www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Вторая половина двадцатого века характеризуется все большей зависимостью прогресса техники от успехов в области создания новых материалов.

Материалы новой техники должны обладать рядом необходимых свойств, среди которых главными являются высокая прочность и удельная прочность (отношение прочности к удельному весу) как при весьма высоких температурах (в ряде случаев до 3000° и выше), так и при самых низких — гелиевых; устойчивость против механической и термической усталости (периодических изменений температуры); стойкость при длительном воздействии пламени, плазмы, излучений, агрессивных сред; низкая испаряемость в вакууме при высоких температурах и вакуумная плотность; специальные физические свойства.

В поисках материалов, отвечающих высокой прочности, жаропрочности, удельной прочности и другим специальным свойствам, за последние десятилетия предприняты исследования потенциальных возможностей композитных металлических материалов. Первым успешным шагом в этом направлении было создание дисперсно-упрочненных материалов, представляющих собой композицию из пластичной матрицы и дисперсных частиц в виде силицидов, нитридов, боридов и т. п. Другим примером композитных материалов являются биметаллы. Но наиболее многообещающими по разнообразию свойств являются волокнистые и многослойные металлические материалы. Первым армированным материалом, созданным человеком, следует считать железобетон и стеклопластик.

По своей природе композитные волокнистые материалы имитируют природные материалы; структура дерева при рассмотрении в электронный микроскоп состоит из волокон высокопрочной целлюлозы, соединенных легкодеформируемым мягким связующим материалом — лигнином. Кость — это тоже природный армированный материал, состоящий из кристаллов апатита и волокнистой матрицы (коллагена). Сцепление и ориентация кристаллов такова, что кость прочнее не только самого коллагена, но и самого чистого аппатита. Фактически сталь — это тоже композит, сочетающий высокопрочную фазу цементита в мягкой матрице — феррите, но это еще не совершенный естественный композит. Создание композитных материалов позволяет управлять в более широком масштабе механическими свойствами, чем это доступно сейчас. Впервые принцип конструирования композитных материалов был сформулирован А. В. Степановым [1—12], отметившим, что создаваемая в таких материалах анизотропия упругости должна приводить к изменению напряженного состояния детали и благоприятному перераспределению в ней усилий, а анизотропия прочности — к усилению наиболее перегруженных мест. Последовательность проектирования детали следующая.
1. Задаются формы, размеры детали и силы, которые будут воздействовать на деталь.
2. Конструируется материал с такой структурой, при которой обеспечивается благоприятное напряженное состояние.
А. В. Степановым на основе сопоставления механических свойств дерева и кости с их структурой и со свойствами веществ, их составляющих, была отмечена возможность получения материалов с качественно новыми механическими характеристиками путем определенной структурной комбинации разнородных и резко отличных по свойствам материалов.

Также А. В. Степановым было развито физическое учение о механических свойствах, анизотропных неоднородных средах и композитных материалах, рассмотрены механические свойства биологических систем (волокон, древесины, костей) и созданы оптические методы исследования напряженного состояния в анизотропных средах.

За последние 15 лет в различных странах проведены большие исследования в области композитных металлических материалов с различной арматурой, в том числе с арматурой в виде графитовых, борных, стеклянных волокон и волокон из карбида кремния. Однако пока что эти материалы дороги. По данным L. W. Davis [13], ожидаемая стоимость композитных материалов алюминий — бор должна снизиться к 1978 г. до 100 долларов за фунт (против 1000—2000 долларов за фунт в 1969 г.), а алюминий — углеволокно до 50 долларов за фунт. Объем производства при этом должен возрасти с 100 000 фунтов до нескольких миллионов фунтов в год. Если учесть, что высокая стоимость композитных материалов в настоящее время определяется высокой стоимостью волокон, то становится очевидным, что резкое снижение стоимости металлических композитных материалов возможно только после существенного снижения цен на волокна.

W. W. Powers [14] на основе использования более 200 технических документов, статей и на основе дискуссий с ведущими специалистами промышленности сделал прогноз о перспективах использования металлических композитных материалов на основе угольных и борных волокон. Отмечаются следующие перспективные области применения композитных металлических материалов к 1980 г.:
а) в кораблестроении (в частности, в качестве материала для корпусов кораблей и глубоководных аппаратов);
б) в авиации и ракетной технике;
в) в химической и газовой промышленности в качестве материала для сосудов давления (газовые баллоны, цистерны и т. п.) и химических реакторов;
г) в наземном транспорте (в частности, для деталей высокоскоростных поездов, 300 миль в час);
д) в автомобилестроении (с учетом возможного снижения веса грузовых автомобилей).

Таким образом, прогнозируется возможность широкого использования металлических материалов, упрочненных волокнами, в самых разнообразных отраслях техники. Большие перспективы открываются и при использовании металлических высокопрочных волокон. Однако отличительная особенность новых материалов связана с тем, что уникальные свойства их можно реализовать лишь при определенной конструкции материала.

К настоящему времени накоплен большой теоретический и экспериментальный материал по влиянию различных факторов на прочность и механическое поведение композитных материалов под нагрузкой, который в значительной мере делает реальным получение материалов с комплексом заданных свойств.

В настоящей монографии обобщаются исследования по упрочнению металлов и сплавов волокнами, проведенные за последние годы главным образом на модельных материалах (слоистых и волокнистых). В первой главе изложены теоретические предпосылки управления упругими свойствами (модули упругости) композитных материалов. Во второй рассмотрены факторы, влияющие на упрочнение металлов волокнами и определяющие принципы армирования металлов волокнами. Третья глава посвящена анализу микро- и макромеханизмов разрушения композитных материалов с учетом механических свойств матрицы и волокон. Четвертая и пятая главы посвящены анализу управления сопротивлением хрупкого и усталостного разрушения композитных материаллов. В шестой и седьмой главах изложена технология получения композитных материалов и рассмотрены вопросы взаимодействия между компонентами.

Первая глава написана Т. Д. Шермергором, третья и пятая — В. С. Ивановой, вторая и четвертая — В. С. Ивановой и Л. Р. Ботвиной, шестая и седьмая главы — И. М. Копьевым.

Авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность Т. С. Марьяновской и Ю. Е. Бусалову за тщательный просмотр рукописи, а также Л. Л. Тихоновой за помощь в оформлении рукописи.

В. Иванова

Назад, на страницу описания