eng
Выпуск #1/2007
В. Гульбин, В.Попов, И.Севостьянов.
Металломатричные композиты, упрочненные высокотвердыми нанопорошками
Металломатричные композиты, упрочненные высокотвердыми нанопорошками
Просмотры: 4468
Исследованы металломатричные композиты, армированные высокотвердыми нанопорошками SiC, B4C, BN и синтетического алмаза, в которых в качестве матричных металлов использовали алюминий и медь. Нанокомпозиты изготавливали методом механического легирования и способами статического прессования и динамического компактирования. Для прогнозирования свойств металлокомпозитов предложен математический анализ, позволяющий оценивать эффективные упругости и проводимость нанокомпозитов. Механические свойства полученных композитов имеют высокие значения.
Получение металломатричных композитов (ММК) с высокотвердыми армирующими порошками затруднено из-за плохой (иногда отсутствия) смачиваемости между расплавом матричного металла и упрочнителями при литейных способах получения композитов или недостаточной прочности вследствие слабой адгезии на границе раздела компонентов при порошковых методах. Для получения ММК используются методы механического легирования и динамического компактирования.
Метод механолегирования – совместная обработка порошковых смесей в высокоэнергетических мельницах [1]. При механолегировании происходит ряд структурных процессов, в результате которых в объеме порошковой смеси образуются гранулы композиционного материала. Каждая гранула приобретает структуру, состоящую из матрицы и равномерно распределенных в ней ультрадисперсных частиц упрочнителей. При этом матрица характеризуется высокой плотностью дефектов кристаллической решетки, обусловленной значительными сдвиговыми деформациями, возникающими в месте контакта порошка и мелющих тел. Эффективными способами компактирования гранул, полученных в процессе механолегирования, являются динамические методы консолидации.
Настоящая работа посвящена разработке и исследованию ММК, армированных нанопорошками карбида кремния SiC, карбида бора В4С, нитрида бора BN и синтетического алмаза и полученных с использованием методов механолегирования и динамического компактирования.
Структура ММК, армированного наночастицами SiC (рис.1а,б), после динамического компактирования представляет собой высокоразвитые сферические наночастицы алюминия (рис.1в), которые под действием нагрузки деформируются и превращаются в зерна, которые сжимают помещенные между ними наночастицы упрочнителей. Механические испытания композита Al+SiC показали, что с уменьшением размера частиц SiC и увеличением их процентного содержания микротвердость, износостойкость и прочность на разрыв и сжатие значительно возрастают [2].
Практический интерес представляют алюминийматричные композиты, усиленные борсодержащими нанопорошками. Были получены композиты, усиленные наночастицами B4C и графитоподобного BN. Измельчение порошков до наноразмерной величины осуществляли в высокоэнергетической ультразвуковой мельнице. Образцы, армированные борсодержащими нанопорошками, подвергнуты механическим испытаниям. Результаты испытаний показали, что наибольшей прочностью обладают композиты, армированные наночастицами B4C и BN.
При исследовании ММК, упрочненных синтетическим наноалмазом, в качестве матричных материалов использовались алюминий и его сплавы, а также медь. В настоящее время хорошо исследован прочный и износостойкий металломатричный композит на медной основе, упрочненный наноалмазом. Как видно из рис.2, исходные наномедь и наноалмаз имеют сферическую форму; после компактирования наноалмаз, равномерно распределеннный по объему композита, обеспечивает его высокие прочностные и износостойкие свойства.
Применение таких металлокомпозитов весьма разнообразно. В частности, медематричный композит, армированный наноалмазом, перспективен для изготовления нагруженного электроконтактора, работающего при высоких динамических нагрузках, а также узлов, требующих высокой износостойкости.
Улучшение характеристик износостойкости (коэффициент трения, интенсивность износа, величина локального разогрева) зависят от твердости и прочности композитов на сжатие. Экспериментально установлено, что при компактировании образцов из композитов Al+SiC, Al+BN и Al+B4C с увеличением динамического давления до определенной величины прочностные характеристики образцов возрастают. Дальнейшее увеличение давления приводит к их разрушению.
