Содержание к диссертации
Введение
1 Литейные композиционные материалы в различных областях техники 8
1.1 Перспективы создания литейных композиционных материалов 8
1.2 Состав литейных композиционных материалов 14
1.3 Технология получения литейных композиционных материалов 25
1.4 Технология получения отливок из литейных композиционных материалов 35
1.5 механические свойства литейных композиционных материалов 37
2 Методы, используемые при проведении исследований получения литейных композиционных материалов 43
2.1 Экспериментальная установка 43
2.2 Измерение температуры 45
2.3 Определение предела прочности на растяжение 46
2.4 Измерение твердости 47
2.5 Измерение коэффициента термического расширения 49
2.6 Металлографические методы исследования 52
2.7 Определение линейной усадки 54
2.8 Определение жидкотекучести 55
2.9 Другие методы исследования 56
2.9.1 Исследования структуры металлов 56
2.9.2 Определение микротвердости 56
2.9.3 Определение объемной усадки 57
2.9.4 Определение склонности к образованию горячих трещин 58
2.9.5 Измерение плотности металлов и сплавов 58
2.9.6 Исследования дефектов кристаллической решетки 58
2.9.7 Измерение электросопротивления металлов исплавов 59
3 Исследование влияния состава и технологических параметров на свойства литейных композиционных материалов 60
3.1 Свойства литейных композиционных материалов в зависимости от состава и технологических факторов 60
3.1.1 Литейный композиционный материал системы а1-а1203 60
3.1.2 Литейный композиционный материал системы al-si02 64
3.1.3 Литейный композиционный материал системы al-si02-ni и al-al203-ni 68
3.1.4 Литейный композиционный материал системы al-ni. 70
3.1.5 Литейный композиционный материал системы al-fe .74 3.2 влияние состава, свойств и распределения дисперсных частиц на прочность литейных композиционных материалов 77
3.2.1. Определение параметров распределения дисперсных частиц в матрице и их влияние на прочность литейных композиционных материалов 77
3.2.2 Влияние состава на прочность литейных композиционных материалов 84
3.2.3 Влияние межфазной границы на прочность литейных композиционных материалов 86
3.2.4 Анализ уравнений, описывающих механические свойства литейных композиционных материалов в зависимости от различных технологических факторов .90
4 Модель взаимодействия материалов матрицы и упрочнителя 95
4.1 Моделирование процесса взаимодействия 95
4.2 Физико-химические основы процесса взаимодействия на границе раздела фаз компонентов литейных композиционных материалов 102
4.3 Типы связей на поверхности раздела фаз компонентов литейных композиционных материалов 108
5 Термические свойства литейных композиционных материалов 115
5.1 Линейная усадка 115
5.2 Измерение температурного коэффициента линейного расширения твердого сплава 118
5.3 Расчет температурного коэффициента линейного расширения сплава 120
Основные результаты и выводы 133
Список использованных источников 135
Приложение А 150
- Технология получения литейных композиционных материалов
- Измерение коэффициента термического расширения
- Определение параметров распределения дисперсных частиц в матрице и их влияние на прочность литейных композиционных материалов
- Физико-химические основы процесса взаимодействия на границе раздела фаз компонентов литейных композиционных материалов
Введение к работе
Создание новых конструкционных материалов сдерживается разработкой
технологий их изготовления. Большое внимание привлекают к себе литейные
композиционные материалы (ЛКМ) на основе алюминия, упрочненного раз
личными дисперсными частицами: карбидами, нитридами, оксидами и др. Вве
дение в алюминиевую матрицу дисперсных частиц упрочняющей фазы в виде
оксидов алюминия и кремния позволяет повысить ее прочностные и жесткост-
ные характеристики. Поэтому в этом направлении непрерывно ведется актив
ный поиск. Известны исследования ряда авторов по созданию ЛКМ путем вве
дения в состав алюминиевых сплавов дисперсных частиц упрочняющей фазы в
виде оксидов и карбидов различных элементов. Однако в этих исследованиях
отсутствует достаточно информации по получению ЛКМ и технологий их из-
* готовления с повышенным содержанием дисперсных частиц оксидов кремния и
ч- алюминия, (более 3-5 %).
Актуальность создания новых конструкционных материалов вызвана тем,
что запасы дорогостоящих легирующих элементов, применяемых в производ-
стве сплавов, истощаются, это еще раз подтверждает целесообразность прове
дения работ по созданию ЛКМ, которые позволят получать отливки с мини-
' мальной последующей механической обработкой, высокими удельной прочно-
стью, жесткостью, технико-экономическими показателями, низким температурным коэффициентом линейного расширения, линейной усадкой и др.
Цель диссертационного исследования заключается в получении литейного композиционного материала на основе алюминия, упрочненного дисперсными частицами.
Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
* 1 .Выявить влияние состава и технологических факторов на механические
г свойства литейных композиционных материалов.
2.Изучить взаимодействие фаз на границе их раздела, влияющее на свойст-
* ва литейных композиционных материалов.
3.Определить влияние состава на термические свойства ЛКМ (линейную усадку, температурный коэффициент линейного расширения).
^ Научная новизна работы состоит в следующем:
1.Выявлена зависимость удельной межфазной поверхности от размера и содержания частиц, и ее влияние на прочность ЛКМ. Удельная межфазная поверхность возрастает по степенной зависимости при уменьшении размера час-тиц с 500 до 50 мкм. Установлено, что прочность ЛКМ возрастает при увеличении межфазной поверхности в системах А1-А1203, Al-Si02, Al-Ni.
2.Предложена модель взаимодействия жидкой и твердой фаз типа А1-МеО, А1-Ме, МеіО-Ме20 на межфазной границе. Данная модель взаимодействия заключается в том, что на границе раздела фаз происходят процессы адсорбции и хемосорбции, переходящие в химическую или механическую связь, обеспечивающие все многообразие структурных превращений, протекающих в системах
^ Ме-Ме или Ме-МеО. Термодинамические расчеты подтвердили реальность ре-
акционной диффузии в системе Al-Si02, способствующей получению ЛКМ системы Al-Si-Al203.
*
3.Получены экспериментальные данные по свойствам ЛКМ, которые показывают, что повышение температуры совмещения фаз до 1473 К, снижение
* размера частиц с 500 до 50 мкм, увеличение содержания частиц до 30 % повы
шают свойства ЛКМ в 2-5 раз.
4.Разработаны аналитические методы расчета литейной усадки, темпера
турного коэффициента линейного расширения в зависимости от содержания,
размера и физических свойств материалов; получено их экспериментальное
n подтверждение и разработано программное обеспечение расчета ТКЛР.
Практическая значимость работы. Результаты экспериментальных ис-следований влияния технологических факторов на свойства ЛКМ, позволили
разработать технологический процесс изготовления отливок из ЛКМ. Предло-
женные методы расчета дают возможность прогнозировать физико-
механические свойства ЛКМ на стадии проектирования новых деталей машин.
На специальной установке моделировали процессы взаимодействия на границе
раздела фаз, это позволило: оценить силу сцепления матрицы и упрочнителя в
ЛКМ; объяснить влияние технологических факторов (температуры получения
N ЛКМ, скорости движения частиц в расплаве, временные факторы формирова-
ния), что способствовало уточнению параметров технологического процесса.
Реализация результатов работы. Выполненные исследования позволили
разработать и опробовать технологический процесс изготовления отливок из
, ЛКМ, снизить затраты на их изготовление, повысить эксплуатационные харак-
теристики и технико-экономические показатели литья на предприятии ОАО «Сибинстрем». Результаты исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Композиционные материалы» в КГАЦМиЗ.
На защиту выносятся:
1 .Результаты влияния основных технологических факторов на свойства
ЛКМ.
'*; 2.Влияние содержания и размера дисперсных частиц, межфазной границы
на свойства ЛКМ.
3.Аналитические методы расчета свойств ЛКМ: коэффициента линейной усадки, температурного коэффициента линейного расширения.
Технология получения литейных композиционных материалов
По состоянию матрицы в процессе формирования композиционного материала (КМ) с металлической матрицей (МКМ) технологии их изготовления могут быть разделены на три группы: твердофазную, порошковую и жидкофазную [45]. Методы твердофазной технологии, включающие операции выкладки пакета из чередующихся слоев волокон и матричного сплава и горячего компакти-рования пакета прессованием, прокаткой и т.п., используют наполнители в виде моноволокон большого диаметра (борных, стальных и т.д.). Методы порошковой металлургии обычно используют для изготовления КМ с наполнителями из порошковых частиц, нитевидных кристаллов или коротких волокон. Методы жидкофазной технологии являются наиболее универсальными и позволяют использовать наполнители любого типа. Жидкофазные методы делятся на две группы: самопроизвольной и принудительной пропитки. В первом случае движущей силой течения расплава в капиллярно-пористом каркасе является физико-химическое взаимодействие компонентов (смачивание, растекание вследствие химической реакции и т.д.), во втором - внешнее воздействие на расплав или частицы наполнителя (давление сжатого газа, механическое усилие, центробежные силы, высокоскоростное замешивание частиц наполнителя в матричный расплав и т.п.). Разработаны вихревой и инжекционный методы введения наполнителя в расплав, а также компрессионное литье, вакуумная и компрессионная пропитка, центробежное литье.
Современный этап развития МКМ характеризуется: приоритетным развитием литейных методов; разработкой новых способов жидкофазной технологии и соответствующего оборудования; началом разработки теории этих процессов; началом более углубленного изучения явлений на границе «матричный расплав - наполнитель», в частности, с учетом внешнего давления; расширяющимся потоком работ по созданию и исследованию свойств КМ, получаемых жидкофаз-ными методами, в особенности КМ с алюминиевой матрицей, армированной частицами или короткими волокнами.
Практика показывает, что качество литейных композиций и возможность их получения зависят от ряда параметров: смачиваемости дисперсной фазы расплавом, природы дисперсных частиц и предварительной их подготовки, температуры дисперсионной среды, режимов перемешивания металлического расплава при вводе частиц и др. [41]. Хорошая смачиваемость дисперсной фазы достигается за счет ввода поверхностно-активных металлических добавок и предварительной подготовки дисперсной фазы. Изучено влияние добавок магния, олова, сурьмы, цинка, кадмия, кремния, меди на усвоение частиц карбида титана ТІС (1 .5 мкм) жидким алюминием марки А7. Порошок ТІС вводили в расплав путем механического замешивания со скоростью вращения импеллера 400 с"1 при температуре расплава 750 С. Количество вводимого TiC составляло 3 % от массы жидкого А1. Установлено, что Zn, Si, Си, Mg улучшают усвоение карбида титана расплавом. Определено, что наиболее технологичным способом подготовки дисперсных частиц является прокаливание их на воздухе при температуре, соответствующей температуре расплава при вводе. Степень усвоения сильно зависит от температуры и имеет максимум для данного сплава. С увеличением времени перемешивания степень усвоения дисперсных частиц ухудшается по экспоненциальной зависимости, первоначально усвоенные частицы в дальнейшем частично выводятся из расплава. Поэтому в производственных условиях рекомендуется не делать перемешивание непрерывным, а периодически возобновлять его перед отбором порций композита из печи.
Сложную проблему введения в расплав алюминия частиц, имеющих нано-метрические размеры, удалось решить методом СИНТАЛКО [46]. Материал получают плазменной инжекцией в матричный расплав частиц металлов, в которые предварительно введены частицы керамики нанометрических размеров. Попадая в матричный расплав, металлические частицы-носители растворяются в матричном расплаве, освобождая дисперсные частицы керамики. Благодаря перемешиванию матричного расплава в процессе синтеза бегущим магнитным полем частицы керамики равномерно распределяются по объему матричного расплава. Это обусловливает высокое качество материала по пористости и оксидным включениям, возможность переплава материала без потери свойств и использования в производстве изделий всех известных технологий литья и последующей обработки.
Известен способ получения сплава на основе алюминия [8], где в качестве добавки используют оксид металла, вводимый в виде мелкодисперсного порошка с размером частиц от 0,001 до 0,1 мкм в количестве 1-15 %, разогретый до температуры, превышающей температуру расплава основы.
В 1986 г. американская фирма запатентовала металлургический метод получения слитков ЛКМ на основе алюминиевых сплавов, армированных дискретными частицами SiC в количестве 10,15 и 20 об.%. Полученный материал, названный Duralcan , поставляется в виде чушковой шихты (чушки массой 14 кг с надрезом) для литейного производства литых заготовок и экструзии [26]. После переплава и затвердевания заданные свойства ЛКМ сохраняются, поскольку характер распределения SiC в металлической матрице практически не изменяется. Отливки из этого ЛКМ можно получать практически любым способом литья, они отличаются высокими физико-механическими свойствами благодаря сочетанию жесткости, прочности и износоустойчивости SiC, жидко-текучести и вязкости алюминиевой основы. Материал сохраняет легкость и коррозиеустойчивость алюминия. Замешивание в алюминиевый расплав дискретных частиц SiC с полным смачиванием последних является основной операцией в создании ЛКМ, сохраняющего структуру и свойства при неоднократных переплавах, и представляет собой сложную техническую задачу, решенную в фирменной технологии.
Литые композиционные материалы на алюминиевой основе получают двумя способами: интенсивным замешиванием в расплав порошков и волокон тугоплавких металлов, оксидов, карбидов, нитридов и т.п. в интервале температур между ликвидусом и солидусом (вортекс-процесс); вдуванием их в расплав с помощью плазменной струи аргона или другого инертного газа. Проблемы теории и практики получения композитов вортекс-процессом рассмотрены в работах [27,28], в них также освещен опыт разработки и внедрения в производство композитов «Алтик», «Алграф», «Алкор» [29].
Измерение коэффициента термического расширения
Первые ЛКМ появились в 1960-1970-е гг. в США для износостойких деталей машин. Сегодня эти детали работают в условиях высоких температур в аэрокосмических аппаратах, автомобилях, тракторах, а также в корпусах компьютеров [67].
Для корпусов электронных приборов предложен материал типа Al-SiC (частицы), полученный беспрессовой инфильтрацией (Praimex-процесс), который по сравнению с обычными алюминиевыми сплавами имеет значительно меньший коэффициент терморасширения и заметно больший модуль упругости, при небольшом различии в плотности и теплопроводности [4].
Положительные результаты эксплуатации подшипников скольжения из ЛКМ (сплав на основе Си - стальные гранулы) на металлургическом комбинате позволяют рекомендовать разработанный материал к широкому применению в различных областях промышленности [54].
Разработаны техпроцессы литья в сухие песчано-глинистые формы, в кокиль, жидкой штамповкой и под давлением [6]. Они реализованы для производства крышек роторно-поршневых двигателей (В-124 + 5%SiC) на ВАЗе, подшипников скольжения, вкладышей распределительных валов (АЛ25 + 4% SiC) для тракторных двигателей.
Приводится пример [20] получения металломатричного шатуна для двигателя внутреннего сгорания на основе алюминиевого сплава. В качестве матрицы использовали сплавы АЛ23 и АЛ9В, армированные волокнами 0 0,15 мм из стали ВНС-9.
Рост требований к точности металлорежущего оборудования ставит задачи успешного выполнения точностных параметров станка, зависящие от корпусных (базовых) деталей - станины, стоек, столов, траверс и др., на долю которых приходится 80...85 % массы станка. Эти детали должны обладать высокой жесткостью, износостойкостью, точностью геометрических размеров, демпфирующей способностью и нормируемой шероховатостью. Одновременно всеми этими свойствами не может обладать ни одна чугунная монолитная деталь. Из композиционных отливок была изготовлена [68] стойка горизонтально-расточного станка мод. 2А622Ф4 112120 с дискретными направляющими. Масса отливки - 2470 кг, приведенная толщина направляющих - 21 мм, материал -чугун СЧ25. Эффективность изготовления характеризуется снижением массы изделия на 15...20 %; снижением расхода легирующих материалов на 85...90 %; отсутствием брака по твердости, микроструктуре, газовым и песчаным раковинам; повышением виброустойчивости изделия и износостойкости направляющих.
Как ресурсосберегающую технологию получения ЛКМ авторы [69] предлагают считать замену дорогостоящих меди и олова на легкие сплавы алюминия и магния с добавками 2...5% карбида кремния, вводимых в ММ способом жидкофазного совмещения в виде частиц размером 3 и 28 мкм. Полученный материал на основе силумина с 2,5 % частиц SiC размером 3 мкм с кристаллизацией под давлением был использован для изготовления подшипников скольжения и вкладышей распредвалов тракторных двигателей. Несущая способность увеличилась до 110... 120 МПа, произведение нагрузки на скорость составило МПа м/с, коэффициент трения 0,02, температура в зоне контакта 90 С, пара имеет минимальный износ.
В работе [70] приведена технология получения биметаллического поршня двигателя внутреннего сгорания с использованием вкладыша из дисперсно-упрочненного композиционного материала системы АІ-АІ2О3-АЦС3. Предварительно нагретый вкладыш устанавливался в нагретую оснастку, затем производили заливку сплавом АЛ25 при температуре 720...750 С, после этого вставку впрессовывали в расплав. Испытания на прочность подтвердили правильность выбранной технологии. В работе [6] показан пример эффективного локального армирования Ti-отливок, изготовленных литьем по выплавляемым моделям (разработка фирм Hownet и General Electric Aircraft Engines, США). Композитная вставка (KB) с высокой долей волокон SiC получена из плазменно-напыленного полуфабриката. Две KB (6,6 % от массы детали) позволили достичь необходимой прочности и жесткости передней и задней кромок лопасти и сохранить конкурентноспособность изделия по себестоимости, несмотря на то, что стоимость KB составила 57 % общей стоимости детали (стоимость остального сплава - лишь 6 %).
Как пример отечественной разработки можно привести изготовление шатуна двигателя внутреннего сгорания методом жидкой штамповки. KB изготавливали намоткой сталь-А1-жгута на специальную оправку с последующей ее пропиткой А1-расплавом. Армирующим волокном служила высокопрочная сталь ВНС-9. Другой пример - использование ЛКМ для изготовления тормозных дисков автомобиля и других деталей, подверженных при работе интенсивному износу с одновременным снижением их массы в 2,5-3,0 раза. Использование центробежного литья для деталей типа зубчатых колес из ЛКМ позволит решить проблему их износа и облегчить механообработку внутренней области заготовки, свободной от частиц.
Определение параметров распределения дисперсных частиц в матрице и их влияние на прочность литейных композиционных материалов
Образец изготавливался с плоско-параллельными плоскостями. Размер плоскости образца удовлетворял условию, чтобы расстояние от центра отпечатка до края плоскости образца было не менее 2,5d, где d — диаметр отпечатка. Минимальная толщина образца соответствовала условию, что она должна быть нв = — =не менее 10-кратной глубины отпечатка. Для точного измерения диаметра отпечатка рабочую поверхность образца зачищали на шлифовальном круге. Отпечаток измеряли с помощью измерительной лупы в двух взаимно перпендикулярных направлениях, диаметр отпечатка определяли как среднее арифметическое двух измерений. Для определения твердости использовали прибор ТШ-2. Правильность показаний твердомера проверяли с помощью стальных планок с известной твердостью.
Порядок работы следующий: подготовить образцы к испытанию; выбрать диаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой; закрепить шариковый наконечник в шпинделе установочным винтом; поместить на подвеску требуемое для испытания количество грузов; установить упор на нужную продолжительность выдержки и закрепить стопорным винтом; установить на столик испытуемый образец и вращением маховика поднять его к шариковому наконечнику, оказывая на образец временную нагрузку примерно 100 кг, нагрузка должна быть приложена в направлении, перпендикулярном к плоскости образца; нажать на пусковую кнопку, приводя в движение электродвигатель и передавая нагрузку на образец. После окончания испытания опустить столик, снять образец и измерить диаметр отпечатка в двух взаимно перпендикулярных направлениях при помощи измерительной лупы.
Диаметр отпечатка измеряли с точностью до 0,05 мм при испытаниях шариками 10 и 5 мм и, с точностью до 0,01 мм при испытаниях шариком диаметром 2,5 мм. По диаметру отпечатка в таблицах находили число твердости НВ. Количество образцов для каждой точки не менее 5. Измерения твердости оказались достаточно стабильным параметром, среднеквадратичное отклонение которого составляло не более 2 %.
Нагревание металла вызывает непрерывное расширение его и уменьшение плотности, причем плотность изменяется весьма резко при фазовых превращениях. Применяются механические, оптические и электрические дилатометры в зависимости от метода, которым пользуются для увеличения малых изменений длины образца. Простейшим прибором для измерений термического расширения является индикаторный дилатометр. Оптический дилатометр, с повышенной чувствительностью [84], позволяет без особых затруднений определять относительные изменения объема, равные 10"5 — 10"6. Чувствительным элементом дилатометра с катком является каток, зажатый между двумя толкателями [855,86,87].
Многие явления, такие, например, как закалка или скоростной нагрев, не удается изучать с помощью простых дилатометров. В этих случаях применяют специальные рычажные малоинерционные дилатометры. В большинстве таких дилатометров используют проволочные образцы, а для нагрева пропускают электрический ток [88,89].
Дифференциальные дилатометры обеспечивают более высокую чувствительность, например, дифференциальный дилатометр с катками [90,91] или весьма распространенный дилатометр Шевенара [92]. Универсальный дилатометр ДКМ [93] позволяет осуществлять измерения как простым, так и дифференциальным методами. В электрических дилатометрах используются следующие датчики перемещения: емкостные, индуктивные, сопротивления, фотоэлектрические.
Чувствительным элементом емкостного датчика является конденсатор переменной емкости с воздушным диэлектриком, образованный двумя металлическими пластинами [94] или двумя наборами металлических пластин [95]. Одна из пластин или наборов неподвижна, а вторая - подвижна, прикреплена к подвижному концу образца. В дилатометрах с индукционными датчиками продольное расширение образца вызывает перемещение железного сердечника индукционного датчика, выполненного, как правило, по схеме дифференциального трансформатора [96]. Эти дилатометры обладают почти линейной шкалой и большой стабильностью в работе. Чувствительность их может достигать 2 1 О 4.
В дилатометрах с датчиками сопротивления [97] в качестве чувствительных элементов используют проволочные или фольговые тензодатчики. Датчики приклеивают к поверхности стальной упругой пластинки, закрепленной одним концом. При расширении образца толкатель деформирует пластинку, в результате чего вырабатывается соответствующий сигнал.
В фотоэлектрических дилатометрах [98] расширение образца передается через простое рычажное устройство или просто через толкатель к светонепроницаемой шторке, перемещение которой контролирует световой поток, падающий от источника на фотоэлемент. Для определения истинного коэффициента термического расширения в интервале температур нужно проводить графическое или графоаналитическое дифференцирование дилатометрической кривой. Наиболее простыми и удобными методами графического дифференцирования дилатограмм являются метод зеркальной линейки и метод экстраполяции [99]. При вычислении коэффициентов расширения по дифференциальным дилато-граммам следует учитывать влияние расширения эталона.
Измерения образцов ЛКМ проводили на кварцевом дилатометре типа ДКВ-5. Образцы готовили с плоскопараллельными плоскостями. Перед началом измерений образцов определялся ход прибора. Расчет погрешностей измерений проводили по измерениям образца чистого кремния. ТКЛР определяли по формуле
Физико-химические основы процесса взаимодействия на границе раздела фаз компонентов литейных композиционных материалов
Чтобы объяснить процессы, происходящие при формировании ЛКМ, рассмотрим их подробнее. Первоочередной задачей в производстве КМ является обеспечение прочной связи между материалами матрицы и упрочняющей фазой [136,137,138,139] для осуществления эффективной системы перераспределения напряжений. Наполнители в виде волокон или порошков могут быть упрочняющей фазой только при высокой межфазной адгезии [135,140]. Прочность сцепления ( тсц) взаимодействующих материалов можно представить как: где ахим; амех; стван-дер-ваальса - силы связи химического и механического взаимодействий, силы Ван-дер-Ваальса.
Силы химического взаимодействия между атомами материалов матрицы и упрочняющей фазы, обусловливающие прочность сцепления между ними ахим являются наиболее прочными (до 10 Дж/моль) и желательными при организации процесса формирования материалов и деталей из КМ.
Силы механического зацепления амех материала матрицы за микро - и макронеровности поверхности частиц упрочняющей фазы по своей физической природе не могут достигать большей величины, а также не стабильны при существующих методах изготовления дисперсных фаз (упрочняющих частиц) из оксидов алюминия и кремния. В настоящее время во многих способах изготовления КМ приходится использовать силы механического зацепления, но дальнейшее развитие технологий в этой области по многим причинам требует добиваться условий для большего развития сил химического взаимодействия.
Прочность сцепления за счет Ван-дер-Ваальсовых сил связей всегда присутствует при создании композиций. Силы Ван-дер-Ваальса могут достигать значительной величины (до 103 Дж/моль) и быть «ответственными» за прочность сцепления материалов матрицы и упрочнителя. Это следует из рассмотрения природы сил Ван-дер-Ваальса. В общем случае при сближении двух молекул могут возникать три вида связей. Тогда электрическая энергия иэл складывается из энергии дисперсионного ид, ориентационного иор и индукционного взаимодействия.
В реальных твердых телах каждая из возможных связей в чистом виде почти никогда не встречается, всегда имеется наложение двух или более типов связи. Одна из них имеет, как правило, превалирующее значение, определяя структуру и свойства тела.
Очевидно, что при контакте двух разнородных поверхностей поверхностные силы, ответственные за связь, в конечном счете определяются химическим строением поверхностей контактирующих тел. Адгезия определяется видом и силой взаимодействия молекул или функциональных групп, имеющихся на контактирующих поверхностях, причем связь между ними может быть либо Ван-дер-Ваальсовой, либо химической.
В кристаллах, где связи носят почти полностью ионный, валентный или механический характер, действуют также силы Ван-дер-Ваальса, энергия которых может достигать 20 % от полной энергии связи.
Максимально возможная прочность сцепления амах достигается в том случае, когда по всей поверхности физического контакта между атомами материалов матрицы и упрочнителя будут проявляться силы химического взаимодействия. Кроме того, площадь физического контакта должна быть также максимальна, т.е. N0 / N D = 1, где No и Ыф - количество атомов в поверхностном слое и количество атомов, вступивших в физический контакт. Количество атомов, образовавших связи Nc, должно быть равно No, т.е. Nc / No=1 и, соответственно, Nc / N j =l. Это означает, что все атомы поверхностного слоя со стороны матрицы и упрочнителя вступили в физический контакт и образовали химические связи.
Как известно, образование межатомных связей происходит на активных центрах, которыми могут являться атомы поверхностного слоя со свободными связями. Значит, необходимо иметь свободные связи для каждого атома по всей площади физического контакта со стороны материалов матрицы и упрочнителя. Поскольку энергия химических связей по порядку величин равна 1/4:1/2 эВ на связь, то самая простая оценка даёт возможность посчитать, к примеру, что для трехмерного кристалла с количеством связей от четырёх до шести энергия образования одной вакансии равна 2-3 эВ.
Энергия активации, необходимая атомам поверхностного слоя для образования свободных связей, может быть сообщена предварительно или в процессе создания ЛКМ, а также после него самыми различными способами: механической и термической активацией, электрическими разрядами и многими другими приёмами и их комбинациями.
Энергия взаимодействия UB3, необходимая для образования химического взаимодействия, должна состоять из энергии, затрачиваемой на сближение атомов соединяемых материалов до их физического контакта ифИЗ, и энергии активации процесса разрушения связей Ua для атомов материалов матрицы и упрочнителя. Поэтому основным условием для полного химического взаимодействия по всей контактной поверхности (Nc / N t = Nc / No = 1) будет выполнение равенства энергии, подводимой в процессе соединения материалов, т.е. UB3 = Ифиз + Ua. Сложным моментом является определение энергии, необходимой для установления физического контакта ифиз между атомами соединяемых материалов. Эта сложность объясняется, в первую очередь, тем, что на контактных поверхностях всегда присутствуют хемосорбированные и адсорбированные слои (рисунок 4.8), которые препятствуют физическому контакту соединяемых атомов. Для того чтобы определить энергию, необходимую для установления физического контакта ифИЗ, надо знать толщину и химический состав хемосорби-рованного и адсорбированного слоев, энергию активации процесса разрушения межатомных или молекулярных связей адсорбированного U0.MC и хемосорбиро-ванного ио.хем слоев, их механизм разрушения. Если рассматривать механизм разрушения этих слоев на микроуровне (отделение одного атома за другим или одной молекулы за другой), то необходимую энергию для образования физического контакта можно выразить как ифиз = ио.хем NxeM + U0. адс Nwc, где NxeM , Naac - количество атомов или молекул в хемосорбированном или адсорбированном слоях.
Реально механизм разрушения происходит как на указанном микроуровне, так и на макроуровне. Макроуровень предусматривает удаление с контактной поверхности макрообъемов. Для хемосорбированного слоя из оксидов превалирует хрупкий механизм разрушения, появляются трещины, сколы. Поэтому энергия активации процесса разрушения в этом случае должна рассчитываться для атомов, находящихся на поверхности трещин и слоев, а значит, её величина будет значительно меньше, чем в случае расчета разрушения на микроуровне.
