О характере влияния границ раздела компонентов на прочность волокнистого композита медь-ниобий-титан
Приведены закономерности изменения механических характеристик волокнистого композиционного материала на основе меди и медных сплавов, армированных волокнами из ниобий-титанового сплава, в зависимости от состояния границ раздела его компонентов при различных деформационных и термических режимах об...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Datum: | 2001 |
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2001
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46696 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | О характере влияния границ раздела компонентов на прочность волокнистого композита медь-ниобий-титан / В.3. Спусканюк, Н.И. Матросов, А.Б. Дугадко, Е.А. Павловская, Л.Ф. Сенникова, Б.А. Шевченко // Проблемы прочности. — 2001. — № 5. — С. 94-100. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46696 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Спусканюк, В.З. Матросов, Н.И. Дугадко, А.Б. Павловская, Е.А. Сенникова, Л.Ф. Шевченко, Б.А. 2013-07-06T07:40:38Z 2013-07-06T07:40:38Z 2001 О характере влияния границ раздела компонентов на прочность волокнистого композита медь-ниобий-титан / В.3. Спусканюк, Н.И. Матросов, А.Б. Дугадко, Е.А. Павловская, Л.Ф. Сенникова, Б.А. Шевченко // Проблемы прочности. — 2001. — № 5. — С. 94-100. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46696 539.4 Приведены закономерности изменения механических характеристик волокнистого композиционного материала на основе меди и медных сплавов, армированных волокнами из ниобий-титанового сплава, в зависимости от состояния границ раздела его компонентов при различных деформационных и термических режимах обработки. Наведено закономірності зміни механічних характеристик волокнистого композиційного матеріалу на основі міді та мідних сплавів, що армовані волокнами з ніобій-титанового сплаву, в залежності від стану границь поділу його компонентів за різних деформаційних і термічних режимів обробки. Regularities of variation of the mechanical characteristics of a fibrous composite material on the basis of copper and copper alloys reinforced with fibers of niobium-titanium alloy depending on the states of interface boundaries of its components under various conditions of deformation and thermal treatment are presented ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел О характере влияния границ раздела компонентов на прочность волокнистого композита медь-ниобий-титан Effect of Interface Boundaries of Components on Strength of a Copper-Niobium-Titanium Fibrous Composite Material Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
О характере влияния границ раздела компонентов на прочность волокнистого композита медь-ниобий-титан |
| spellingShingle |
О характере влияния границ раздела компонентов на прочность волокнистого композита медь-ниобий-титан Спусканюк, В.З. Матросов, Н.И. Дугадко, А.Б. Павловская, Е.А. Сенникова, Л.Ф. Шевченко, Б.А. Научно-технический раздел |
| title_short |
О характере влияния границ раздела компонентов на прочность волокнистого композита медь-ниобий-титан |
| title_full |
О характере влияния границ раздела компонентов на прочность волокнистого композита медь-ниобий-титан |
| title_fullStr |
О характере влияния границ раздела компонентов на прочность волокнистого композита медь-ниобий-титан |
| title_full_unstemmed |
О характере влияния границ раздела компонентов на прочность волокнистого композита медь-ниобий-титан |
| title_sort |
о характере влияния границ раздела компонентов на прочность волокнистого композита медь-ниобий-титан |
| author |
Спусканюк, В.З. Матросов, Н.И. Дугадко, А.Б. Павловская, Е.А. Сенникова, Л.Ф. Шевченко, Б.А. |
| author_facet |
Спусканюк, В.З. Матросов, Н.И. Дугадко, А.Б. Павловская, Е.А. Сенникова, Л.Ф. Шевченко, Б.А. |
| topic |
Научно-технический раздел |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| publishDate |
2001 |
| language |
Russian |
| container_title |
Проблемы прочности |
| publisher |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Effect of Interface Boundaries of Components on Strength of a Copper-Niobium-Titanium Fibrous Composite Material |
| description |
Приведены закономерности изменения механических характеристик волокнистого композиционного
материала на основе меди и медных сплавов, армированных волокнами из
ниобий-титанового сплава, в зависимости от состояния границ раздела его компонентов
при различных деформационных и термических режимах обработки.
Наведено закономірності зміни механічних характеристик волокнистого
композиційного матеріалу на основі міді та мідних сплавів, що армовані
волокнами з ніобій-титанового сплаву, в залежності від стану границь
поділу його компонентів за різних деформаційних і термічних режимів
обробки.