Механические свойства (прочность на разрыв и сжатие, микротвердость, износостойкость) ММК, армированных нанопорошками SiC и BN, имеют высокие значения, что позволяет рекомендовать эти ММК для машиностроения как конструкционные и подшипниковые материалы, для электроэнергетики как контактные группы электропитания, работающие в условиях высоких ударных нагрузок и трения. Алюминийматричные композиты, армированные борсодержащими наночастицами, перспективны для использования в атомной энергетике как нейтронно-защитные материалы.
Поведение композитов, усиленных наночастицами, в значительной мере определяется прослойкой между матрицей и частицами. Толщина этой прослойки обычно не зависит от размера включений и составляет в ММК от 2 до 10 атомных слоев. Вместе с тем, влияние прослойки существенно возрастает, если размер неоднородностей становится меньше100 нм. Имеется понимание важности "междуфазной зоны" при моделировании процессов в композитах. Для анализа авторы используют модель, предлагаемую в работе [3] для модуля объемного сжатия и проводимости композита с неоднородностями, окруженными межфазным слоем.
Свойства композитов могут быть оценены, в первую очередь, путем решения матрицы, содержащей единичную неоднородность (проблема Eshelby). Авторы считают, что некоторый эталонный объем V бесконечного трехмерного тела с гомогенным сферическим включением радиусом r0 имеет зону, обладающую упругими и проводящими свойствами, отличными от таковых для матричного материала. Принимается, что модули этой матрицы плавно и монотонно изменяются по радиусу и приближаются к таковым для компонента "чистой матрицы" при r® Ґ. Математическая формула, удовлетворяющая этим условиям, имеет вид [4]:
где индекс "m" относится к матрице, а индекс "if" – к прослойке с неоднородностью (рис. 3).
Четырехмерный тензор учета жесткости N для включения определяется следующим отношением для общей деформации в объеме V [5]:
При допущении невзаимодействия тензор эффективной жесткости может быть рассчитан следующим образом: [...]
Для изотропной матрицы, усиленной случайно распределенными сферическими изотропными включениями объемной фракции c с межфазными слоями, модуль эффективного объемного сжатия может быть рассчитан, как в работе [6]:
где m – модуль поперечной упругости, l=K-2m/3, Г0=Г3=1, а остающиеся ненулевые Гn находятся из следующего отношения:
и M=l+2m – модуль компрессионной волны.
Таким же образом можно решить задачу теплопроводности (математически эквивалентной задаче электропроводности). Принимая линейный закон для проводимости (линейное отношение между температурным градиентом протяженного поля G и вектором теплового потока U в объеме V ), имеем линейное отношение для изменения теплопроводности вследствие наличия включений [5]:
где симметричный тензор второго порядка можно назвать тензором вклада включения в сопротивление. Эта формула может пониматься как изменение в температурном градиенте, необходимое для поддержания такого же теплового потока после внедрения включения.
В рамках допущения невзаимодействие HR определяется Кeff:
Если принять, что свойства проводимости и неоднородности, межфазной зоны и матрицы распределены таким же образом, как упругие, то:
а эффективная проводимость может быть рассчитана как в работе [7]:.
С достаточной степенью точности можно считать, что нанопорошки, используемые для упрочнения ММК, являются сферическими (рис.1,2). Это позволяет использовать производные выражения для оценки эффективных свойств упругости и проводимости композитов, армированных наночастицами. Сравнение с экспериментальными данными подтверждает этот вывод.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kaloshkin S.D., Gulbin V.N., Tcherdyntsev V.V., Stepashkin A.A., Jalnin B.V., Laptev A.I., Obruchev E.V. Mechanical alloying of metal matrix composites reinforced by quasicrystal. ISMANAM-11. Sendai, Japan, August 22-26, 2004, 62.
2. Popov V.A., Gulbin V.N., Kotov Y.A., Donald R. Lesuer, Jose San Juan, Smirnov O.M., Beketov I.V., Ivanov V.V. New methods of producing metal matrix composites including application of nano-materials and explosive treatment. ICCE-8. Tenerife, August 5-11, 2001, 749-750.
3. Lutz M.P. and Zimmerman R.W. 1996. Effect of the interphase zone on the bulk modulus of a particulate composite, ASME J. Appl. Mech. 63, 855-861.
4. Theocaris P.S., 1992. The elastic moduli of the mesophase as defined by diffusion processes. J. Reinf. Plastics Comps.11, 537-551.
5. Sevostianov I. and Kachanov M. 2002. Explicit cross-property correlations for anisotropic two-phase composite materials. J. Mech. Phys. Solids, 50, 253-282.
6. Sevostianov I. 2005. Effective elastic and conductive properties of nanoparticles reinforced composites. Composites -B.
7. Sevostianov I. 2005. Effective elastic and conductive properties of nanoparticles reinforced composites. Composites -B.
Метод механолегирования – совместная обработка порошковых смесей в высокоэнергетических мельницах [1]. При механолегировании происходит ряд структурных процессов, в результате которых в объеме порошковой смеси образуются гранулы композиционного материала. Каждая гранула приобретает структуру, состоящую из матрицы и равномерно распределенных в ней ультрадисперсных частиц упрочнителей. При этом матрица характеризуется высокой плотностью дефектов кристаллической решетки, обусловленной значительными сдвиговыми деформациями, возникающими в месте контакта порошка и мелющих тел. Эффективными способами компактирования гранул, полученных в процессе механолегирования, являются динамические методы консолидации.
Настоящая работа посвящена разработке и исследованию ММК, армированных нанопорошками карбида кремния SiC, карбида бора В4С, нитрида бора BN и синтетического алмаза и полученных с использованием методов механолегирования и динамического компактирования.
Структура ММК, армированного наночастицами SiC (рис.1а,б), после динамического компактирования представляет собой высокоразвитые сферические наночастицы алюминия (рис.1в), которые под действием нагрузки деформируются и превращаются в зерна, которые сжимают помещенные между ними наночастицы упрочнителей. Механические испытания композита Al+SiC показали, что с уменьшением размера частиц SiC и увеличением их процентного содержания микротвердость, износостойкость и прочность на разрыв и сжатие значительно возрастают [2].
Практический интерес представляют алюминийматричные композиты, усиленные борсодержащими нанопорошками. Были получены композиты, усиленные наночастицами B4C и графитоподобного BN. Измельчение порошков до наноразмерной величины осуществляли в высокоэнергетической ультразвуковой мельнице. Образцы, армированные борсодержащими нанопорошками, подвергнуты механическим испытаниям. Результаты испытаний показали, что наибольшей прочностью обладают композиты, армированные наночастицами B4C и BN.
При исследовании ММК, упрочненных синтетическим наноалмазом, в качестве матричных материалов использовались алюминий и его сплавы, а также медь. В настоящее время хорошо исследован прочный и износостойкий металломатричный композит на медной основе, упрочненный наноалмазом. Как видно из рис.2, исходные наномедь и наноалмаз имеют сферическую форму; после компактирования наноалмаз, равномерно распределеннный по объему композита, обеспечивает его высокие прочностные и износостойкие свойства.
Применение таких металлокомпозитов весьма разнообразно. В частности, медематричный композит, армированный наноалмазом, перспективен для изготовления нагруженного электроконтактора, работающего при высоких динамических нагрузках, а также узлов, требующих высокой износостойкости.
Улучшение характеристик износостойкости (коэффициент трения, интенсивность износа, величина локального разогрева) зависят от твердости и прочности композитов на сжатие. Экспериментально установлено, что при компактировании образцов из композитов Al+SiC, Al+BN и Al+B4C с увеличением динамического давления до определенной величины прочностные характеристики образцов возрастают. Дальнейшее увеличение давления приводит к их разрушению.
Механические свойства (прочность на разрыв и сжатие, микротвердость, износостойкость) ММК, армированных нанопорошками SiC и BN, имеют высокие значения, что позволяет рекомендовать эти ММК для машиностроения как конструкционные и подшипниковые материалы, для электроэнергетики как контактные группы электропитания, работающие в условиях высоких ударных нагрузок и трения. Алюминийматричные композиты, армированные борсодержащими наночастицами, перспективны для использования в атомной энергетике как нейтронно-защитные материалы.
