ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» Красноярск, 2008 Институт инженерной физики и радиоэлектроники Кафедра «Приборостроение и телекоммуникации»

А. И. Черепанов 1 сентября 2008 г. Теория и технология литейных композиционных материалов

УДК ББК30.6 Ч-46 Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Теория и технология литейных композиционных материалов» подготовлен в рамках инновационной образовательной программы «Создание интегрированной образовательной программы по направлениям многоуровневой подготовки специалистов высшего профессионального образования в области новых материалов и технологий», реализованной в ФГОУ ВПО СФУ в 2007 г. Рецензенты: Красноярский краевой фонд науки; Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин Черепанов, А. И. Ч46Теория и технология литейных композиционных материалов. Презентационные материалы. Версия 1.0 [Электронный ресурс] : наглядное пособие / А. И. Черепанов. – Электрон. дан. (6 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, – (Теория и технология литейных композиционных материалов : УМКД / рук. творч. коллектива В. Г. Бабкин). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 6 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Microsoft PowerPoint 2003 или выше. ISBN (комплекса) ISBN (пособия) Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» от г. (комплекса) Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» от г. (пособия) Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Теория и технология литейных композиционных материалов», включающего учебную программу, конспект лекций, лабораторный практикум, методические указания по практическим занятиям, методические указания по самостоятельной работе, контрольно-измерительные материалы «Теория и технология литейных композиционных материалов. Банк тестовых заданий». Представлена презентация (в виде слайдов) теоретического курса «Теория и технология литейных композиционных материалов», охватывающая все темы данной дисциплины. Предназначено для студентов напр «Материаловедение и технология новых материалов» укрупненной группы «Металлургия, машиностроение и материалообработка». © Сибирский федеральный университет, 2008 Рекомендовано к изданию Инновационно-методическим управлением СФУ Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения информационно-аналитического департамента СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм. Подп. к использованию Объем 6 Мб Красноярск: СФУ, , Красноярск, пр. Свободный, 79

4 Лекция 1 План презентации Лекция 1 Лекция 2 Лекция 3 Лекция 4–5 Лекция 6 Лекция 7 Лекция 8 Лекция 9 Лекция 10 Лекция 11 Лекция 12 Лекция 13 Лекция 14 Лекция 15 Лекция 16 Лекция 17

SiO 2 Al 2 O 3 Ti,Mo Содержание полезных ископаемых в земной коре 5 Лекция 1 Cr, Ni, Cu Fe К плану презенации К плану презенации

N, см – бездефектные материалы; 2 – технически чистые материалы; 3 – легированные сплавы, (МПа) Лекция 1 Кривая Одинга. Прочность материалов в зависимости от количества в нем дефектов, N Кривая Одинга. Прочность материалов в зависимости от количества в нем дефектов, N К плану презенации К плану презенации

Прочность материалов в зависимости от способа упрочнения Размер и вид дефектов , (МПа) 7 Лекция 1 1 – бездефектные материалы; 2 – дисперсионно-упрочненные; 3 – упрочненные частицами; 4 – армированные волокнами К плану презенации К плану презенации

Матрица (основа) Упрочнитель (волокно) Плотность, кг/м 3 Предел прочности, Гн/м 2 Удельная прочность, кн м/кг Модуль упругости, Гн/м 2 Удельный модуль упругости, Мн м/кг Материал % (по объему) Никель Вольфрам , ,2 Молибден , ,25 Титан Карбид кремния , Алюминий Борное волокно , Стальная проволока , ,4 Магний Борное волокно , Полимерное связующее Углеродное волокно , Борное волокно , ,8 Механические свойства волокнистых композиционных материалов с непрерывными волокнами 8 Лекция 2 К плану презенации К плану презенации

Упрочнитель Температура плавления, С Плотность, кг/м 3 Предел прочности, Гн/м 2 Удельная прочность, Мн м/кг Модуль упругости, Гн/м 2 Удельный модуль упругости, Мн м/кг Непрерывные волокна Al 2 O ,10, B , C ,51,47250–400147–235 B4CB4C ,30, SiC ,50, W ,20, Mo ,20, Be ,50, Нитевидные кристаллы (усы ) Al 2 O * 7, AlN * 4, B4CB4C * 5, SiC * 8, Si 3 N * 4, C * 12, * Максимальные значения Свойства нитевидных кристаллов и непрерывных волокон 9 Лекция 2 К плану презенации К плану презенации

Схема изменения свойства КМ в зависимости от свойств компонентов и их количества 10 Лекция 3 Свойство АВ К плану презенации К плану презенации

Переход свойства Х в свойство У 11 Лекция 3 Переход свойства У в свойство Z Переход свойства X в свойство Z xy А yz В xz АВ y К плану презенации К плану презенации

______________________________________________________________________ Дисперсно- Волокнистые Эвтектические Включения: Матрицы: упрочненные (ВКМ) (ЭКМ) органика, органика, (ДКМ) стекло, пластмассы, металл, уголь, Ме-соединения металл, 1–2–3 вещества керамика, 1–2–3 вещества ______________________________________________________________________ Конструкции: Применение: По свойствам По технологии однонаправленный, конструкционные 2-направленный, (прочность) 3-направленный полупроводниковые под разными углами, со специальными сложное физ. свойствами, переплетение с производными свойствами 12 Лекция 3 Классификации КМ материаловедческая К плану презенации К плану презенации

Классификация композитов по конструктивному признаку 2. Одномерное армирование 3. Двумерное армирование 13 Лекция 3 1. Хаотическое армирование 4. Пространственно армированные структуры Короткие волокна Непрерывные Ткани Непрерывные нити на двух уровнях Ткани Непрерывные нити на двух уровнях Короткие волокна Непрерывные К плану презенации К плану презенации

Пространственные схемы армирования 14 Лекция 3 К плану презенации К плану презенации

Схема деформации скольжением краевой дислокации Диаграммы плавкости эвтектических систем 15 Лекция 4, 5 Лишняя полуплоскость (экстраплоскость) Исходное положение Конечное положение Промежуточные К плану презенации К плану презенации

Схема кристаллизации расплавов 1, 2 и 3 Схема влияния примеси – третьего компонента С на область растворимости фаз и в бинарной эвтектической системе А – В 16 Лекция 4, 5 Q ABAB C C К плану презенации К плану презенации

Структура эвтектических сплавов Схемы направленной кристаллизации 17 Лекция 4, 5 Стерженьки квадратные пластинки Треугольники «птички» Такой не бывает ЧохральскогоНКЗП К плану презенации К плану презенации

Схема продольного растяжения (сжатия) стержня 18 Лекция 6 Схема деформации сдвига S К плану презенации К плану презенации

а, б – NaCl; в, г – Al 2 O 3 19 Зависимость прочности нитевидных кристаллов от их диаметра Лекция 6 а б в г К плану презенации К плану презенации

Схема деформации 20 Лекция 6 При V 1 + V 2 = 1 относительные объемы К плану презенации К плану презенации

Схема сочетания объемных долей 1-й и 2-й фаз в композите Варианты: – матрица; 2 – включение; S – межфазная граница 21 Возможные варианты сочетания прочности фаз ЛКМ Лекция 6 К плану презенации К плану презенации

Схема рельефа межфазной поверхности 22 Лекция 6 К плану презенации К плану презенации

Среднее расстояние между частицами D p и λ ср 23 Лекция 7 DpDpDpDp λ ср К плану презенации К плану презенации

d а L N – общее количество частиц в КМ; n – количество частиц на одной грани куба; L – среднее расстояние между частицами; d – диаметр частиц; а – промежуток, занимаемый одной частицей; V ч – объемная доля частиц в КМ; V – единичный объем КМ Схема расположения частиц и размеров для расчета 24 Лекция 7 К плану презенации К плану презенации

Зависимость среднего расстояния между частицами ( L ) от размера частиц ( d ) и их объемной доли в ЛКМ ( V ч ) Объемная доля частиц, V ч 25 Лекция 7 L, x0.1 мм d = 0,3 мм; d = 0,2 мм; d = 0,1 мм; d = 0,01 мм; полиноминальная (d = 0,3 мм); полиноминальная (d = 0,2 мм); полиноминальная (d = 0,1 мм); полиноминальная (d = 0,01 мм) К плану презенации К плану презенации

Зависимость расчетной прочности (σ) ЛКМ от размера частиц ( d ) Al 2 O 3 и их объемной доли ( V ) Объемная доля частиц, V ч 26 Лекция 7 d = 0,3 мм; d = 0,2 мм; d = 0,1 мм; d = 0,01 мм; линейная (d = 0,3 мм); линейная (d = 0,2 мм); линейная (d = 0,1 мм); линейная (d = 0,01 мм) К плану презенации К плану презенации

Зависимость расчетной прочности (σ) ЛКМ от размера частиц ( d ) SiO 2 и их объемной доли ( V ) 27 Лекция 7 Объемная доля частиц, V ч d = 0,3 мм; d = 0,2 мм; d = 0,1 мм; d = 0,01 мм; линейная (d = 0,3 мм); линейная (d = 0,2 мм); линейная (d = 0,1 мм); линейная (d = 0,01 мм) К плану презенации К плану презенации

Зависимость внутренних напряжений σ внутр ЛКМ с частицами Al 2 O 3, SiO 2 от их объемной доли V ч 28 Лекция 7 Объемная доля частиц, V ч σ внутр (SiO 2 ); σ внутр (Al 2 O 3 ); линейная (σ внутр (Al 2 O 3 )) линейная (σ внутр (SiO 2 )); К плану презенации К плану презенации

Возможные варианты сочетания прочности фаз ЛКМ Содержание, % Содержание, % а б а – система Al–Al 2 O 3 ; б – система Al–SiO 2 29 Лекция 8 Зависимость предела прочности от содержания частиц в ЛКМ К плану презенации К плану презенации

Схема для расчета влияния межфазной границы на прочность ЛКМ 1 – ЛКМ систем Al–Al 2 O 3, Al–Ni; 2, 3 – другие возможные типы межфазной границы; 4 – ЛКМ системы Al–Fe 30 Лекция 9 К плану презенации К плану презенации

Зависимость удельной межфазной поверхности S уд = S / V от размера частиц d при объемной доле частиц V = 0,1 при объемной доле частиц V = 0,1 31 Лекция 9 К плану презенации К плану презенации

Взаимосвязь прочности и удельной межфазной поверхности ЛКМ при V = 0,1 32 Лекция 9 cистема Al–Al 2 C 3 ; Al–Fe; полиноминальная (система Al–Al 2 C 3 ); полиноминальная система Al–Fe) К плану презенации К плану презенации

Сравнение предела прочности ЛКМ типа Al–Al 2 O 3 в зависимости от объемной доли частиц, d = 0,1 мм 1 – V = 0,1; 2 – V = 0,2; 3 – V = 0,3 33 Лекция 9 Объемная доля частиц, V К плану презенации К плану презенации

1 2 3 Al 4 МеО 1 – частица материала матрицы; 2 – адсорбированные слои пыли, влаги, масла, газов соответственно; 3 – хемосорбированный слой; 4 – материал подложки 34 Лекция 10 Состояние поверхности подложки перед контактом с материалом матрицы К плану презенации К плану презенации

Ме 1 О Ме 2 О Ме 1 Ме 1 Ме 2 Ме 1 Ме 1 Ме 1 Ме 1 Ме 2 Ме 1 Ме 2 Ме 1 О·Ме 2 О Возможная модель взаимодействия матрицы алюминия и оксида металла в ЛКМ 35 Лекция 10 U под U вз ; U под = U мех + U теп + U эл ; σ хим = σ мах exp (1 – U вз / U под ); Me + MeO = Me; Me + Me = Me Me; MeO + MeO = MeO MeO; G T = H T – T S T К плану презенации К плану презенации

Маска Капля Толкатель 1 2 Воздух Поршень Термопара ПП Печь индукционная Газовый аккумулятор давления Расплав Камера Выпрямитель ВСА Электропневмоклапан ЭПК Образец Схема установки для метания жидких металлических частиц 36 Лекция 11 К плану презенации К плану презенации

Фактографический снимок зоны контакта капли металла после отрыва частицы от подложки (х100) 37 Лекция 11 К плану презенации К плану презенации

Прочность сцепления частицы с подложкой в зависимости от ее температуры частицы 38 Лекция 11 К плану презенации К плану презенации

Влияние промежутка времени между подготовкой подложки и метанием частицы на прочность сцепления при Т ч = 973 К и V = 50 м/с 39 Лекция 11 К плану презенации К плану презенации

Влияние скорости соударения материала частицы о подложку на прочность сцепления при Т = 973 К 40 Лекция 11 К плану презенации К плану презенации

Влияние давления в камере метания на прочность сцепления при Т = 973 К 41 Лекция 11 К плану презенации К плану презенации

Снимок поверхности частиц SiO 2, полученный на растровом электронном микроскопе (× 30000) 42 Лекция 12 Микрофотография поверхности частиц SiO 2 (× 70) К плану презенации К плану презенации

Пример механической связи в ЛКМ системы Al–Al 2 O 3 (× 240) 43 Лекция 12 К плану презенации К плану презенации

Интерметаллиды Содержание Ni, % Температура плавления (разложения), ºС Теплота образования ккал/г-атом Микро- твердость кг/мм 2 Aт.Вес. NiAl (разл)–9,078536–560 Ni 2 Al (разл)–13,62820 NiAl5068,51638 (плав)–14,095520–680 Ni 3 Al (плав)–9, Интерметаллиды, образующиеся в системе Al–Ni 44 Лекция 12 К плану презенации К плану презенации

Схема образования реакционной связи в ЛКМ, частица Al 2 O 3 покрыта Ni и находится в матрице алюминия 45 Лекция 12 До реакции После реакции К плану презенации К плану презенации

Диаграмма состояния системы Ni–Al 46 Лекция 12 К плану презенации К плану презенации

Схема образования реакционной связи в ЛКМ системы Al–SiO 2 (частицы) 47 Лекция 12 До реакции После реакции К плану презенации К плану презенации

Схема образования оксидной связи в ЛКМ системы Al – частицы SiO 2 48 Лекция 12 До реакции После реакции К плану презенации К плану презенации

Адгезия Номер рисунка Контактирующие поверхности Площадь контакта Следствия адгезии Жидкость1 Твердое тело – жидкость Значительная Формирование капель или тонкого слоя жидкости Пленка2 Твердое тело – твердое тело Значительная Экранировка поверхностей прилипшей пленкой Частицы3То жеОграниченная Преимущественное удержание мелких частиц Характеристика различных видов адгезии 49 Лекция 13 К плану презенации К плану презенации

а – в виде капли; б – в виде пленки; в – при нахождении ее в емкости; Г, Ж, Т – условные обозначения газовой среды, жидких и твердых тел 1 – основа (субстрат); 2 – пленка (адгезив) 50 Лекция 13 Адгезия пленок Адгезия жидкости К плану презенации К плану презенации

Адгезия: a – отдельных частиц; б – монослоя и полислоя; в – частиц Исходное положение и положение в период взаимодействие: а – ориентационное; б – индукционное; в – дисперсионное 51 Лекция 13 Различные виды межмолекулярного взаимодействия К плану презенации К плану презенации

Неполярные молекулы H2H2 N2N2 CH 4 Энергия дисперсионного взаимодействия Полярные молекулы HClNH 3 H2OH2O Энергия следующих видов взаимодействия Ориентационного Индукционного 610 Дисперсионного Значения энергии межмолекулярного взаимодействия для некоторых неполярных и полярных молекул с учетом того, что водородные связи включены в состав дисперсионного взаимодействия 52 Лекция 13 Все величины даны в условных единицах К плану презенации К плану презенации

А – молекула внутри жидкости; Б – молекула на поверхности; В – гребень на поверхности 53 Лекция 14 Схема образования поверхностного натяжения К плану презенации К плану презенации

Рамка с двухсторонней пленкой жидкости 54 Лекция 14 К плану презенации К плану презенации

а – исходное; б – после уменьшения краевого угла; в – после увеличения краевого угла 55 Лекция 14 Положение капли на поверхности К плану презенации К плану презенации

Изменение размеров отливки и стержня в процессе охлаждения в металлической форме l 298ст = l ст (1 – ст Т ст ), l 298от = l от (1 – от Т от ), где l ст и l от – размер стержня и отливки при температуре кристаллизации; l 298 ст, l 298 от – то же при Т = 298 К; Т ст, Т от – температурный интервал охлаждения стержня и отливки до 298 К. В момент извлечения стержня l от = l ст, тогда, приравнивая приведенные выше уравнения, получим: где 56 Лекция 15 К плану презенации К плану презенации

или в общем виде: Расчетные коэффициенты линейного расширения ЛКМ при Т = 298 К в зависимости от объемной доли частиц 57 Лекция 15 КТР, а10 E–6 К плану презенации К плану презенации

Изменение коэффициента линейного расширения ЛКМ системы Al–Al 2 O 3 от температуры и содержания частиц 58 Лекция 15 КТР, 10E –06 К плану презенации К плану презенации

Зависимость коэффициента линейного расширения ЛКМ типа Al–SiO 2 от температуры и содержания частиц от температуры и содержания частиц 59 Лекция 15 КТР, Е10 –6 К плану презенации К плану презенации

Зависимость линейной усадки от содержания частиц в ЛКМ 60 Лекция 15 AI–AI 2 O 3 расчет; AI–SIO 2 расчет; AI–AI 2 O 3 «Эксперимент»; линейная (AI–AI 2 O 3 расчет) К плану презенации К плану презенации

Самопроизвольная пропитка а – с погружением каркаса 2 под зеркало матричного расплава 1; б – с совместным нагревом 1 и 2 и пропиткой сверху; в – с заливкой металла 1 в форму 3 и с использованием предварительно агрегатированной вставки 4 61 Лекция 16 Схемы самопроизвольной пропитки абв К плану презенации К плану презенации

1 – волокна; 2 – распределительное устройство; 3 – тигель; 4 – нагреватель; 5 – формообразующее устройство; 6 – кристаллизатор 62 Лекция 16 Схема установки вертикального типа К плану презенации К плану презенации

1 – камера с инертной средой; 2 – катушка с углеродным жгутом; 3 – углеродный жгут; 4 – газовый реактор; 5 – ввод инертного газа; 6 – проволока-полуфабрикат; 7 – приемная катушка; 8 – ванна с матричным расплавом; 9 – печь с инертной средой; 10 – титановый порошок; 11 – жидкий цинк; 12 – ввод хлоридов 63 Лекция 16 Схема титаноборидного процесса К плану презенации К плану презенации

Схема сифонной заливки 64 Лекция 16 К плану презенации К плану презенации

Схема установки для композиционного литья 1 – армирующие частицы; 2 – импеллер; 3 – печь сопротивления; 4 – тигель; 5 – расплав; 6 – стопор; 7 – литейная форма Принудительная пропитка 65 Лекция 16 К плану презенации К плану презенации

Необходимое число оборотов n 0 мешалки-активатора, при котором достигается равномерное распределение дисперсной фазы во всем объеме композиций, можно оценить по следующей критериальной зависимости где – разность плотностей дисперсионной среды и дисперсной фазы, кг/м 3 ; – поверхностное натяжение, Дж/м 3 ; – плотность дисперсионной среды, кг/м 3 ; D – диаметр тигля, м; d a и h – диаметр и высота мешалки-активатора, м; H – высота расплава в тигле, м. Влияние добавок на усвоение дисперсных частиц TiC 66 Лекция 16 Добавки, % TiC усв, % 1,25 0, ,25 46 Cu Si Mg Cd Sb Sn Zn К плану презенации К плану презенации

1 – катушка электромагнитного устройства; 2 – тигель с расплавом; 3 – вынужденные ЭМП потоки расплава; 4 – источник УЗО Схема получения композита с применением ультразвуковой обработки и электромагнитного перемешивания 67 Лекция 17 К плану презенации К плану презенации

Схема компрессионного литья с прямым прессованием 68 Лекция 17 а б вг К плану презенации К плану презенации

Схема установки центробежного Схема установки центробежного композиционного литья 69 Лекция 17 К плану презенации К плану презенации

Схема установки для вакуумно-компрессионной пропитки 70 Лекция 17 К плану презенации К плану презенации

1 – тигель с расплавленным металлом; 2 – плазмотрон; 3 – дозатор реагентов; 4 – механизм перемещения плазмотрона; 5 – система газоснабжения; 6 – пульт управления; 7 – источник питания Схема плазменной установки 71 Лекция 17 К плану презенации К плану презенации

Литейный композиционный материал системы Al–SiO 2 а б а – х320, Т = 1173 К; б – х1240, Т = 1073 К Микроструктура ЛКМ Al–SiO 2 20 %, Т = 1473 К 72 Примеры получения ЛКМ Микроструктура ЛКМ Al–SiO 2 20 % К плану презенации К плану презенации

Литейный композиционный материал систем Al–SiO 2 –Ni и Al–Al 2 O 3 –Ni а б а – Al–Al 2 O 3 –Ni; б – Al–SiO 2 –Ni (х1250) Al–Al 2 O 3 –Ni (х1250) 73 Примеры получения ЛКМ Микроструктура ЛКМ Микроструктура ЛКМ системы К плану презенации К плану презенации

Литейный композиционный материал системы Al–Ni а б а – х320; б – х1250 а б а – х320; б – х Примеры получения ЛКМ Микроструктура ЛКМ системы Al–Ni10 %, d = 0,1 мм; Т = 1173 К Микроструктура ЛКМ системы Al–Ni10 %, d = 0,1 мм; Т = 1473 К К плану презенации К плану презенации

Композиция алюминий – никель, d = 0,1 мм, С = 25 % 75 Примеры получения ЛКМ Литейный композиционный материал системы Al–Ni К плану презенации К плану презенации

Литейный композиционный материал системы Al–Fe а б а – х320; б – х Примеры получения ЛКМ Микроструктура ЛКМ типа Al–Fe25 %, d = 0,1 мм К плану презенации К плану презенации