Regularities of variation of the mechanical characteristics
of a fibrous composite material on
the basis of copper and copper alloys reinforced
with fibers of niobium-titanium alloy depending
on the states of interface boundaries of its
components under various conditions of deformation
and thermal treatment are presented
|
| issn |
0556-171X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46696 |
| citation_txt |
О характере влияния границ раздела компонентов на прочность волокнистого композита медь-ниобий-титан / В.3. Спусканюк, Н.И. Матросов, А.Б. Дугадко, Е.А. Павловская, Л.Ф. Сенникова, Б.А. Шевченко // Проблемы прочности. — 2001. — № 5. — С. 94-100. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT spuskanûkvz oharakterevliâniâgranicrazdelakomponentovnapročnostʹvoloknistogokompozitamedʹniobiititan AT matrosovni oharakterevliâniâgranicrazdelakomponentovnapročnostʹvoloknistogokompozitamedʹniobiititan AT dugadkoab oharakterevliâniâgranicrazdelakomponentovnapročnostʹvoloknistogokompozitamedʹniobiititan AT pavlovskaâea oharakterevliâniâgranicrazdelakomponentovnapročnostʹvoloknistogokompozitamedʹniobiititan AT sennikovalf oharakterevliâniâgranicrazdelakomponentovnapročnostʹvoloknistogokompozitamedʹniobiititan AT ševčenkoba oharakterevliâniâgranicrazdelakomponentovnapročnostʹvoloknistogokompozitamedʹniobiititan AT spuskanûkvz effectofinterfaceboundariesofcomponentsonstrengthofacopperniobiumtitaniumfibrouscompositematerial AT matrosovni effectofinterfaceboundariesofcomponentsonstrengthofacopperniobiumtitaniumfibrouscompositematerial AT dugadkoab effectofinterfaceboundariesofcomponentsonstrengthofacopperniobiumtitaniumfibrouscompositematerial AT pavlovskaâea effectofinterfaceboundariesofcomponentsonstrengthofacopperniobiumtitaniumfibrouscompositematerial AT sennikovalf effectofinterfaceboundariesofcomponentsonstrengthofacopperniobiumtitaniumfibrouscompositematerial AT ševčenkoba effectofinterfaceboundariesofcomponentsonstrengthofacopperniobiumtitaniumfibrouscompositematerial |
| first_indexed |
2025-11-26T16:05:53Z |
| last_indexed |
2025-11-26T16:05:53Z |
| _version_ |
1850627226124419072 |
| fulltext |
УДК 539.4
О характере влияния границ раздела компонентов на прочность
волокнистого композита медь-ниобий-титан
В. 3. С пусканю к, Н. И. М атросов, А. Б . Д угадко, Е. А. П ав л о в ск ая ,
Л. Ф. С енникова, Б. А. Ш евченко
Донецкий физико-технический институт НАН Украины, Донецк, Украина
Приведены закономерности изменения механических характеристик волокнистого компо
зиционного материала на основе меди и медных сплавов, армированных волокнами из
ниобий-титанового сплава, в зависимости от состояния границ раздела его компонентов
при различных деформационных и термических режимах обработки.
К лю ч е вы е с ло в а : композит, волокна, матрица, границы раздела, диффузи
онное взаимодействие, прочность.
Введение. Определяющим фактором в формировании характеристик
прочности волокнистых композиционных материалов (ВКМ) является
физико-химическое взаимодействие в зоне контактов компонентов (матри
цы и упрочняющих волокон) при термическом воздействии (отжиге). Харак
тер межкомпонентного взаимодействия, формируемые при этом поверх
ности раздела (межфазные слои) во многом определяют изменения физико
механических свойств композитов.
Установлено, что при совместном пластическом деформировании ВКМ
в экстремальных условиях даже за весьма короткое время на границе компо
нентов системы Си-№ Т1 в нанослое формируется обладающее низкотемпе
ратурной хрупкостью химическое соединение типа СихТ1у, адгезионно проч
но связанное с Си и №Т1. Возникающие в результате физико-химического
взаимодействия диффузионные слои интерметаллических соединений (ИС)
поначалу представляют собой островки на границах раздела компонентов
ВКМ, которые затем, разрастаясь вдоль этих границ, сливаются, образуя
сплошные прослойки. Интенсификация температурного воздействия (повы
шение температуры и продолжительности выдержки) приводит к увели
чению толщины прослоек и изменению их состава [1].