Поведение композитов, усиленных наночастицами, в значительной мере определяется прослойкой между матрицей и частицами. Толщина этой прослойки обычно не зависит от размера включений и составляет в ММК от 2 до 10 атомных слоев. Вместе с тем, влияние прослойки существенно возрастает, если размер неоднородностей становится меньше100 нм. Имеется понимание важности "междуфазной зоны" при моделировании процессов в композитах. Для анализа авторы используют модель, предлагаемую в работе [3] для модуля объемного сжатия и проводимости композита с неоднородностями, окруженными межфазным слоем.
Свойства композитов могут быть оценены, в первую очередь, путем решения матрицы, содержащей единичную неоднородность (проблема Eshelby). Авторы считают, что некоторый эталонный объем V бесконечного трехмерного тела с гомогенным сферическим включением радиусом r0 имеет зону, обладающую упругими и проводящими свойствами, отличными от таковых для матричного материала. Принимается, что модули этой матрицы плавно и монотонно изменяются по радиусу и приближаются к таковым для компонента "чистой матрицы" при r® Ґ. Математическая формула, удовлетворяющая этим условиям, имеет вид [4]:
где индекс "m" относится к матрице, а индекс "if" – к прослойке с неоднородностью (рис. 3).
Четырехмерный тензор учета жесткости N для включения определяется следующим отношением для общей деформации в объеме V [5]:
При допущении невзаимодействия тензор эффективной жесткости может быть рассчитан следующим образом: [...]
Для изотропной матрицы, усиленной случайно распределенными сферическими изотропными включениями объемной фракции c с межфазными слоями, модуль эффективного объемного сжатия может быть рассчитан, как в работе [6]:
где m – модуль поперечной упругости, l=K-2m/3, Г0=Г3=1, а остающиеся ненулевые Гn находятся из следующего отношения:
и M=l+2m – модуль компрессионной волны.
Таким же образом можно решить задачу теплопроводности (математически эквивалентной задаче электропроводности). Принимая линейный закон для проводимости (линейное отношение между температурным градиентом протяженного поля G и вектором теплового потока U в объеме V ), имеем линейное отношение для изменения теплопроводности вследствие наличия включений [5]:
где симметричный тензор второго порядка можно назвать тензором вклада включения в сопротивление. Эта формула может пониматься как изменение в температурном градиенте, необходимое для поддержания такого же теплового потока после внедрения включения.
В рамках допущения невзаимодействие HR определяется Кeff:
Если принять, что свойства проводимости и неоднородности, межфазной зоны и матрицы распределены таким же образом, как упругие, то:
а эффективная проводимость может быть рассчитана как в работе [7]:.
С достаточной степенью точности можно считать, что нанопорошки, используемые для упрочнения ММК, являются сферическими (рис.1,2). Это позволяет использовать производные выражения для оценки эффективных свойств упругости и проводимости композитов, армированных наночастицами. Сравнение с экспериментальными данными подтверждает этот вывод.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kaloshkin S.D., Gulbin V.N., Tcherdyntsev V.V., Stepashkin A.A., Jalnin B.V., Laptev A.I., Obruchev E.V. Mechanical alloying of metal matrix composites reinforced by quasicrystal. ISMANAM-11. Sendai, Japan, August 22-26, 2004, 62.
2. Popov V.A., Gulbin V.N., Kotov Y.A., Donald R. Lesuer, Jose San Juan, Smirnov O.M., Beketov I.V., Ivanov V.V. New methods of producing metal matrix composites including application of nano-materials and explosive treatment. ICCE-8. Tenerife, August 5-11, 2001, 749-750.
3. Lutz M.P. and Zimmerman R.W. 1996. Effect of the interphase zone on the bulk modulus of a particulate composite, ASME J. Appl. Mech. 63, 855-861.
4. Theocaris P.S., 1992. The elastic moduli of the mesophase as defined by diffusion processes. J. Reinf. Plastics Comps.11, 537-551.
5. Sevostianov I. and Kachanov M. 2002. Explicit cross-property correlations for anisotropic two-phase composite materials. J. Mech. Phys. Solids, 50, 253-282.
6. Sevostianov I. 2005. Effective elastic and conductive properties of nanoparticles reinforced composites. Composites -B.
7. Sevostianov I. 2005. Effective elastic and conductive properties of nanoparticles reinforced composites. Composites -B.
Отзывы читателей
