Композиционные материалы. 
Материаловедение в машиностроении

Композиционные материалы (композиты) представляют собой гетерогенные, т. е. неоднородные системы, состоящие из двух или более фаз-компонентов, причем каждый из компонентов сохраняет свои свойства.

Один из компонентов является матрицей, т. е. создает целостный материал. Второй является армирующим (усиливающим). По виду армирующего материала композиты делятся на две основные группы: дисперсно-упрочненные и волокнистые (см. 1.6).

Композиты имеют свойства, которыми не обладают его компоненты. Варьируя количеством упрочняющей фазы, ее распределением в матрице, можно создавать, т. е. конструировать, материалы (или непосредственно детали) с заранее заданными характеристиками для определенных условий эксплуатации.

Дисперсно-упрочненные композиты

Структура дисперсно-упрочненного композиционного материала представляет собой металлическую матрицу, в которой равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго компонента. Упрочнение таких материалов осуществляется за счет создания барьеров перемещению дислокаций, аналогично тому, как это происходит в металлических сплавах с дисперсионным твердением. Наиболее сильное торможение перемещению дислокаций достигается при использовании в качестве второй, упрочняющей, фазы частиц химических соединений — карбидов, нитридов, боридов, оксидов, обладающих высокими значениями твердости, прочности, а также высокой химической устойчивостью.

Для эффективного торможения дислокаций суммарная поверхность дисперсных частиц должна быть максимальной, а их размеры минимальными (по не менее 2…10 им, так как при меньших размерах частицы перерезаются движущимися дислокациями, а не задерживают их), т. е. частицы упрочняющей фазы малы в трех измерениях.

Наиболее распространенная технология получения дисперсно-упрочненного композита — порошковая металлургия. Основными технологическими процессами являются получение порошковых смесей, прессование порошков с последующим спеканием и пластическая деформация полученной массы. В процессе пластической деформации повышается плотность и уменьшается пористость композита.

В промышленности применяются композиты с матрицами из алюминия, магния, титана, никеля, вольфрама и др.

Композиты на основе алюминия типа САП (спеченный алюминиевый порошок) нашли широкое применение, в частности, в авиационной промышленности. В этих композитах алюминиевая матрица упрочнена оксидными частицами А12O3. Свойства композита зависят от количества А12O3 Так, предел прочности композита САП-1 (6…9% Al2O3) составляет 300 МПа, а композита САП-3 (13…18% А12O3) — 400 МПа.

При цеховой температуре механические свойства САПов ниже, чем у алюминиевых сплавов. Их основное преимущество проявляется при температурах свыше 300 °C, когда алюминиевые сплавы разупрочняются. Так, при 500 °C предел прочности сплавов САП составляет 80…120 МПа, тогда как у сплавов Д19, Д20, АК-4 не превышает 5 МПа.

Композиты на основе бериллия предназначены для длительной работы при высоких температурах. В качестве упрочнителя матрицы используют оксид или карбид бериллия — ВеО, Ве2С. Наиболее эффективно сопротивление ползучести повышается для композитов системы «Ве — Ве2С». Так, при температуре 650 °C 100-часовая прочность композита выше прочности чистого бериллия в 3 раза (40 и 14 МПа соответственно), а при температуре 730 °C — более чем в 6 раз (25 и 4 МПа соответственно).

Композиты на основе магния. Незначительная растворимость кислорода в магнии дает возможность упрочнять магний его оксидами. Наибольший эффект наблюдается при введении около 1% оксида, при этом предел прочности достигает 300 МПа, тогда как предел прочности магния составляет 180 МПа. Такие композиты обладают низкой плотностью, высокой длительной прочностью и высоким сопротивлением ползучести. Наиболее перспективно их применение в авиации для изготовления деталей, от которых требуется сочетание высокой прочности и малой массы.

Композиты на основе никеля и кобальта предназначены для эксплуатации при высоких температурах — свыше 1000 °C. Упрочнение достигается за счет введения оксидов тория или гафния в количестве 2…4%. Матрицы этих композитов могут состоять из чистых металлов или сплавов на их основе. Так, в качестве матрицы нашел применение нихром (80% Ni, 20% Cr), а также сплав кобальта с цирконием (2%). Легирование цирконием кобальтовой матрицы приводит к повышению механических свойств во всем диапазоне температур, однако при этом заметно снижается пластичность материала. Пределы прочности композитов при температуре 600 °C составляют 200…450 МПа (прочность, соизмеримая с прочностью среднеуглеродистых сталей при температуре цеха), при 1100 °C — 100…150 МПа. Основное применение композитов — авиационная и космическая техника.