Целями освоения дисциплины «Композиционные материалы» являются формирование у студентов представления о современных композиционных материалах, основ их создания, механических и функциональных свойств, а также физических моделей развития деформации и разрушения композиционных материалов.
Изучение дисциплины предполагает выполнение следующих задач:
- Основные типы композиционных материалов, в том числе нанокомпозиты;
- Механизмы деформации волокнистых композиционных материалов, дисперсионно-твердеющих и дисперсно-упрочненных сплавов;
- Теоретическое описание модулей упругости и внутренних полей напряжений в композитах;
- Теоретическое представление о разрушении композитов.
Содержание дисциплины
1. Основные типы композиционных материалов
Введение. Место композиционных материалов (КМ) в современном материаловедении. Определение КМ. Типы КМ – волокнистые КМ, дисперсионно-упрочненные и дисперсионно-твердеющие сплавы. Волокна и матрица. Архитектура волокн. Термическая стабильность КМ. Металлическая матрица. Связи на поверхностях раздела КМ. Взаимная диффузия и химические реакции. Остаточные напряжения. Экспериментальное измерение сил связи.
2. Микромеханика деформации и разрушения волокнистых композиционных материалов.
Упругая деформация анизотропных волокнистых КМ. Вывод правила смеси. Закон Гука для волокнистых КМ с бесконечными волокнами. Стадии пластической деформации волокнистого КМ. Критическая длина волокон. Минимальная объемная доля волокн. Напряжения и деформации в композитах с короткими волокнами. Разрушение КМ. Перераспределение напряжений между волокнами и матрицей. Метод Эшелби для оценки внутренних напряжений. Процедура метода вырезки и склейки. Обратные напряжения. Основные механизмы деформации дисперсионно-твердеющих и дисперсно-упрочненных сплавов. Скольжение и двойникование в дисперсионно-твердеющих сплавах. Мартенситное превращение при деформации сталей и сплавов как пример композиционного материала с зависящей от деформации объемной долей второй фазы. Дислокационное описание начала пластического течения в дисперсионно-твердеющих сплавах.
3. Способы получения композиционных материалов. КМ с эффектом паяти формы и сверхэластичности.
Получение КМ методами порошковой металлургии. Направленная кристаллизация эвтектических сплавов. Примеры применения КМ. КМ с новыми функциональными свойствами. Эффект памяти формы и сверхэластичности в дисперсионно-твердеющих сплавах на основе никелида титана. Упругое двойникование в дисперсионно-твердеющих сплавах на медной основе с низкой энергией дефекта упаковки матрицы.
Контрольные вопросы
- По какому признаку происходит классификация композиционных материалов?
- Почему волокнистые композиционные материалы обладают анизотропией механических свойств?
- Какие предположения необходимо сделать для вывода правила смеси для напряжений в композиционном материале?
- Почему поликристалл чистого металла можно рассматривать как композиционные материалы?
- Как экспериментально проверить выполнимость правила смеси для напряжения течения в композиционном материале?
- Почему механические свойства композиционного материала с бесконечными волокнами выше, чем с короткими при одной и той же объемной доле волокна?
- В чем состоит отличие в понятии дисперсно-твердеющих сплавов от дисперсно-упрочненных?
- Что такое совместность деформаций на примере волокнистого композиционного материала?
- Почему в волокнистых композиционных материалах возникают обратимые внутренние напряжения?
- Как выполняются условия совместности при мартенситных превращениях в композиционных материалах?
- Почему твердый раствор замещения и твердый раствор внедрения не являются композиционными материалами?
- Почему эффекты обратимой пластичности наблюдаются в композиционных материалах с недеформируемыми частицами при их деформации скольжением, двойникованием и за счет мартенситного превращения?
- Какие стадии наблюдаются при деформации композиционного материала?
Приблизительные вопросы для зачета
- Современные композиционные материалы, их классификация.
- Определение композиционного материала. Типы композиционных материалов с металлической матрицей.
- Классификация композиционных материалов с неметаллической матрицей.
- Правило смеси для определения предела текучести композита и модуля упругости.
- Понятие критической объемной доли волокон при разрушении композитов.
- Концептуальные основы создания композиционных материалов.
- Принципы создания композиционных материалов.
- Композиционные материалы и его составляющие.
- Правило смеси для определения напряжений разрушения композиционных материалов с бесконечными волокнами.
- Правило смеси для определения напряжений разрушения композиционных материалов с волокнами конечной длины.
- Стадии упругой и пластической деформации композиционных материалов с волокнами конечной и бесконечной длины.
- Анизотропия прочностных свойств волокнистых композиционных материалов.
- Метод Эшелби для оценки внутренних напряжений в бесконечном и конечном композите.
- Роль внутренних напряжений в деформационном упрочнении и разрушении композитов.
- Механизмы взаимодействия дислокаций с когерентными и некогерентными частицами при пластической деформации композиционных материалов.
- Скольжение, двойникование и мартенситные превращения в композиционных материалах с металлической матрицей.
- Мартенситное превращение при деформации сталей, как пример композиционного материала, зависящий от деформации объемной доли второй фазы.
- Понятие о геометрически необходимых дислокаций, возникающих при пластической деформации композиционных материалов с керамическими частицами.
- Получение композиционных материалов методами порошковой металлургии, направленной кристаллизации.
- Композиционные материалы с эффектом памяти формы и сверхэластичности.
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
- Современные композиционные материалы, под редакцией Л.Браутмона и Р. Крюка. Из-во Мир, М., 1970, с. 13-157, 249-262, 286-303
- Г.С. Хомистер, К. Томак. Материалы, упрочненные волокнами. М., Металлургия, 1969, с.18-117
- D. Hull, T.W. Clyne. An introduction to composite materials. Second edition, Cambridge University Press, 1996, pp 1-8; 60-77; 121-131
- А. Келли. Высокопрочные материалы. Из-во Мир, м. 1976, с. 8-242
- В. Кристенсен. Введение в механику композитов. Из-во Мир, 1982, с.25-35
- Сплавы с эффектом памяти формы под ред. Фунакубо Х. М., Металлургия, 1990, с.24-41
- Ф. Макклиптон, А. Аргон. Деформация и разрушение материалов. Из-во Мир, М., 1970, с. 255-309
б) дополнительная литература:
- Физика прочности и пластичности под ред. А. Аргона. М., Металлургия, 1972, с. 294- 303
- К.А. Малышев, В.В. Сагарадзе и др. Фазовый наклеп аустенитных сплавов на основе железо-никелевой основе. Из-во Наука, М., 1982, с. 166-204