Эвтектические композиционные материалы

Общая характеристика

ЭКМ называются сплавы эвтектического или близкого к нему состава, в которых армирующей фазой служат ориентированные волокнистые или пластинчатые кристаллы, образованные в процессе направленной кристаллизации. Поскольку структура КМ создаётся в ЭКМ естественным путём, а не в результате искусственного введения армирующей фазы в матрицу, ЭКМ, в отличие от других КМ, называют естественными КМ.

ЭКМ по сравнению с КМ имеют более высокую прочность, обусловленную прочностью и совершенством структуры армирующей фазы, близкими к характеристикам к НК, и термически стабильную структуру вплоть до температур, близких к температуре плавления эвтектики. Для ЭКМ не существует проблемы химической несовместимости между матрицей и упрочняющей фазой вследствие равновесных условий кристаллизации, равенства химических потенциалов компонентов и минимальной поверхностной энергии армирующей фазы.

Из ЭКМ можно получать материалы и готовые изделия за одну операцию при полном отсутствии трудоёмких процессов изготовления волокон и их введения в матрицу.

Недостатками ЭКМ являются ограниченность в варьировании объёмного содержания армирующей фазы, которое, как правило, диктуется диаграммой состояния системы ; повышенные требования к чистоте исходных шихтовых материалов и точности соблюдения режима направленной кристаллизации; небольшие скорости направленного роста в ряде ЭКМ, снижающие производительность процесса получения изделий и приводящие к нежелательному взаимодействию между изделием и литейной формой.

В основе выбора ЭКМ лежит анализ равновесных диаграмм состояния бинарных, тройных, четверных и более высокого ранга систем. При выборе ЭКМ сначала определяется матричная основа, удовлетворяющая условиям эксплуатации материала по температуре плавления, плотности, поведения в средах и др. Затем производится поиск эвтектик, которые могут обеспечивать остальные требования к ЭКМ: прочность, физические свойства и др.

ЭКМ в основном подчиняются закономерностям , которые определяют механизм деформации и разрушения армированных волокнами КМ.

Существенное влияние на прочность и жёсткость ЭКМ оказывают специфические дефекты микроструктуры: колонии, первичные кристаллы, поперёчная полосчатость , которые приводят к снижению механических характеристик по сравнению с расчётными величинами.

Ориентационные и структурные характеристики

В пластинчатых эвтектиках сопряжение между фазами обычно происходит по кристаллографическим плоскостям с максимальной плотностью упаковки атомов. Эти плоскости ориентированы так, что несоответствие межатомных расстояний в главных направлениях минимально, однако иногда наблюдается относительное вращение плоскостей сопряжения фаз. В условиях стационарного роста армирующей фазы пластины растут перпендикулярно фронту кристаллизации, что совпадает с плоскостью контакта пластин.

В волокнистых эвтектиках плоскостей преимущественного сопряжения фаз нет. Поскольку армирующая фаза имеет неограниченную форму. Однако эвтектики, в которых армирующие стержни огранены, имеют определённые ориентационные соотношения между фазами.

В большинстве эвтектических систем при сопряжении кристаллизующих фаз решётки не совпадают. Электронно-микроскопическими исследованиями межфазной границы направленных эвтектик установлено наличие межфазных дислокаций, или дислокаций несоответствия, которые компенсируют несоответствие в межатомных расстояниях сопрягающихся фаз [2,5].Плотность таких дислокаций тем больше, чем больше несоответствие. ЭКМ относятся к классу термодинамически равновесных систем, так как обе фазы кристаллизуются в условиях термодинамического равновесия. При изменении температуры может проявиться термическая нестабильность ЭКМ , заключающаяся в изменении состава и объёмной доли фаз, особенно в системах, для которых растворимость в твёрдом состоянии сильно зависит от температуры.

Главное влияние на стабильность структуры ЭКМ оказывают дефекты формы и размеров упрочняющей фазы, возникающие во время кристаллизации или при длительном воздействии температур и напряжений. В процессе термической обработки, при нестационарных температурных режимах дефекты могут привести к нарушению регулярной микроструктуры и изменению формы и размеров упрочняющей фазы.

Основными видами структурной нестабильности ЭКМ являются размерная нестабильность и нестабильность формы.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

Общая характеристика

ДКМ и псевдосплавы относятся к классу порошковых КМ. Структура ДКМ представляет собой матрицу из чистого металла или сплава , в которой равномерно распределены на заданном расстоянии одна от другой тонкодисперсные частицы упрочняющей фазы размером менее 0,1 мкм, искусственной введённые в материал на одной из технологических стадий [3,4]. Объёмная доля этих частиц (включений) составляет 0,1-15%. В качестве упрочняющей фазы используют дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других тугоплавких соединений, а также интерметаллических соединений.

Псевдосплавы представляют собой КМ, состоящие из двух или более металлических либо металлоподобных фаз, не взаимодействующих или слабо взаимодействующих. В отличие от армированных КМ все структурные составляющие псевдосплавов в недеформированном состоянии имеют форму, близкую к равноосной. Псевдосплавы могут иметь матричную или каркасную структуру. Псевдосплавы с матричной структурой обычно отличаются от ДКМ большим размером упрочняющих включений и большей концентрацией этих включений. Псевдосплавы с каркасной структурой имеют специфическое строение , характерное для пористых тел, пропитанных жидким металлом. Структуру таких материалов можно рассматривать как два взаимопроникающих непрерывных каркаса. Их получают методом пропитки.