Для композиционных материалов с пластичными армирующими волок
нами отсутствует однозначное толкование взаимосвязи прочностных свойств
с активацией процессов физико-химического взаимодействия компонентов
и изменением состава диффузионных слоев. Не выяснена до конца роль
дисперсности и физического состояния армирующих волокон в упрочнении
композита в целом.
Согласно литературным данным [1-3], известны два случая проявления
влияния островковорасполагающихся продуктов взаимодействия компонен
тов: первый - характеризуется снижением прочности композита с момента
их возникновения, во втором - разупрочнение отсутствует вплоть до дости
жения диффузионными слоями критической величины, при превышении
© В. 3. СПУСКАНЮК, Н. И. МАТРОСОВ, А. Б. ДУГАДКО, Е. А. ПАВЛОВСКАЯ, Л. Ф. СЕННИКОВА,
Б. А. ШЕВЧЕНКО, 2001
94 Й'ОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, N 5
О характере влияния границ раздела компонентов
которой прочность композита также снижается. При этом, как правило,
прочность ВКМ с диффузионными слоями ниже прочности композитов,
которые не содержат продуктов взаимодействия.
Поскольку осуществить качественный и количественный анализ
состава диффузионных слоев, оценить их дефектность и прочность крайне
сложно, представляется актуальным получение экспериментальной ин
формации о влиянии продуктов взаимодействия в конкретных системах.
Если волокна и матричные слои в композите будут достаточно тонкими
(< 0,1 мкм), то следует ожидать, что поведение механических и физических
характеристик такого композита будет аномальным.
В настоящей работе исследовались волокнистые композиционные мате
риалы на основе армирующих волокон из сплава ниобий-титан (НТ50) и
матриц из меди (МОб), медно-никелевого сплава (МН19) и медно-марганце
вого сплава (ММц7), т.е. матричных материалов, отличающихся величиной
энергии диффузии.
М атериалы и методика испытаний. В качестве объекта исследований
выбраны холоднодеформированные проволочные образцы ВКМ диаметром
0,35-0,50 мм, содержащие 211, 2112 и 2113 непрерывных продольно-ориен
тированных армирующих волокон диаметром 20,0-0,05 мкм. Суммарный
коэффициент вытяжки при гидропрессовании составлял106...1012, объемное
содержание армирующих волокон - 10,0...33,5%. Минимальная толщина
медной матричной прослойки достигала 0,05-8,50 мкм.
Для изучения поведения матричного материала и материала волокон
при температурном воздействии в процессе термообработки и изменения их
прочности в зависимости от температуры отжига использовали холодно
деформированные проволочные образцы диаметром 0,45-0,50 мм из выше
указанных материалов. При этом суммарный коэффициент вытяжки мето
дами гидропрессования и волочения составлял примерно 2,25 * 104.
Предварительно нарезанные проволочные образцы помещали в герме
тизированные капсулы (трубки диаметром 8 мм из нержавеющей стали) и
отжигали в печи СНОЛ1,6.2,5.1/11-И2 при температуре 250, 300, 400, 500 и
550°С с выдержкой в течение 1 ч.
Временное сопротивление разрыву, относительное удлинение при про
дольном растяжении определяли по стандартной методике на образцах
общей длиной ~200 мм (длина расчетного рабочего участка 100 мм) в
количестве 10 образцов для каждого из исследованных режимов отжига.
Кроме того, проводились испытания на перегиб на 180° до разрушения
образцов (последний перегиб, при котором происходило разрушение, в
расчет не принимался).
Результаты экспериментов и их обсуждение. На рис. 1 приведена
зависимость предела прочности матричных (медь, медно-никелевый и медно
марганцевый сплавы) и армирующего (ниобий-титановый сплав) матери
алов от температуры отжига. При общей тенденции снижения прочности, по
мере повышения температуры отжига характер зависимости и абсолютная
величина изменения предела прочности о в для этих материалов различны.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 5 95
В. 3. Спусканюк, П. И. Матросов, Л. Б. Дугадко и др.
Так, после отжига при Т = 500°С предел прочности меди о в снизился от
530 (исходное значение) до 220 МПа, отжиг при Т = 550°С привел к уменьше
нию этой характеристики для медно-никелевого сплава от 835 до 308 МПа,
медно-марганцевого - от 920 до 340 МПа, и ниобий-титанового - от 845 до
645 МПа. Заметим, что при значительном изменении прочности матричных
материалов (Д ов = 310...585 МПа) прочность армирующего сплава снижа
ется несущественно (До в ~200 МПа).
о в, МПа
, °С
Рис. 1. Зависимость предела прочности матричных и армирующего материалов от темпера
туры отжига: 1 - медь (МОб); 2 - медно-марганцевый сплав (ММц7); 3 - медно-никелевый
сплав (МН19); 4 - ниобий-титановый сплав (НТ50).
Такое различие объясняется природой исследуемых материалов и в
первую очередь температурными областями начала в них рекристаллизаци-
онных процессов, которые для МОб составляют 180°С, для ММц7 - 380°С,
для МН19 - 420°С и для сплава НТ50 - 500...600°С.
На рис. 2 представлены механические характеристики различных
высокодисперсных ВКМ с медной матрицей, отличающихся числом п ^ ,
объемной долей V ^ и диаметром d ^ армирующих волокон. Анализ зави
симости предела прочности этих композитов от температуры отжига пока
зал следующее. При температурах отжига менее 250°С происходит разупроч
нение ВКМ вне зависимости от дисперсности. Это обусловлено преоблада
нием рекристаллизации медной матрицы над остальными процессами. В
интервале температур 250...550°С, когда активизируются процессы массо-
переноса с проникновением меди в ниобий-титановые волокна, характер
изменения прочности ВКМ, отличающихся дисперсностью, различен. Так,
предел прочности ВКМ с п ^ = 211, V f = 0,335 и d f ~20 мкм вплоть до
96 ІББМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 5
О характере влияния границ раздела компонентов
Тотж = 500°С монотонно убывает (кривая 4). При этом почти аддитивная
добавка А ов ~ 300 МПа в прочность композита по отношению к прочности
меди во всем диапазоне температур обусловлена вкладом упрочняющих
волокон. Можно сделать вывод, что несмотря на интенсификацию диффу
зионных процессов, при повышении температуры отжига до 400...500°С для
ВКМ данной дисперсности с соответствующими размерными соотношени
ями между матричной и упрочняющей фазами возникающие островково-
располагающиеся зародыши интерметаллидов не оказывают существенного
влияния на прочность композита.
п о в, МПа
Т °С1 отж ’ ч-'
Рис. 2. Изменение в зависимости от температуры отжига предела прочности (сплошные
линии) и числа перегибов (штриховые линии) ВКМ с медной матрицей: 1, 4 - пу = 211,
Уу = 0,335, ау = 20 мкм; 2, 5 - пу = 2112, Уу = 0,225, ау = 1,13 мкм; 3, 6 - пу = 2113,
Уу = 0,100, а у = 0,05 мкм.
2 3В более высокодисперсных ВКМ (пу = 211 и 211 ) по мере интенси
фикации межфазного взаимодействия (Тотж > 300°С) в отличие от известного
характера зависимости прочности композита от увеличивающейся с повы
шением температуры толщины переходной зоны [4] наблюдается монотон
ный рост прочности (кривые 5, 6). При этом прочность проволочных образ
цов из ВКМ после термообработки при 550°С возросла с 755 и 680 МПа
(исходные значения) до 1020 и 920 МПа соответственно, что объясняется
увеличением прочности прослойки, разделяющей компоненты, прочности
связи волокон с матрицей, перестройкой структуры композита в целом с
образованием внешних, практически сплошных ИС вокруг каждого волок
на. Таким образом, если микроструктура композита является высокодис
персной, то прослойка на границе раздела компонентов, формируемая в
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 5 97
В. 3. Спусканюк, Н. И. Матросов, Л. Б. Дугадко и др.
результате их физико-химического взаимодействия, может быть дополни
тельным источником упрочнения. Абсолютные значения предела прочности
зависят от дисперсности ВКМ и объемной доли армирующих волокон.
Дополнительная информация о влиянии продуктов взаимодействия на
механические характеристики ВКМ может быть получена из анализа зави
симости пластических свойств от температуры отжига. Из приведенных на
рис. 2 данных испытаний на перегиб, характеризующих пластичность иссле
дуемых ВКМ, следует, что существует характерная критическая темпера
тура, при превышении которой резко снижается пластичность. Для ВКМ с
3 2п у = 211 ,211 и 211 эта температура составляет 250, 300 и 400°С соответ
ственно. Достигаемые при таких температурах отжига высокие пластичес
кие свойства, по-видимому, обусловлены оптимальным сочетанием пласти
фицирующего влияния со стороны матрицы со свойствами возникшей пере
ходной зоны, состоящей из продуктов взаимодействия.
Превышение указанных температур приводит к снижению пластично
сти (уменьшение числа перегибов). Влияние дисперсности ВКМ сказы
вается на пластических свойствах. Так, при Т = 500°С ВКМ с п ^ = 211 еще
сохраняет некоторую пластичность (число перегибов равно восьми), в то
время как более высокодисперсные ВКМ разрушаются хрупко после пер
вого перегиба.
Рассмотрим влияние матричного материала на диффузионные процессы
и механическое поведение ВКМ. На рис. 3 представлена зависимость преде
ла прочности и числа перегибов на 180° ВКМ (п у = 211 ) с медной, медно
никелевой и медно-марганцевой матрицами от температуры отжига.
п о в, МПа
Т °Сотж ’ ^
Рис. 3. Изменение в зависимости от температуры отжига предела прочности (сплошные
линии) и числа перегибов (штриховые линии) ВКМ (пу = 2112, Vу = 0,225, dу = 1,13 мкм) с
разными матрицами: 1, 4 - МН19; 2, 5 - ММц7; 3, 6 - МОб.
98 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 5
О характере влияния границ раздела компонентов
Для ВКМ с медно-никелевой матрицей (кривые 1, 4) отмечается моно
тонный характер изменения исследуемых параметров. При этом снижение
прочности может быть объяснено, как и ранее, влиянием рекристаллизаци-
онных процессов как в матрице, так и в ниобий-титановых волокнах (рис. 1).
В ВКМ с медной и медно-марганцевой матрицами по мере интенси
фикации диффузионных процессов (интервал температур отжига 300...500°С)
наблюдается заметное упрочнение (кривые 5, 6), сопровождаемое падением
пластичности (кривые 2, 3), в то время как при более низких температурах
они ведут себя аналогично ВКМ с медно-никелевой матрицей.
С одной стороны, эти факты подтверждают вывод о значительном
влиянии продуктов взаимодействия на механические характеристики ВКМ,
с другой - они указывают на существенное отличие в диффузионной по
движности атомов меди в матрицах разного состава. Об этом свидетель
ствует различие в характерной температуре (300°С для меди и 400°С для
медно-марганцевого сплава), при которой в силу физико-химического взаи
модействия резко меняется характер зависимости пластичности от темпера
туры отжига, коррелируя с изменением предела прочности. Характер пове
дения ВКМ с медно-никелевой матрицей несколько другой. Монотонность
изменения механических характеристик может свидетельствовать об отсут
ствии или о несущественной роли диффузионного взаимодействия между
компонентами ВКМ.
Заключение. Таким образом, температурные условия при создании и
эксплуатации изделий из ВКМ с армирующими волокнами на основе сплава
ниобий-титан и матрицами на основе меди и медных сплавов, выбранные по
результатам исследований физико-механических свойств композита, можно
регламентировать в пределах 250...400°С. Режимы обработки определяются
с учетом обеспечения предпочтительно более высокого уровня прочностных
или пластических характеристик ВКМ.
Установленные закономерности могут быть применены также к другим
металлическим ВКМ с кинетически совместимыми компонентами. Управ
ление процессами физико-химического взаимодействия компонентов, пони
мание характера их влияния позволяют наиболее полно реализовать проч
ностные свойства армирующих волокон и композита в целом.
Р е з ю м е
Наведено закономірності зміни механічних характеристик волокнистого
композиційного матеріалу на основі міді та мідних сплавів, що армовані
волокнами з ніобій-титанового сплаву, в залежності від стану границь
поділу його компонентів за різних деформаційних і термічних режимів
обробки.
1. Б обков Ю . В., Голубь А. П., Г огуля В. Ф. и др. Исследование поверх
ности проволоки и многожильных проводов из сверхпроводящего спла
ва НТ50 на сканирующем микроскопе // Вопр. атом. науки и техники. -
1981. - Вып. 1 (7). - С. 30 - 33.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2001, № 5 99
В. 3. Спусканюк, Н. И. Матросов, Л. Б. Дугадко и др.
2. Ш орш оров М . X., К олпаш ников Л. И ., К ост иков В. И. и др. Волокнис
тые композиционные материалы с металлической матрицей. - М.:
Машиностроение, 1981. - 272 с.
3. К уликова Е. Л., К уликов В. Л., Г усев О. В . Влияние состояния границы
раздела на прочность материала алюминий-сталь // Границы раздела,
прочность и разрушение композиционных материалов. - Л.: ФТИ, 1989.
- С. 177 - 183.
4. M etca lfe A . Interfaces in Metal Matrix Composites. - New York; London:
Academic Press, 1974. - 437 p.
Поступила 04. 03. 99
100 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2001, № 5
|