Расчетная оценка прочности слоистых интерметаллидных композитов (СИК) системы «Магний алюминий»*

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 791:621. 771
В. Г. Шморгун — д-р техн. наук, Ю. П. Трыков — д-р техн. наук,
Д. С. Самарский — инженер, А. И. Богданов — аспирант
РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ СЛОИСТЫХ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ КОМПОЗИТОВ (СИК)
СИСТЕМЫ «МАГНИЙ — АЛЮМИНИЙ"*
Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: mv@vstu. ru)
Косвенным методом произведена оценка прочности интерметаллидной прослойки, сформированной при нагреве слоистого магниево-алюминиевого композита. Определены значения ее минимальной и критической объемной доли в составе СИК.
Ключевые слова: магний, алюминий, интерметаллид, прочность, твердость, слоистый композит.
The strength valuation of the intermetallic layer forming by the layered magnesium-aluminum composite material heating is carried out by indirect method. Values of its minimum and critical volume fraction in structure of LIC are determined.
Keywords: magnesium, aluminum, intermetallic, strength, hardness, layered composite material.
В последнее время активно разрабатываются комплексные технологии изготовления СИК, обладающих уникальным сочетанием теплофизических и жаропрочных свойств [1−2]. Создание СИК оказалось возможным в результате практической реализации накопленного Волгоградским государственным техническим университетом научного и технологического задела в области использования сварки взрывом в сочетании с различного вида термообработками и обработкой давлением для получения биметаллических и многослойных соединений и материалов из „трудносвариваемых“ между собой металлов и сплавов.
При получении слоистых интерметаллид-ных композитов в результате нагрева на конечном этапе комплексного технологического процесса между разнородными слоями слоистого композита проходят диффузионные процессы [2]. Зона взаимодействия имеет отличные от составляющих структуру и свойства, а толщина определяется температурой и временем нагрева. Прогноз об образующихся между металлами фазах позволяют сделать равновесные диаграммы состояния. Однако судить о свойствах диффузионной зоны не всегда представляется возможным.
Известно [3], что если составляющие трехслойной композиции А+В+С достаточно пластичны, то прочность, равномерная деформация, относительное удлинение при осевом про-
дольном нагружении могут определяться по правилу аддитивности
= ОаУа + ОвVв + OcVa
(1)
где аа& gt-, ов, ос — соответственно пределы прочности слоев А, В и С- Vа, Vв, Vс — объемная доля слоев А, В и С. Уравнение позволяет оценить прочность композиции, если составляющие деформируются пластично вплоть до полного разрушения. Если одна из составляющих тройной системы хрупкая, прочность композита можно оценить по уравнению
Ок = СУ + + оУ (2)
где оа и ов — напряжения в мягких составляющих при деформации разрушения реакционной зоны (предел текучести) [4]. Графически это уравнение в координатах „свойства — объемная доля“ можно представить в виде поверхности из двух пересекающихся плоскостей (рис. 1) [5].
Как видно из рис. 1, имеется такое объемное содержание твердой хрупкой составляющей (Ут-Д которая может приводить к падению прочностных свойств композита, и критическое содержание твердой составляющей (Ускр), при котором прочность композита соответствует прочности мягких слоев.
Для установления У°тт необходимо решить совместно два уравнения:
Га = а'-У + а'-У
-а'-У»
= а V
а а
аУ"
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (08−08−56) и проекта 2.1. 2/573 целевой программы Рособразования «Развитие научного потенциала
При Vc = Vcmin получим
-аА)VA + (а в -аВ)VB
Vе. =-
min
высшей школы».
Vc
(3)
О
к
Из уравнения (4) следует, что чем выше прочность диффузионной интерметаллидной зоны, тем меньше ее минимальная объемная доля и больше эффективность упрочнения композита. Поведение таких композитов при нагружении зависит от толщины и равномерности интерметаллидных слоев, их однородности по структуре и свойствам.
а вместо Уинт подставив Уш
Рис. 1. Изменение прочности трехслойной композиции в зависимости от объемной доли составляющих, одна из которых хрупкая
При сравнительно малом объемном наполнении интерметаллидами наблюдается перегрузка интерметаллидных прослоек и их разрушение, а основные (металлические) слои еще не разрушаются и несут основную нагрузку. В этом случае прочность СИК (по аналогии с волокнистыми КМ [5]) можно определить из уравнения
аС
= аМА2−1(АМг6)УМА2−1(АМг6) =
= аМА 2−1(АМг6) — аМА 2−1(АМг6)Уинт.
(5)
= а
_/
МА 2−1(АМг 6)
(1 — у) + а У
V инт / инт инт '
(6)
а
МА 2−1(АМг 6)
(1 — V™) =
= а
_/
МА2 -1(АМг 6)
(1 — у.) + а У
V шт / инт г
откуда
У. =-
Ш1П
аМА2−1(АМг 6) аМА 2−1(АМг 6)
нт + аМА2−1(АМг 6) — аМА 2−1(АМг 6)
(7)
(8)
Значение УШ1П можно установить и графически (рис. 3−4).
Анализ уравнения (8) и представленных на рис. 3 и 4 графиков показывает, что чем выше прочность интерметаллидной прослойки, тем меньше их перегрузка и меньше УШ1П.
Использовать СИК имеет смысл тогда, когда его прочность выше прочности основных слоев. Объемную долю интерметаллидов, при которой прочность СИК равна прочности основных слоев, можно назвать критической.
Значение Укр можно определить из уравнения (6), приравняв
Осик ОМА2- 1(АМг6) при Уинт Укр
а МА 2−1(АМг 6) = аСи (Ст)
(1 — Укр) + аинтУкр ,
(9)
откуда
У =
кр
а МА 2−1(АМг 6) аМА2−1(АМг 6)
аинт аМА2−1(АМг 6)
(10)
Его анализ показывает, что при перегрузке интерметаллидных прослоек прочность СИК становится ниже прочности основных слоев. Минимальную объемную долю интерметалли-дов УШ1П, при превышении которой не наблюдается потеря их несущей способности, можно установить, приравняв уравнения (5) и (6):
Из этой формулы следует, что чем больше разница в прочности между интерметаллидной прослойкой и основными слоями, тем меньше Укр и больше эффективность использования СИК.
Использование экспериментальных данных работы [6] по температурной зависимости микротвердости структурных и фазовых составляющих в системе «магний — алюминий» (рис. 2 и таблица) позволило установить соотношение между прочностью и твердостью основных металлов в этой системе и косвенным методом оценить прочность интерметаллидной прослойки, сформированной при нагреве слоистого магниево-алюминиевого композита до 400 °C, при температурах 200 и 300 °C (рис. 3, 4).
Расчет ожидаемой прочности магниево-алюминиевых СИК, выполненный по уравнению (2), позволил установить следующее (рис. 3, 4). Использование СИК системы «АМг6-интерметал-лид» нерационально, так как их прочность при объемном наполнение интерметаллидами менее 65% (при 200 °С) и 84% (при 300 °С) ниже прочности АМг6. Для обеспечения высоких прочностных свойств СИК системы «МА2−1 -интерметаллид» объемное наполнение интер-металлидами при 200 °C должно быть не менее 42%, а при 300 °C — не менее 30%.
Микротвердость фаз системы «А1 — М§» [4]
Содержание М§, вес. % Микроструктура Микротвердость фаз, МПа
А1 а Р У эвтектика 8+у 8 Mg
0 А1 260 — - - - - -
5 а — 600 — - - - -
35 Р+ а — 1530 2460 3000 — - -
36 (АІ8М^)Р — - 2200 — - - -
37,5 (А2)Р — - 2400 — - - -
38,9 У+Р — - 2240 2300 — - -
41,3 У+Р — - 2300 2280 — - -
45 У+Р — - 2200 — - - -
46 У+Р — - 2260 2260 — - -
47,5 (A1Mg)а+ в — - 2450 — - - -
48 у+Р (в незнач. кол. -ве) — - 2150 2320 — - -
49 У — - - 2280 — - -
50 У — - - 2260 — - -
52 У — - - 2300 — - -
54,5 (A1зMg4)Y — - - 2260 — - -
55 У — - - 2300 — - -
56 Y (Al2Mgз) — - - 2260 — - -
57,5 У — - - 2260 — - -
58 у+эвтектика (у+8) — - - 2300 1090 — -
60 у+эвтектика (у+8) — - - 2200 — - -
62,5 у+эвтектика (у+8) — - - 2200 — - -
68 эвтектика (у+8) — - - - 1630 — -
95 8 + следы у — - - - - 510 —
100 Mg — - - - - - 350
слоистых интерметаллидных композитов системы «магний — алюминий», обладающих требуемыми жаропрочными свойствами, на первом этапе необходимо расчетно-экспериментальным путем оценить прочность интерметал-лидной прослойки, пределы текучести основных слоев в заданном температурном интервале, рассчитать минимальную и критическую объемную долю интерметаллидов. Далее, исходя из полученных значений Утт, Укр и данных по кинетике роста интерметаллидной прослойки, оценить режим диффузионного отжига для получения интерметаллидной прослойки требуемой толщины и соотношение основных и интерметаллидных слоев в составе СИК. Заключительный этап должен включать в себя разработку технологии сварки взрывом и обработки давлением, обеспечивающей заданные
2500
2000
я
с
1500
«1000 ва
500
1 вердосгь — -фаіьі- -О- Твердость Р -фа1Ы* Ммкро інс|мосіь /-фа І1. І
. -й-. ІІІ кро шерде юьР -фаіьі



О 100 200 300 400 500
Температура, °С
Рис. 2. Температурная зависимость твердости и микротвердости интерметаллидных фаз в системе «А1-^» [4]
Таким образом, при разработке комплексного технологического процесса получения
Рис. 3. Теоретическая зависимость прочности СИК состава Рис. 4. Теоретическая зависимость прочности СИК состава АМг6-интерметаллид-МА2−1 от объемной доли интерметал- АМг6-интерметаллид-МА2−1 от объемной доли интерметал-лидной прослойки при температуре 200 °C лидной прослойки при температуре 300 °С
геометрические размеры композита с минимальным уровнем физической и химической неоднородности на межслойных границах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Трыков, Ю. П. Композиционные переходники / Ю. П. Трыков, Л. М. Гуревич, Д. В. Проничев- ВолгГТУ. -Волгоград, 2007. — 329 с.
2. Трыков, Ю. П. Диффузия в слоистых композитах / Ю. П. Трыков, Л. М. Гуревич, В. Н. Арисова- ВолгГТУ. -Волгоград, 2006. — 403 с.
3. Пашков, П. О. Исследование механических свойств слоистых композиционных материалов, имеющих совме-
стную термическую обработку / П. О. Пашков, Б. Г. Пек-темиров, А. П. Ярошенко // Проблемы прочности. — 1980. -№ 3. — С. 62−64.
4. Трыков, Ю. П. О влиянии поверхности раздела на прочность слойного композита / Ю. П. Трыков, Н. Н. Ку-расова, Б. Г. Пектемиров, А. И. Еловенко, А. П. Ярошенко // Металловедение и прочность материалов: межвуз. сб. науч. тр. / ВолгПИ. — Волгоград, 1989. — С. 92−97.
5. Ярошенко, А. П. Металлические композиционные материалы / А. П. Ярошенко, А. Ф. Трудов: ВолгГТУ: учеб. пособие. — Волгоград, 1998. — 68 с.
6. Савицкий, Е. М. Влияние температуры на механические свойства металлов и сплавов / Е. М. Савицкий. -М.: АН СССР. — 1957. — 294 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой