+ All Categories
Home > Documents > COMPOZITE METALICE

COMPOZITE METALICE

Date post: 02-Jun-2018
Category:
Upload: dumitrurazvan
View: 284 times
Download: 1 times
Share this document with a friend
32
8/10/2019 COMPOZITE METALICE http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 1/32 COMPOZITE METALICE  CONSIDERAŢII GENERALE Materialele compozite metalice sunt amestecuri de două sau mai multe componente (dintre care componenta de bază este un metal sau un aliaj), ale căror proprietăţi se completează reciproc, rezultând un material cu proprietăţi superioare celor specifice fiecărui component în parte. Din punct de vedere tehnic, noţiunea de materiale compozite se referă la materialele care posedă următoarele proprietăţi ! sunt create artificial, prin combinarea ! voită, raţională ! a diferitelor componente" ! reprezintă o combinare a cel puţin două materiale deosebite din punct de vedere chimic, între care e#istă o suprafaţă de separaţie distinctă" !prezintă proprietăţi pe care nici un component luat separat nu le poate avea. $ompozitul cuprinde deci un material de bază, matricea, în care se află dispersat un material complementar sub formă de particule sau fibre, iar principalele proprietăţi care se urmăresc să se obţină sub o formă îmbunătăţită sunt rezistenţa la rupere, rezistenţa la uzare, densitatea, rezistenţa la temperaturi înalte, duritatea superficială, stabilitatea dimensională, capacitatea de amortizare a vibraţiilor. După forma %eometrică a materialului complementar compozitele metalice pot fi !  compozite cu fibre discontinue (fibre scurte, mono sau multifilamente)" ! compozite cu fibre continue; ! compozite cu particule mari (%rafit, o#izi, nitruri, carburi, aliaje), acestea având dimensiuni mai mari de & 'm i diferite forme sferică, plată, elipsoida, nere%ulata" ! compozite cu microparticule (la care materialul dispersat în matrice reprezintă & ..& %. iar diametrul mediu al particulelor nu depăete de re%ulă *,& 'm) ! compozite lamelare stratificate.  Dei e#istă o varietate mare de compozite care pot fi realizate, ale%erea unui anumit material este dictată de o serie de condiţii concrete, între care predomină cele le%ate de costul de producţie i de %radul de comple#itate al tehnolo%iei care poate fi adoptată.  +a proiectarea oricărui material compozit trebuie avută în vedere compatibilitatea dintre elementele componente, compatibilitate care poate fi privită sub aspect fizic i chimic.  n ceea ce privete compatibilitatea fizică, un factor important îl reprezintă diferenţa,  Aa, în valoare absolută, dintre coeficienţii specifici de dilatare ai matricei i materialului complementar.  +a temperaturi la care matricea i materialul dispersat nu mai suferă deformări plastice, diferenţa dintre coeficienţii de dilatare  - a (/ / fiind temperatura, în 0$, determină apariţia tensiunilor interne, periculoase, cu efectele ne%ative care decur% din aceasta.  1 aită condiţie, care apare la producerea compozitelor prin cuplarea materialului complementar cu &
Transcript
Page 1: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 1/32

COMPOZITE METALICE 

  CONSIDERAŢII GENERALE 

Materialele compozite metalice sunt amestecuri de două sau mai multe componente (dintre carecomponenta de bază este un metal sau un aliaj), ale căror proprietăţi se completează reciproc, rezultândun material cu proprietăţi superioare celor specifice fiecărui component în parte.

Din punct de vedere tehnic, noţiunea de materiale compozite se referă la materialele care posedăurmătoarele proprietăţi

! sunt create artificial, prin combinarea ! voită, raţională ! a diferitelor componente"! reprezintă o combinare a cel puţin două materiale deosebite din punct de vedere chimic,

între care e#istă o suprafaţă de separaţie distinctă"!prezintă proprietăţi pe care nici un component luat separat nu le poate avea.$ompozitul cuprinde deci un material de bază, matricea, în care se află dispersat un material

complementar sub formă de particule sau fibre, iar principalele proprietăţi care se urmăresc să se obţinăsub o formă îmbunătăţită sunt rezistenţa la rupere, rezistenţa la uzare, densitatea, rezistenţa latemperaturi înalte, duritatea superficială, stabilitatea dimensională, capacitatea de amortizare avibraţiilor.

După forma %eometrică a materialului complementar compozitele metalice pot fi!  compozite cu fibre discontinue (fibre scurte, mono sau multifilamente)"! compozite cu fibre continue;

! compozite cu particule mari (%rafit, o#izi, nitruri, carburi, aliaje), acestea având

dimensiuni mai mari de & 'm i diferite forme sferică, plată, elipsoida, nere%ulata"! compozite cu microparticule (la care materialul dispersat în matricereprezintă & ..& %. iar diametrul mediu al particulelor nu depăete de re%ulă *,& 'm)! compozite lamelare stratificate.

