Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
2 слайд
Одной из актуальных проблем в области промышленного производства является создание новых материалов с повышенным комплексом механических свойств. Традиционно используемыми в промышленности являются металлические материалы, прочность и надежность которых улучшается путем создания сплавов на их основе, их термической, химико-термической и термомеханической обработки. Ярким примером повышения свойств железа является добавление в него углерода. Сплав железа с углеродом называется сталью. Увеличения прочности стали, в свою очередь, можно достичь путем ее закалки. Однако при сплавлении металла с металлом мы можем получить не просто материал с повышенной прочностью, как например сплав золота с медью, который традиционно используется в ювелирной промышленности, а можем получить совершенно новое вещество. Образование нового вещества происходи при сплавлении, например, алюминия с никелем, алюминия с титаном, титана с железом. Такое новое вещество имеет химическую формулу и называется интерметаллидом. Свойства интерметаллида кардинально отличаются от свойств металлов, при взаимодействии которых он был образован. Но, как правило, все интеметаллиды объединяет одно – высокая твердость и повышенная хрупкость. Именно хрупкость этих веществ не позволяет широко использовать их в промышленном производстве, поскольку при любом силовом воздействии они поведут себя, как стекло или керамика. Однако они обладают рядом преимуществ, что делает их привлекательными для промышленного применения. Они обладают высокой жаропрочностью, жаростойкостью, высокой коррозионной стойкостью и низкой плотностью.
3 слайд
Для того чтобы использовать положительные свойства интерметаллидов и нейтрализовать их отрицательные свойства, рациональным является создание многослойных композиционных материалов типа «металл - интерметаллид». В таком сочетании интерметаллид является твердой составляющей, металл пластичной. Таким образом, если композит такого типа будет подвергаться силовым нагрузкам, удар на себя будет брать твердый интерметаллид, а разрушению материала будет препятствовать вязкий и пластичный металл. Одними из наиболее перспективных и изучаемых в настоящее время являются композиты на основе алюминия и титана с прослойками Al3Ti. Указанные композиты обладают такими свойствами, как:
Приведем несколько примеров. При прочностных испытаниях таких материалов на изгиб было выявлено, что трещина, которая зарождается в месте сгиба, продвигается по материалу не прямолинейно, как это происходит во всех однородных материалах, а начинает ветвиться и распространяться по границам соединения металла и интерметаллида. Таким образом ее продольное распространение вглубь материала замедляется и трещина растет медленнее. Этим самым продляется срок эксплуатации материала.
Другим важным свойством материала является его стойкость против ударных нагрузок, то есть броневые свойства. Испытания таким материалов проводились американскими исследователями. способностью сопротивляться высокоскоростному движению индентора. В их работах описывается проведение испытаний материала с объемной долей интерметаллида 80 %. Плотность материала составляла 3,3 г/см3. Толщина испытуемого образца не превышала 20 мм. Плотность индентора составляла 7 г/см3, масса – 10 г, диаметр 6,15 мм. Пуля летела со скоростью 900 м/с. При этом сквозного разрушения материала не произошло, а глубина проникновения пули составила 10 мм.
4 слайд
Такое сочетание свойств металл-интерметаллидных композитов на основе алюминия и титана делают их перспективными для использования в авиастроении, химическом машиностроении, энергетике, военной технике.
5 слайд
В настоящее время существует несколько основных способов формирования композитов типа «металл - интерметаллид». Большинство из них основано на соединении металлических (алюминиевых и титановых пластин) между собой и нагрев этих соединенных пластин, который приведет к формированию на границах раздела титановых и алюминиевых пластин интерметаллидных соединений.
Наиболее распространенными являются диффузионная сварка и сварка взрывом с последующим отжигом. Диффузионная сварка предполагает одновременное соединение пластин металлов и их диффузионное взаимодействие друг с другом, результатом которого является химическая реакция с образованием интерметаллидного соединения.
Второй способ – это совокупность последовательных операций сварки взрывом и последующего отжига. На этапе сварки взрывом между титаном и алюминием формируется прочное сварное соединение, а на этапе отжига – формирование интрметаллида в сварных швах.
6 слайд
Сварка взрывом позволяет соединять одновременно сразу несколько металлических пластин и тем самым формировать готовый к отжигу пакет, состоящий из соединенных между собой поочередно расположенных пластин титана и алюминия. На верхнюю пластину укладывается слой взрывчатого вещества и устанавливают детонатор. После сгорания взрывчатого вещества продукты горения, находясь на момент инициирования в сжатом состоянии, резко расширяются и тем самым толкают верхнюю пластину вниз. Верхняя пластина передают импульс следующей, вторая – третьей, и так далее, до нижней пластины. В процессе сильного резкого соударения и одновременного нагрева пластины свариваются между собой.
7 слайд
Для процесса сварки взрывом характерно образование сварных швов волнообразной формы. Параметры этих волн (амплитуда и длина волны) изменяются по сечению материала по мере продвижения от верхних слоев к нижним. То есть деформация материала сварных швов, была максимальной вблизи слоя взрывчатого вещества. Это объясняется тем, что энергия пластической деформации постепенно снижается при передаче импульса от верхних металлических пластин к нижним и сила соударения нижних пластин намного меньше силы соударения верхних.
Другой характерной особенностью сварных швов является формирование зон оплавов во впадинах волн. Их образование объясняется нагревом материала при соударении. Следует отметить, что в верхних сварных швах, при образовании которых энергия соударения пластин была выше, их количество больше.
8 слайд
Микроскопические исследования этих зон позволили установить, что титан и алюминий в них находится в перемешанном состоянии.
9 слайд
Микротвердость зон перемешивания оказалась выше, чем у титана и алюминия в 2 и в 10 раз соответственно.
10 слайд
Отжиг многослойных материалов проводился при температуре 630 оС, что на 30 оС ниже температуры плавления алюминия. При этой температуре скорость взаимодействия между титаном и алюминием уже очень высокая, но при этом плавления алюминия, а, следовательно, потери целостности композита не происходит. Термическая обработка в течение 5 часов показала, что количество образовавшегося интерметаллида не одинаково в верхних и в нижних сварных швах. В верхних сварных швах сформировалась достаточно широкая прослойка новой фазы, в то время как в нижних сварных швах образования интерметаллида практически не происходит. Подробные микроскопические исследования позволили объяснить эту закономерность. Дело в том, что большой вклад в образование интерметаллида вносят зоны оплава, где титан и алюминий находятся в перемешанном состоянии, то есть скорость обмена атомами между алюминием и титаном здесь выше, чем на неоплавленной границе раздела. Таким образом, можно сделать вывод, что скорость формирования композитов с интерметаллидными прослойками выше при реализации второй технологии (сварки взрывом и отжига).
11 слайд
Увеличение длительности термической обработки приводило к росту толщины прослоек интерметалида. Однако, из графика видно, что чем длительнее отжиг, тем ниже скорость образования интерметаллида. Таким образом, оптимальная длительность термической обработки, которая обеспечивает толщину интерметаллида почти 200 мкм и нетребует больших энергетических затрат, составляет 20 часов.
12 слайд
Механические испытания композиционных материалов показали, что присутствие интерметаллидов увеличивает прочность, что видно из графика распределения микротвердости. Твердость интерметаллида оказалась равной почти 6000 МПа, в то время как твердость алюминия и титана составили 300 МПа и 1800 МПа соответственно. Присутствие в композите твердой составляющей повышает прочность композита в целом.
13 слайд
Ударное нагружение материала по схеме, показанной на слайде, не привели к разрушению образца композиционного материала. На фотографии видно, что разрушились только твердые интерметаллидные прослойки, которые приняли на себя удар и обеспечили прочность материала, однако разрушение всего композита в данном случае предотвратили металлические слои, которые скрепляют между собой остатки интерметаллидных прослоек.
14 слайд
Кроме того, материал хорошо противостоит циклическим нагрузкам. Попеременное растягивание и сжатие образа привело к возникновению в первом слое трешины, которая продвигалась по образцу вплоть до момента встречи с границей раздела, на которой произошло ее торможение. Дело в том, что трещине легче продвигаться по сварному шву, чем в следующий слой и на зарождение ее в следующем слое требуется дополнительное время. Таким образом трещина начинает ветвиться и скорость ее роста снижается.
15 слайд
Особенно хорошо это видно на графиках зависимости длины трещины от количества циклов нагружения. У каждой границы раздела рост трещины приостанавливается.
16 слайд
Таким образом, в нашей работе была показана эффективность применения слоистых композитов в различных условиях нагружения и проанализированы особенности применения сварки взрывом и отжига для производства таких матриалов.
На основании проведенных исследований были сделаны следующие выводы: