ПРОЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ ЛА
Лекция № 16. Расчёт панелей из композиционных материалов
Введение. Понятие о композиционных материалах, применяемых в авиастроении.
Анализ слоистых композиционных материалов. Слои композитных материалов. Анализ многослойных композитных структур. Алгоритм расчёта.
Для повторения ранее изложенного материала в курсе дисциплины «Материаловедение и ТКМ» рекомендуется обратиться к учебнику авт. А.Ф. Белов, В.В. Николаенко «Строение и свойства авиационных материалов» Гл. 8, стр. 209 … Раздел IV Материалы специального назначения.
§ 1. Конструкционные композиционные материалы на металлической матрице
Композиционные материалы (КМ) – это объёмно-армированные различными наполнителями металлы, сплавы, полимеры. Прочность, жёсткость и другие эксплуатационные характеристики таких материалов значительно выше, чем у армируемых матриц. Работы по созданию КМ диктуются потребителями современной техники.
Алюминий, армированный стальной проволокой применяется для оболочек ракет и топливных баков. Массу топливных баков удаётся снизить до 14% при сохранении эксплуатационных характеристик. Некоторые элементы фюзеляжа военных самолётов изготовляют из алюминиевых сплавов, армированных волокнами В (бора) и проволокой из стали. Успешно внедряются алюминиевые сплавы армированные бериллиевой проволокой. Использование КМ в двигателях аппаратов вертикального взлёта и посадки (АВВП) снижает на 33% массу маршевых двигателей на 45%.
По форме наполнителя можно выделить три (группы) типа КМ:
- КМ армированные частицами;
- КМ армированные волокнами;
- слоистые КМ.
Для уменьшения анизотропии[1] волокнистых КМ, слои могут располагаться под разными углами друг к другу. Возможны следующие схемы укладок 3-х чередующихся слоёв волокон: 0º±30º; 0º±45º; 0º±60º. Для 2-х чередующихся слоёв: ±45º; ±60º и т. д.
1. Композиционные материалы, армированные частицами.
Микроструктура материалов, упрочнённых частицами, состоит из матрицы и равномерно в ней распределённых упорядоченных частиц. Если размер упорядоченных частиц l ≤ 10-5cм, материал называется дисперсно-упрочнённым, если l ≥ 10-4см, то это материалы, упрочнённые частицами. Объёмная доля упрочняющей фазы в КМ первого типа может быть различной и колебаться от нескольких единиц (в дисперсно-упрочнённых КМ) до десятков процентов в КМ, упрочнённых частицами.
Получают КМ, армированные дисперсными частицами, методами порошковой металлургии.
В дисперсно-упрочнённых материалах матрица воспринимает основную нагрузку, а дисперсные частицы создают эффективное сопротивление перемещению дислокаций в объёме зерна. Чем больше это сопротивление, тем выше степень упрочнения материала.
Такие материалы обладают высокой температурной стабильностью структуры, позволяют сохранять прочностные характеристики в широком температурном интервале, вплоть до (0,7 … 0,8) tмпл. – температуры плавления матрицы.
Примеры отечественных КМ является ВДУ-1, ВДУ-2, ВДУ-3, дисперсно-упрочнённые КМ.
Матрицей КМ ВДУ-1 и ВДУ-2 является Ni, дисперсными упрочнителями – частицы оксидов Тория ThO2 и Gf (гафния) с содержанием частиц до 5% (объёма).
Зарубежным аналогом ВДУ-1 является ТД никель, в котором Ni упрочнён мелкодисперсным ThO2 (диоксид тория), в количестве 2 … 4%.
В ВДУ-3 матрицей служит сплав Ni + Cr (никель-хром), упрочнителем – диоксид гафния GfO2. Сплавы и п/ф из них готовят методами порошковой металлургии (прутки, листы). Прочность этих сплавов несколько ниже Ni сплавов, но преимущество – в жаропрочности. Сплавы ВДУ применяются при t = 1100 … 1200 ºС. Промышленное применение находят сплавы КМ на основе W (вольфрама). Вольфрам упрочняют мелкодисперсными оксидами, карбидами.
Наибольшее применение нашли ThO2; TaC (карбид тантала). Оксидные упрочнители повышают теплоэрозионную стойкость сопел из спечённого вольфрама. Для увеличения пластичности в дисперсно-упрочнённый W вводят Re (рений) в количестве 3 … 5%.
Разрабатывают дисперсно-упрочнённые материалы на основе Cr, Mo и др.
Для конструкций ЛА представляет интерес КМ на основе алюминия, упрочнённого частицами Al2O3 (тип САП). Получают их методами порошковой металлургии прессованием мелкодисперсного Al порошка с его последующим спеканием. Свойства САП определяются количеством в нём Al2O3.
САП-1, -2, -3. 3-й – выше свойства: σв, σ0,2; δ↓.
Основное преимущество этих сплавов – высокопрочность при t > 300ºС, при которых сплавы Д19, Д20, АК-4-1 разупрочняются, текут.
Из них делают профили разных видов, прутки, листы, трубы. САП поддаётся аргонно-дуговой сварке, листы можно соединять клёпкой. Плакированный лист удовлетворительно сваривается контактной сваркой. Эти материалы – для авиации и космонавтики.
2. Композиционные материалы, армированные волокном.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
