергеев H.H.

Ведущее предприятие - Львовский физико-механический институт

им. Г.В. Карпенко АН УССР

Защта состоится " 25 " декабря_19ЭО г< в 14°° часов

в девятом корпусе ТулПИ, ауд, 101 на заседании специализированного совета К.063.-47.01 ВАК СССР в Тульском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте по адресу: 300600, г.Тула, 26, пр.'Ленина, 92.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан ноября_19 г.

Учёный секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

¿¿/¿Z^*? И.А,Гончаре нко

I. ОЩАЯ ХЛРЛ1СГЕРИСТШ. РАБОТЫ

: ■ -л Актуальность темы. Благодаря применению волокнистых компоэи-■гчр1фЬщх материалов (ЕКЫ) достигнут существенный прогресс в раз -личных отраслях техники. Конструкции из ВКМ, обладающие высокими удельипш весовши характеристиками, способны выде^юшагь боль -шио силовые и температурные перегрузки. Свойства ВКгЛ определяются как свойствами компонентов, так и структурой композита. Работами ученых ведущих отечественных и зарубежных школ выявлены основные параметры, влияющие на качество и технико-экономические показатели ВКЫ - плотность очагов схватывания на грашще раздела компонентов, объемная доля, дефектность поверхности волокон, тип укладки волокон и шизико-иеханические характеристики компонентов; построены модели механизмов разрушения и определены основные требования по оптимизации структурных параметров.

Термическая и тершщшшческая обработки изделии из ВШ меняют структуру компонентов и контактах зон на граница раздела волокно-матрица. Рекиш нагрова при изготовлении Вй,1 на основе алшинпя во многом определяют качество переходных зон. Актуальной задачей является совериенствование методов их изучения и построение термокинотлческих диаграмм, учитывающих условия образования интерметаллидных фаз на границе раздела волокно-матрица.

В процессе изготовления ц эксплуатации конструкции из ВЕ.1 могут подвергаться циклическим нагревам и охлавденим. В зависимости от режима термоцикличесвая обработка (ТЦО) монет оказывать как благоприятное, так и вредное влияние на свойства ВКМ. Это связано с субструктурнш.ш изменениями в алюминиевой матрице и особенностями физико-химического взаимодействия на меяйазной границе за счет термического наклепа и отиига. Установление стадийности, кинетш'п и механизма структурообразоваюш компонентов и контактных зон в ВКЛ на-основе алшкния при терыоцяклической обработке позволяет определить область их эффективного использования и в некоторых случаях расширить ее.

Для решения этих актуальных задач, наряду с традиционными методами исследований, перспективно использование метода внутреннего трения (ВТ). В настоящее время изучены многие эффекты иеуя-ругости в различных металлах и сплавах и дана их физическая ин -терпретация. Однако применительно ж ВКМ требуют своего реаения многие методические и технические вопросы обоснования применения метода внутреннего тре!1ия. Это предусматривает совершенствование

¡гехники зкспериыента и создания высокочувствительной прецизионной аппаратуры. Применение метода БГ позволяет выявить и изучить источники внутреннего рассеяния энергии в ЖМ и их уровень.

Совершенствование техника измерений и изучение основных закономерностей воздействия термотески а термоцшшгаесклх обработок на структурообраэование Ш1 явилось основным направление в настоящей работе.

Диссертационная работа выполнялась в рамках тематических планов Тульского политехнического и Винницкого педагогического институтов, координированных Постановлением ГЖГ И 417 of 2.12.88 (проблема 03.0G) и НаучЕдм Советом АН УССР по проблеме "Физика твердого тела" (Í3 гос. per. 01,86.0086600).

Автор зааглдозт:

- обнаруженные с помощью разработанной прецизионной аппаратуры но вне ою^екти, вызванные ЩО на температурных и амплатудшх зависимостях внутреннего транш ИСЛ на основе алшишш; сравни -телышз данные о дешущрукщзй способности сплавов высокого демпфирования п В1С.1;

- катод изучения стадийности образована и роста переходных ■ зон на границе раздела волокно-матрица в ВКЫ на основе анализа временных зависимостей ЯГ в ходе изотермических отжигов;

~ тер?.говре|,;ешше диаграмма рекшов изготовления и эксплуатации BK¡,1 алшший-бор к ьлшший-сталь;

- pexi¡E.ai терыоцкшических обработок, стабилизирующие структуру ВШЛ на основе алк.'.иния. .

Цель работы - совершенствование техгшш измерении, исследованию блияш1я термоцнклического воздействия на закономерности структурных изменении в компонентах BKi/t на основе алгалшшя и ни-hdtekii образования переходных зон на границе раздела волокно-матрица; оптклнзацлл температурнэ-вуемейш: режимов обработки к эксплуатации BiC.i. - ' . -

Обяая методика исследований, Зволюцаю структуры M¡í и их составляющих: изучали на разработанной автоматической высокочувствительно.'; низкочастотной установке, позволяющей регистрировать амплитудные, вуелеиные, температурные зашсдоости-ВТ и модуля ' • сдвига ври крупиышх колебаниях ( -? ^ I -Гц)- в диапазоне амплитуд Ю~б - IÚ"3 и температур от -196' °С до 600 °С. Механические испытания образцов на растяжение проводили на машина липа Рэ, шкросгруктурние исследования - на оптическом микроскопе i&fii-8, .

рентгеноструктурный анализ - с помощью дифрактометра ДРОН - 3,0.

'Предложены способы оценки параметров затухания для компонентов ВКМ, ускоренного определения демпфирующих характеристик и остаточных напряжении по величине температурного гистерезиса.

Обработку экспериментальных результатов и оценку их достоверности выполняли с применением методов математической статистики при помехи 52!.! "Электроника - ДОК-3".

Научная новнзна:

- установлены механизмы воздействия на формирование субструктурного упрочнения алюминиевой матрицы ВКМ: на ранних стадиях ТЦО (-100 °С^20 °С, 500 °С ^г 20 °С) вследствие термического наклепа образуется попинанная концентрация закаточных вакансий, увеличивается плотность дислокаций и при их взаимодействии в поле остаточкпх напряжений за счёт неконсервагивного движения дислокаций формируется полигональная дислокационная субструктура; повышение числа термоциклов приводит к стабилизации субструкту-ри;

- определены активационнш и силовые параметры проявления температурных и амплитудных максимумов внутреннего трения в ВШ на основе алкмииия, связанные с образованней и развитием микро-трэцин как в матрице, так и переходных зонах и предложен механизм их проявления;

- изучены кинетика и стадийность формирования хрупких переходных зон на границе матрица-волокно (бор, сталь) и образование мг.кродефектов на более поздних стадиях отжига в интервале температур 400 - 600 °С;

- предложено аналитическое выражение для оценки толщины переходной зенн на границе волокно-матрица.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработана и внедрена (акт ЕГЩ от 18.10.68 г.) низкочастотная установка для определения характеристик рассеяния энергии. Предложен способ ускоренного определения "истинных" характеристик демпфирования материалов и способ оценки изменения остаточных напряжений по величине температурного гистерезиса декремента колебаний.

Предложены режимы упрочнякщге термоциклических обработок корпусов авиационных приборов ЕС-2, ЕСИН-1 и ВСЧ-3-5, изготовленных нэ ВШ алюминий-бор и алюминий-сталь, повышающих их эксплуатационную долговечность в 1,5-2 раза (акт СПЗ МАП от 28.08.

- б -

90 г.). Даны рекомендации по обработке и условиям эксплуатации ВКМ с алюминиевой матрицей на основе построенных термовременных диаграмм. Определены границы надёжной эксплуатации исследованных ВКМ в условиях термоциклического воздействия на конструкции.

Апробация работы.

Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном совещании по механизма.! внутреннего трения в твёрдых телах (Батуми, 1965 г.), на Всесоюзном семинаре "Акустическая эмиссия и разрушение композиционных материалов" (Душанбе, 1986 г.), на У научно-технической конференции "Демпфирующие металлические материалы" (Киров, 1988 г.), на совещании -.по механизмам внутреннего трения в твёрдых телах (Тбилиси, 1989 г.), на республиканском школе-семинаре "Спектральный анализ и ШП", (Винница, 1988 г., Запорокье, 1990 г.), на УП Всесоюзном совещании по взаимодействии между дислокациями и -атомами примесей и свойствам сплавов (Тула, 1988 г.), на ХУ конференции по вопросам, рассеяния-энергии при колебаниях механических систем (Киев, 1989 г.), на ежегодных научно-технических'конференциях профессорско-преподавательского состава ВГОИ им. Н.Островского и ТУлШ (Винница, 1987-90 гг.; Тула, 1939-20 гг.,).

Публикации. Основное содержание диссертации' опубликовано в 9 работах.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-глав, общих выводов, списка основной попользованной литературы из 193 наименований. Обилий объём 194 страницы, включая 60 рисунков и 4 таблицы.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕШШЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цели и основные задачи работа, приводится научная новизна, завещаемые положения и практическая её значимость.

В первой главе содержатся сведения об основных типах волокнистых композиционных материалов-на основе ¿шаедшя и использовании их в .промышленности и новой технике. Отмечено, що по своей природе композиционные материалы являются гетерогенными. Для КМ на основе алюминия наилучшей классификацией является разделение их на два типа; МЛ система металл-металл ^ системы шталл-неыеталл, что позволяет выявить их принципиальные различия и

наиболее оптимальные эксплуатационные свойства. Проведен краткий анализ способов получения КМ, особенностей их эксплуатации. Указаны критические параметры» позволяющие выбирать оптимальное значение структуры металломатричных композитов. Сформулированы задачи целенаправленного управления структурными изменениями в алюминиевой матрице и предпосылки получения упрочнённого состояния, так как свойства ВКМ определяются структурой композита и свойствами компонентов. Дан анализ существующих способов термического воздействия на конструкционные материалы. Наиболее перспективным и универсальным способом воздействия на структурное состояние материала является метод термоциклической обработки.

Отмечено, что поверхности раздела ВКМ нужно считать как самостоятельный элемент структуры. Показано, что изучение процессов физико-химического взаимодействия фаз и нахождение путей управления этим взаимодействием в направлении стабилизации структуры готовых КМ продолжает оставаться актуальной проблемой. Систематизирован материал о методах изучения структурного состояния компонентов и ВКМ в целом. Проанализированы неупругие эффекты на температурных зависимостях ВТ алюминия в интервале температур 200 - 300 °С, обусловленные перераспределением дислокаций в результате их взаимодействия мевду собой и с точечными дефектами при переходе алюминия и его сплавов из высокодефектного в термодинамически более равновесное субструктурно-упрочнённое состояние. Дан краткий анализ требований к технике эксперимента. Сформулированы основные задачи исследования:

- создать высокочувствительную автоматическую низкочастот- , ную установку для измерения внутреннего трения, модуля сдвига и временных зависимостей в широком температурном и амплитудном интервале измерений на базе обратного.крутильного маятника, позволяющую с одинаковой точностью измерять рассеяние энергии в материалах;

- разработать методику определения вклада составляющих BUM в общее значение ВТ и установить механизм формирования спектра температурных и амплитудных зависимостей внутреннего трения ВНЫ;

- определить влияние ГЦ0 на формирование структуры в алюминиевой матрице ВКМ;

- установить стадийность и изучить кинетику физико-химического взаимодействия на границе раздела волокно-метрица.

Во второй главе дано обоснование выбора материала и методов

его обработки.

В качестве объекта изучения выбраны ВКЫ алкмянии-бор с матрицами U40 и АМгб, а такае ВКЫ алшиний-сталь на основе адюпш -ииевого сплава АД1. Дашше БШ получены методом горячей прокатки и диффузионной сваркл однонаправленных плазыенноналыленных монолент. Армпрунциаи элемекгаш была высокопрочные jJoptuie и стальные (сталь ЭП322) волокна диаметром 140 и 100 мкм соответственно. Дня ШЛ Н40-3 объемная доля упроадяэднх волокон составляет 35 %, дая А1ЛГ6-В - 50?, а для алшшшй-стали - 15/5. ТЦО изучаемых материалов проводилось с применением "мягких" (150 °С —20 °С -*--196 °С — 20 °С — 150 °С — 20 °С...; 600 20 °С, 500 °0

:Г20 °С, 400 °С ^ 20 °С, 300 °С 5=20 °С...Й) и "жестких"

(150 °0 — -196 °С —150 °С--196 °С...; 600 20 °С, 500 °С

~20 °С, 400 °С=20 °С, 300 °С-=-20 "с...3531) режимов. Время нахождения образцов при максимальной или минимальной температурах -5 минут. Уравнение правша смеси не гсегда дает точный результат прк определении прочности EKi.i и величины внутреннего трения. Волокна при измерении ВТ претерпевают различные по величине и виду деформации. Нормальные напрякешш от изгиба и касательные напря-иегия от кручения имеют наибольшие значзшш блике к контуру по -перечного сечения круглого консольного бруса, каким является образец при измерениях ВТ. Показано, что расчет ВТ материала с однонаправленными непрерывными волокнами моает быть выполнен при рассмотрении циклического растякешш-саатия вдоль волокон композиционного етершш с учетом дассшагивных, физпко-хшлческкх я геометрических характеристик.компонентов:

где С, Щ - индексы, обозначающие композицию, волокно и матр1щу соответственно, 0( Ет. /Е|, $ Е - модуль упругос-

ти материала, V - объемная доля кошонентов. Данная формула дозволяет оценить демпфирующие способности композиции в завися -мости от значений о( и $ , но расхождение теоретических значений ЖГ с экспериментальными составляет 10$. При повышенных те:.шературах на границе волокно-матрица происходят процессы, которые вносят свой вклад в рассеяние энергии при затухании механических .-

кохлавденяе до 20 °С велось на воздухе ^охтааденде до 20 °С проводилось в воде

колебаний. Теоретическое определешм "истинного" значения ВТ волокнистых композитов нужно веста, учитывая различный характер и степень деформации волокон и матрицы (матрица претерпевает крутильные колебания, армирующие волокна- - изгибныэ и крутильные колебания одновременно) и вклад во ВТ границы раздела фаз. В работе дается формула оценки ВТ ЖМ, для которой расхоздение с экспериментальными данными составляет &%.

Разработана низкочастотная автоматическая установка для измерения рассеяния энергии в низко-, средне- и в не о к о дешфируюдих материалах. Установка позволяет вести регистрацию температурных, амплитудных и временных зависимостей внутреннего трения и модуля сдвига при крутильных колебаниях (? ~ I Гц) в интервале температур от -196 до 1500 °С. Диапазон-рабочих амплитуд деформации составляет от Ю-6 до Ю-3. Используются образцы длиной 50-120 ш круглого и прямоугольного сечения. Фон установка < Ю-4 единиц внутреннего трения. Погрешности измерений не превышают 1%. Пре -дусмогрева возможность создания внешнего магнитного поля до 40 ООО к/и. Разработан терморегулятор большой мощности, позволяющий в широких пределах плавно регулировать скорость изменения температуры нагревательной системы.

Конструкция установки позволяет применять комбинированную систему измерений, определяя рассеяние энергии при фиксирован -ной амплитуде колебаний инерционной системы и заданном количестве колебаний. Это дает возможность обеспечить равноточность измерений в широком диапазоне деформаций и количества колебаний. Сделан анализ влияния величины усреднения данных на результаты получаемых амплитудных зависимостей ВТ и приведет сравнительные данныо демпдзирущей способности сплавов высокого демпфирования (Х16М4, 05Х11Ю, Г72Д35ЫЗ и др.) и ВКМ.

Предложен способ ускоренного определения амплитудных зависимостей внутреннего трения и модуля сдвига средне- и высоко-демпфирунцих материалов. Суть его заключается в измерении при малой базе (2-4) колебаний изменений "истинного" значения величины внутреннего трения материала в процессе затухания инерционной системы от максимальной амплитуды колебаний без записи виброграмм. Предложенный способ уменьшает время проведения экспе -римента в- 6 - Э раз. Применяя ЭВМ, экспериментатор сразу полу -чает амплитудные зависимости внутреннего трения и модуля сдвига в виде готовых графиков.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований структурных изменений ВйЛ на основе алдашшя и их компонентов после воздействия различных ТЦО.

В исходном состоянии температурные кривые КГ материалов алюминий-бор и алшиний-сталь характеризуются экспоненциальной зависимостью. Их особенностью является резкое возрастание значений ВТ при температуре вше 150 °С. Увеличение амплитуда деформации приводит к повышению демпфирующих свойств изучаемых материалов.

Результаты измерений температурных зависимостей КГ ВШ на основе алшиния показали, что при термоцишшровашш появляется четкий максимум ВТ в районе 40 °С, который имеет релаксационную природу. При температуре проявления в процессе изотермического отжига оа подавляется на протяжении 3D минут. На кривых охлаждения и повторного нагрева пик отсутствует. Изменение частоты колебаний вызывает его смещение по температуре. Энергия активации процесса, обусловливавшего проявление этого пика, равна 0,76 эВ. Зависимости величины этого пшка и фона внутреннего трения при комнатной температур« от количества термоциклов аналогичны; с увеличением количества термоциклов оба параметра периодически увеличиваются. Заметное повышение высоты пика наблюдается ухе после первых термоциклов.

В результате совместных термических и внешних знакопеременных воздействий в материале матрицы под действием меифазкых и остаточных напряжении протекает процесс образования и залечивания микротрещин и, как следствие, рассеяние энергии колебаний релаксационным путем. Характер проявления и энергия активации максимумов ВТ, формирующихся при ТЦО композиций на основе алшиния, совпадают с описанными в литературе релаксационными эффектами взаимодействия микротрещин с плоскими скоплениями дислокации и нх тер-мофлуктуационшш перемещением в поле напряжении (В.И.Владимиров, А.Н.Орлов, Д.М.Левин). Смещение темдерагуры проявления пиков подтверждает связь их природа с-.наличием и величиной межфазных напрякений. Наличие пиков при 60, 80 и 100 °0 объясняется различными видами микротрещин и неодинаковой ориентацией их относительно оси образца. Так, различная подвижность шкротрещин, распределение их по размерам и форме приводит к суперпозиции целого рада релаксационных процессов, что вызывает проявление на графиках-размытости - одного тир-кого пшка. В процессе термоциклирования монет произойти преимущественное установление условий, приводящее ■

-li-

ft проявлению одного вида трещин. Это обусловливает разделена одного широкого пика на несколько более узких и ярче выранешшх. Наличие суперпозиции ряда релаксационных процессов в ШЛ на основе влшшия в районе температур 40 - 100 °С било подтверадоно методикой разделения нескольких парциальных максимумов ВТ.

При определении температурной зависимости ВТ ВКЛ в процессе нагрева и охлаждения наблвдается гистерезис хода кривых. Методом рентгеноструктурного анализа было определено значение остаточных внутренних напряжении в материале матрицы. Установлена корреляция связи (коэффициент К) величины изменении этих напряжений и гистерезиса декремента колебании в цикле "нагрев-охлакдение" (для НКЛ JJ40-B К=0,44, АМгб-В - К=0,13). Это позволило предлокить способ оценки напряженного состояния ШЛ (уровня остаточных внутренних напряжений) в процессе различных термических обработок.

Термоциклическая обработка холодом (минус 196 °С), соответ-ствущая эксплуатационнш режимам изделий из ВКМ, приводит к понижению остаточных напряжений в композите. О увеличением количества циклов наблюдается периодическое изменение величины остаточных напряжений с постепенным ях увеличением. В результата в хрупких борных волокнах появляются трещины и происходит отслоеш1э матрицы от них, что приводит к ухудшению работоспособности композита.

Наличие связанной с матрицей арматуры сильно изменяет характер развития сколькешм в зернах матричных материалов и условия релаксации напряжений в плоскостях сколькения, которые зависят от соответствующие режимов термической обработки материала. В процессе термоциклирования ЖЛ матрица деформируется. Это происходит в условиях ограничения подвижности дислокации, где основную роль "ограничителя" выполняют волокна.

Основываясь на известных работах Ке Тин Суя, П.1.1.3узяка и др. о природе пиков на температурной зависимости ВТ алшшшя, вызванных формированием субструктуры, проведено изучение влияния ТЦО на структурные изменения в матрице ШЛ. В поле остаточных напряжений под воздействием термоциклических обработок в алетли -нкевой матрица происходят перераспределение и генерация дефектов кристаллического строения, вызывавшие структурные изменения :в композите. О ростом числа Tip увеличивается плотность дислокаций. Циклические изменения температуры приводят к увеличению в матрице концентрации закалочных вакансий, - способствующих перераспре -делению дислокаций в субграшщн. Под действием остаточных напря- •

жекий и температурного фактора за счёт неконсерватйвного движения дислокаций при их перераспределении в дислокационные стенки происходит формирование в матрице полигональной дислокационной субструктуры..

В работе показано, что расширение интервала термоциклирова-ния ВНМ алюминий-сталь от комнатных температур до 400 °С привело к формированию на температурных зависимостях ВТ неупругих эффектов при 230, 270, 300 и 360 °С (рис. I). Первые три эффекта обу-словленны процессами формирования и стабилизации в материале матрицы дислокационной субструктуры. Они имеот релаксационную природу. Энергии активации процессов, вызывающих их проявление,соответственно составляют 1,3, 1,38 и 1,46 эВ, что отвечает обнаруженным неупругам эффектам в алюминии после определённой механико-термической обработки. Поскольку в ВНМ вероятность появления эернограничной релаксации очень мала , то пик при 360 °С связан с примесной субграничной релаксацией.

Рис Л. Температурная зависимость внутреннего трения ВКМ алюминий-сталь в процессе ТЦО (400-3= 20 °0): 1-3 цикла, 2-38 циклов, 3-зависимость интенсивности проявления пика при 300 °С от количества термоциклов.

Внутренние поля микронапряжений способствуют перераспределению дислокаций в матрице ВОД и их переползание происходит при более низких температурах, чем в неармированном алюминии. Наличие субструктура в матрице волокнистых композиционных материалов вызывает их упрочнение. Это реализуется уменьшением величины фона ВТ от 20 до 400 °С.

Термоциклирование ВЙЫ алюминий-сталь в интервале 20^300 °С вызывает уменьшение значений ВТ в районе максимальных температур циклирования с ростом числа термоциклов. Основной спад происходит за первые 50 циклов. При таких обработках на температурной зависимости ВТ пики не наблюдаются. При термоциклировании до 500 °С в матрице ВКМ формируются дислокационные субграницы и более совершенные. Увеличение неупругого эффекта при 300 °С, обусловленного взаимодействием отдельных дислокаций и их скоплений с полигональными стенками, вызвано увеличением плотности дислокаций внутри полигонов при термоциклировании вследствие замкнутого характера дислокационных стенок (рис. I, кривая 3).

В четвёртой главе "отражено изучение влияния температурно-временных факторов на физико-химическое взаимодействие при помощи метода ВТ, металло- и рентгенаструктурного анализов.

При повышенных температурах алюминий и его сплавы химически активны и склонны к взаимодействию с борными и стальными волокнами. Результатом взаимодействия являются хрупкие интерметалли-ды, образующие реакционную зону на границе волокно-матрица. Наличие межфаэного взаимодействия в некоторой степени необходимо для получения К1<1 с прочной связью волокон и матрицы, интенсивное взаимодействие приводит к снижению механических свойств КМ.

Активное межфазное взаимодействие ч ВКМ начинает протекать выше температур 480-500 °С. В результате взаимодействия в ВКМ алюминий-бор ьа границе раздела волокно-матрица происходит образование соединений и АСВ^» а в алюминий-сталь - интерме-ташшдных соединений Ре2А£5 и Р&А&з • На ранних стадиях это способствует увеличении прочности связи волокон с матрицей.

Особенности физико-химических процессов на межфазной границе ВКМ изучали ' методом ВТ таким образом: исследуемые образцы нагревали в линейном режиме до соответствующей температуры испытания. Затем, после стабилизации температуры в течение 3 минут, систематически осуществляли измерения ВТ через каждые 10 минут на протяжении 20 часов. Шли получены кинетические кривые ВТ в .

Оно1 X

ю

20 10

л)

10 О'

i !■ 4 \ 6

2 о

. 5

3 \ ..........

120

гад

иа

м

но

60 50 40 30

Рис. 2. Зависимость величины ВТ ВШ М40-В от времени выдержки при различных температурах при Т,°С: I - 500 (матрица Ы40), 2 - 400, 3 - 460, 4 - 480, 5 - 500, 6 - 540.

4 %Ч

Й5с. 3. Темлературно-временные условия начала процесса физико- • химического взаимодействия (I) и образования переходной зоны критической толщины в ВШ Ц40-В(а) и АД1-ЗД322(б).

широком температурном интервале, охватывающем и область интенсивного химического взаимодействия комлоиентов IFJ,!. При температурах нише 460 °С на кшштичесгслх кривых наблюдается перегиб (рис. 2), ширина которого при поыаении температур« испытания уменьшается. Палачи о перегиба свидетельствуем о начале процессов фпзшю-хшнческого пзаплодеПстыщ на граница раздела еолскно-матрица, приводящих к образованию переходной зона. При достияо-шш переходной зоной критической толщтш происходит сникешш прочности КМ, Прочности испытания EIC.1 после изотермических от-ясигов в диапазоне температур 400 - 600 °С дали возможность определить начало разупрочнения. Такта образом, полученные результаты позволили построить дааграмли тсипературпо-прекенкнх условий процесса развития ^гико-жшкческого взаидодейсгвия в армнрогак-1шх системах алшвзшй-бер п ашяшй-сталь (рпа. 3).

IIa диаграмме ыошю вздели» три зоны: при зешерзтурио-вро-иешшх ролшая, лежащих inrse кривой I, находится латентная зона; екзв кривой т идет активное образсепнко и рос? хрупкой погоуод-tioii области на граалшз вопокно-иатркца; сапе кривой S тхолитсд зола разутшечяонпя. Лсбве тс-дтера?ушс-впс:,:еш;Л0 ро;л::.п есфйбор-кя композиций г, зоне; дехедой шасо кривой 2, по яр-гардлт к вх разупрочнении.

Прлводдаие на рис. 3 оасиошсста позволяв* ззифа'ь бозоазс-шш jiyp;;o-npGLieiiKc;i интервал окспяузгггцйи иадеятй, вэ РЖ» и бодс-о сСосиишио подходить к вибору ршегов их дзгзтогтввдш:. Нерззруи^м:;;!:! иугод аскврепкй ВТ лерсшслвои :ж глссаргсс-уетол получения сг.сдсш;л -о разн'Д'Ин процесса ^ожо-япчпчосксго кзаи-иодеиотаиа из гроааца раздела водокас-ттрлпа ь jüu, у продуктов взапкоделсгбкл гогормх модоь упругое?:! 3ttü»a7asiuo сгазчедгсц о-: такого для пр1.'-иэнлс!.м:< штричннх сплалов.

