Введение к работе
Актуальность работы. Технический прогресс последних десятилетий требует создания новых нетрадициончых конструкционных материалов. Несомненный интерес в этом отношении представляют волокнистые композиты с металлическими матрицами (ВКМ) из лерких сплавов, упрочненные непрерывными волокнами бора, карбида кремния или сапфира. Свойства ВКМ во многом определяются строением межфазной поверхности раздела волокно-матрица, которая должна обеспечивать достаточную связь компонентов для эффективной передачи нагрузки между матрицей и волокчами, не вызывая при этом деградации волокон. Получение оптимальной структуры поверхности раздела является главной проблемой, препятствующей широкому применению ВКМ. Строение межфазных границ зависит от метода получения ВКМ, определяющего физико-химические процессы взаимодействия коьтгонентов композита и его конечную структуру. Известно, что использовани; эффекта сверхпластичности при компактировании ВКМ улучшает структуру композитов, но механизм этого еще до конца не ясен. С другой стороны, исследования последних лет показали, что сверхпластическая деформация (СПД) положительно влияет на твердофазное соединение металлических материалов. Вал ную роль при этом играют механизмы сверхпластической деформации и, в частности, кооперированное зернограничное проскальзывание (КЗГП), которое способствует первичному схватыванию в зоне контакта. Это позволяет ожидать суще :твенное влияние деформационных процессов на соединение как матричны; слоев, так и волокна с матрицей. Однако, условия деформации матрицы в > жих (около 20 мкм) межволоконных зазорах могут существенно отличаться от обычного материала из-за влияния "масштабного фактора", недавно установлен шго для сверхпластичных материалов. Например, СП может отсутствовать, если -олщина образца в сечении менее 10 размеров зерен. Последнее обстоятельство может отразиться на межфазном взаимодействии волокно-матрица. Вопросы :пецифики пластической и сверхпластической деформации в стесненных условиях и ее влияние на межфазное взаимодействие компонентов в ВКМ ранее не исследовались.
Цель работы. На примере борал.оминиевого композита установить закономерности протекания различных пр щессов пластической деформации в межволоконном пространстве и их влияние на твердофазное соединение волокна
с матрицей.
В работе были поставлены следующие задачи:
1. Изучение кинетики гетерофазно'0 взаимодействия борного волокна с
алюминием без влияния процессов дефор лации.
2. Исследовать деформационное поведение крупнозернистых и
мелкозернистых матриц в присутствии жестких волокон.
3. Установить особенности гетеро разного взаимодействия матрицы с
волокном под влиянием процессов дефор) іации в матрице.
4. Исследование зависимости прочности волокон и прочности поверхности
раздела матрица-волокно от типа и размеров продуктов межфазной реакции на
поверхности раздела. \
Для достижения поставленной и;ли был выбран боралюминиевый композит, так как сверхпластическое поведение алюминиевых сплавов уже достаточно хорошо изучено и сам композит находит практическое применение. В качестве матриц были использованы алюминиевые сплавы АМгб, АВ и А5.
Научная новизна. Впервые были пол; чены закономерности формирования гетерофазного соединения борное волокно-алюминий на ранних стадиях взаимодействия в условиях изотермическо) о отжига. Обнаружены два механизма образования боридов алюминия: а) путем прямого взаимодействия алюминия с материалом волокна; б) по двухступенчато і реакции восстановления мелкокристаллического бора из естественной оксидн* й пленки на волокне с последующим синтезом дисперсных боридов. Экспериме ітально была показана активная роль окисной пленки на волокне в образовании боридов. Бориды, образовавшиеся разными способами классифицированы на разупрочняющие волокна и не приводящие к деградации волокон.
Показано, что в присутствии жестких волокон, СПД матрицы локализуется в полосах кооперированного ЗГП, ориентиі ованных вдоль волокон, при наличии 10 и более зерен в направлении сдвига. Вблизи волокна КЗГП затрудняется и к нему подключается внутризеренное дислокационное скольжение (ВДС).
Установлены закономерности формирования межфазной поверхности раздела в ВКМ, получаемых горячим прессованием с использованием эффекта СП. Было показано, что формирование межфазной структуры в ВКМ при контакте разнородных материалов непосредственно связано с локализацией
5 деформации матричного материала. Установлено, что в местах выхода на контактнуюповерхностьполосКЗГП.происходитпервичноесхватываниеборного . волокна с матрицей с образованием дисперсных боридов на ранних стадиях взаимодействия, и их последующим переходом в грубые бориды, приводящих к разупрочнению волокон. В случае выхода і а контактную поверхность полос ВДС наблюдается менее интенсивная меж.'разная реакция, и только после дополнительных отжигов.
Установлена связь между харак геристиками поверхности раздела, прочностью связи матрица-волокно и параметрами акустической эмиссии (АЭ), что позволило использовать этот метод длл неразрушающей оценки межфазной структуры в композите.
Научная и практическая значимость. Полученные лпнные о влиянии различных видов деформации на межфазное взаимодействие углубляют представления о закономерностях и роли локализованной деформации в процессах твердофазного соединения разнородных материалов.
Определены критерии оптимальной структуры поверхности раздела, обеспечивающие наилучшие свойства композита. Результаты работы позволяют найти подход к управлению свойствами ВКМ через подготовку структуры матрицы и режимы деформирования.
Разработанная методика оценки структуры поверхности раздела' по
сигналам акустической эмиссии (АЭ) дает возможность неразрушаюшего
контроля готовых изделий из ВКМ. . '
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 1 -ой Московской международной конференции по композитам (Москва, 1990), 7-ой Межотраслевой НТК "Проблемы создания конструкций из композиционных материалов и их внедрение в практику совершенствования образцов новой техники" (Миасс, 1992), 2-ой Московской международной конференции по композитам (Москва, 1994).
Публикации. Материал диссертационной работы отражен в 7 отечественных и зарубежных публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 195 наименований. Диссертация изложена на 43t страницах машинописного текста, содержит 43 иллюстрации и 8 таблиц.