Псиодьзоссияо х«аз?лпосвях кр:шх познслатс иолу&ш шркжо-Ш13 хяя определен:;:: кокдац кереходзел aotzi, «ог-срог п:гчч гид:

ж"' - H^ibOiV- а-УОгЧ"!).

i'AB Qe - «зксшальасо значение ВТ, soxopoo imex сирасоц в понев* времени t »C; Q"<4 - равновесаое значение Ш. при 1 = «о ; Q -- текущее значение ВТ; К - предэкспоненцааиышй мнока -таль; П - показатель, и большинстве случаев - для двух компонентных систем, величина которого равна двум, СС - время релаксации.

Характер кинетических .зависимостей ВТ при изотермических ввдераках ЖСЛ хорошо подтверждается результатами измерений амплитудной зависимости ВТ. Обнаружен максимум на амплитудной зависимости ВКМ алшишш-сталь. Его положение и высота взаимосвязаны. С увеличением толщины переходной зоны высота пика растет, а амплитуда проявления уменьшается. Произведение этих величин остается постоянным. Характер поведения обнаруженного эффекта позволяет связать его природу с развитием процессов колебаний микротре-¡цщ; а поле напряжении и возникновением очагов пластической! де -формации. Положение пака по амплитудам деформации зависит от наличия и степени развития микротрещин.

В заключонии указываются основные направления использования результатов работы при проведении научных исследовании методом ВТ и в практике обработки изделии из ВКД на основе алюминия.

з. общ® вивода

1. Обоснована принципиальная схема и создана автоматическая низкочастотная установка для определения внутреннего трения (ВТ) и модуля сдвига в широком темпоратурно-вреыешшл и амплитудном диапазоне; проведены сравнительные испытания волокнистых композиционных материалов и сплавов высокого демпфирования. Преддоздц способ определения доминирующих характеристик материалов, основанный на регистрации измеряемых величин при постоянной палой базе колебаний.

2. Предаожша расчетная зависимость для определения вадт -репного рассеяния энергии в однонаправленных волокнистых композиционных материалах, учитывающая свойства компонентов и характер их деформаций; получена формула ддя оценки толщины пароходной зоны на границе раздела волокно-матрица на основе аначиза изотермических кривых внутреннего тления,

3. Термоцшишческая обработка ВКМ -алкг.шши-бор и алагшли-сталь пр!Шодит к созданию в матрице высокой плотности закалочных вакансий, дислокаций и перераспределению их в полигональные стенки. Характер образования и развития субгракичних эффектов шут -раннего трения показал, что в алкминиевой матрице ВКМ под воздействием термоциклических обработок (ЩО) от 300 - 500 °С до

20 °С дая системы М40-В и Шгб-В, а также от 400 - 500 °С до 20 °С для ВКМ адшиний-сгаль формируется стабильная упрочняющая субструктура полигонального типа.

4. В термоциклически упрочненных ВКМ алшиний-бор и алши-ний-сталь обнаружены ¡низкочастотные максимумы ВТ в интервале температур-40 - 80 °С. Выявлено, что природа ликов ВТ является релаксационной -и обусловлена движением микротрещин в упругих полях скопления дислокаций под воздействием знакопеременной нагрузки. По параметрам максимумов к фона ВТ определены зависимости степени дефектности матрицы Ей! и зоны контакта ее

с волокнами от количества термоциклов при различных режимах ТЦО.

5. Предогокзк и обоснован'способ оценки уровня остаточных напряжений в матрице БКМ, подвергнутого ЩО, по площади петли гистерезиса кривых ВТ при нагреве-охлаздекии по режиму термо -цшширования. Получены расчетные зависимости изменения остаточных напряявнпй от площади петли гистерезиса дяя ЕШ Мгб-В и М40-В.

6. Обнаружен эффект аномального изменения ВТ при изотермическом оташге ВКЫ алшиний-бор и алшинпй-сталь, величина и положение которого по временной шкале зависят от возникновения и роста хрупкой ингерметаллццной зоны на граница волокно-матрица. Образование зтой зоны в условиях проявления аномального изменения ВТ подтверждено металло- и рентгенографическим анализами.

V. Определены граничные условия начала возникновения штер-металдадшсс фаз на границе волокно-матркна, параметры разупрочнения ВЛ1 и построены термовремешше диаграммы, отражающие стадии латентного периода, активного менбазного взаимодействия и разупрочнения Sti алшодип-бор и алкшний-сталь.

. ^8. На амплитудных зависимостях Biß! алшишШ-сталь обнаружены максимумы затухания, положение которых по амплитудам деформаций зависит ог наличия и степени развития микротрещин в зоне контакта. Предложен механизм образования'максимума, связанный с' конкурентным -оазнптиом процессов колебаний микротрещин в поле напряжений и возникновением очагов пластической деформации.

9. На базе .вшолнешшх исследований и опытно-промышленной апробации ЯШ на основа злкминия для электронных корпусных деталей предложены реггааш 'ЩО 150 ~-196 °С (жидкий азот) и 400 20 °С (в йоде), обеспечивающие швниешга и стабильность их эксплуатационных характеристик. ■

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:.

1.Г.Г.Максимович, Л.В.аштовс&яй, Й.М.Зузяк, А.В.Моз -

говой. Влияние термоциклирования на внутреннее трение композиционного материала алюминий-сталь // Физико-химическая механика материалов. - 1978. - ff 3. - С, 77-79.

2. П.М. Зузяк, В.И. Сумский, A.B. Мозговой, Д.И. Коломиец, А.$. Недыб&юок, Н.В. Малиборский. Измерение и обработка при помощи электронно-вычислительных мшлин экспериментальных данных при выполнении спецфизпрактикума, курсовых и дипломных работ по физике твёрдого тела. Методическая разработка. Методы внутреннего трения. - Винница. - 1985. - £3 с.

3. Г.Г. Максимович, A.B. Филиповский, П.М. Зузяк, A.B. Мозговой, В.И. Михеев, Изучение методом внутреннего трения структурных изменений, происходят« в композиционном материале алюминий-бор в процессе термоциклирования // Акустическая эмиссия гетерогенных материалов. Тематический сборник. - Ленинград. -1986. - С. 77-81.

4. П.М. Зузяк, В.И. Сумский, Н.В, Малиборский, A.S. Недыба-люк, А.В.Мозговой, Д.И. Коломиец. Применение ЭВМ к расчёту параметров дислокациончой структуры материалов // Физика твёрдого тела. Респ. межвед. научно-техн. сб, - 1986, - Вып. 16. - С, 8083.

5. Г.Г, Максимович, П.М. Зузяк, A.B. Зилиповский, A.B. Мозговой, В.И. Михеев, В.В. Атаманюк. Изучение методом внутреннего трения релаксационных процессов и кинетики физико-химического взаимодействия в армированной системе алюминий-бор // Внутреннее трение в исследовании металлов, сплавов и неметаллических материалов. - М.: Наука, 1969. - С. 257-259.

6. С.А. Головин, A.B. Мозговой. Перспективы создания автоматизированной низкочастотной аппаратуры внутреннего трения типа крутильного маятника // Роль дефектов кристаллической решётки в процессах структурообразования сплавов, - Тула: ТулПИ, 1989. -С. 78-85.

7. П.М. Зузяк, A.B. Мозговой. Поведение внутреннего трения при физико-химическом взаимодействии компонентов волокнистых композиционных материалов на основе алюминия // Роль дефектов кристаллической решётки в процессах структурообразования сплавов. - Гула: ТулПИ, 1989. - С. 94-99.

8i Г.Г. Максимович, П.М. Зузяк, A.B. Филиповский, A.B. Мозговой. Влияние термоциклических обработок на демпфярую!дие спо- • собностя волокнистых композиционных материалов // Демпфирующие .

металлические материалы. - Тезисы докладов к У научно-техничес-. кой конференции. - Киров, - 1988, - С. 50-51.

9. A.B. Мозговой, П.М. Зузяк, С.А. Головин. Автоматическая низкочастотная установка для измерения внутреннего трения. -Винница: Винниц. педагог, ин-т, 1990. - Деп, в Укр КИИНГИ ' 28,03.90, № 565 - Ук 90.

Подписано к печати 12.II.90. Форыэт бумаги 60x64 1/16,. Бумага тилогр. й 2. 0$се4.пёч. Усл.печ.л.1,1. 1ч.иэд.л.1,0. Тираж 100 экз. Заказ й 1176. Бесплатно.

Издано в Тульском ордена Трудового Красного Знамени политехнической институте. Тула,ул.Болдина,151, Отпечатано на ротапринте в ТулПИ.