  Dei e#istă o varietate mare de compozite care pot fi realizate, ale%erea unui anumit material estedictată de o serie de condiţii concrete, între care predomină cele le%ate de costul de producţie i de%radul de comple#itate al tehnolo%iei care poate fi adoptată.  +a proiectarea oricărui material compozit trebuie avută în vedere compatibilitatea dintreelementele componente, compatibilitate care poate fi privită sub aspect fizic i chimic.  n ceea ce privete compatibilitatea fizică, un factor important îl reprezintă diferenţa, Aa, în valoareabsolută, dintre coeficienţii specifici de dilatare ai matricei i materialului complementar.

  +a temperaturi la care matricea i materialul dispersat nu mai suferă deformări plastice, diferenţadintre coeficienţii de dilatare

  - a (// fiind temperatura, în 0$, determină apariţia tensiunilor interne, periculoase, cu efectele ne%ative caredecur% d in aceasta.  1 aită condiţie, care apare la producerea compozitelor prin cuplarea materialului complementar cu

&

Page 2: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 2/32

matricea aflată în stare topită, este ca punctul de topire al fibrelor sau particulelor să fie superior celuial matricei. 2e evită astfel de%radarea prin topire a materialului dispersat.  Compatibilitatea chimică se referă la ine#istenţa sau la desfăurarea într!o mică măsura a reacţiilor dintre componente. stfel, la temperaturi ridicate se intensifică procesele de difuzie i se pot formacompui fra%ilizanţi, care anulează le%ătura directă dintre componente, rezultând o scădere importantă

a rezistenţei mecanice a materialului compozit.  2toparea proceselor de interacţiune chimică se poate realiza prin următoarele mijloace  !ale%erea unor parametri convenabili de producere a materialului compozit, cum ar fi temperaturai durata procesului de realizare a amestecului  !ale%erea unor anumite cupluri de materiale, în cazul cărora interacţiunile de la interfaţă suntreduse"  !acoperirea fibrelor sau particulelor cu materiale care să împiedice desfăurarea proceselor dedifuzie între componente, procese care sunt direct răspunzătoare de interacţiunea chimică de la interfaţă

3ste necesar însă de precizat că nu întotdeauna se urmărete eliminarea completă a fenomenelor denatură chimic4 de la interfaţă, deoarece e#istenţa unei zone de interacţiune poate uneon crea o le%ătură puternică între componentele materialului compozit, ivând consecinţe favorabile asupra comportării

acestuia la solicitări mecance.Denumirea materialului compoziteste dată de obicei de natura matricei, putându!se astfel distin%edouă cate%orii mari de compozite metalice i nemetalice.

$ompozitele metalice reprezinţi o cate%orie distinctă de materiale. 5aţă de compozitele cu matriceor%anică, 6ceste materiale pot fi folosite la temperaturi mai ridicate, fiind rezistente la ap7indere i laacţiunea solvenţilor or%anici, iar faţă de compozitele ceramice, pnzintă o tenacitate mai bună i pot fi prelucrate mai uor.

$ele mai cunoscute compozite metalice au matricea pe bază de l, $u, M%, 8i sau din aliajeferoase i superaliaje, faza dispersată (sub formă de fibre sau particule) fiind constituită din %rafit, 9:;,o#izi (l<1=,l<*=!2i*<, /i*<, >r1<), carburi (2i$, /i$) sau nitruri (2i= 8?, &8).

1 lar%ă răspândire o au compozitele din sistemele l!%rafit, l!2i$ i l!&<*", care se folosesc până

la temperaturi de circa ?*0$. @entru temperaturi mai mari atunci când nu sunt probleme le%ate de%reutatea piesei, se recomandă să se utilizeze compozitele pe bază de 8i i superaliaje.An aplicaţiile (numeroase) în care se cer proprietăţi tribolo%ice deosebite se recomandă folosirea

compozitelor metalice cu particule. ceste compozite sunt mai uor de obţinut, comparativ cu cele cu fibre,i sunt deci mai ieftine, motiv pentru care au căpătat o mare răspândire.

$ompozitele metalice se obţin în cea mai mare măsură prin turnare sau metalur%ia pulberilor (ca pulberi metalice se folosesc cele de $o, 8i, $r, ;, Mo, /i, iar ca material ceramic pulberi de &<*=,M%1, carburi, nitruri, boruri etc.)  n tabelul &.& sunt trecute câteva cupluri de materiale matrice!fază complementară, în special subformă de particule, destinate turnării.

$riteriile care stau la baza ale%erii fazei complementare sunt le%ate de proprietăţile i forma

%eometrică a acesteia densitatea, modulul de elasticitate, rezistenţa la rupere, punctul de topire,stabilitatea dimensională termică, mărimea i confi%uraţia fibrelor sau particulelor, compatibilitateafizică i chimică faţă de materialul matricei. Bn  factor de asemenea important este costul de producere, care se reflecta tn preţul final al materialului compozit.

<

Page 3: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 3/32

Page 4: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 4/32

?

Page 5: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 5/32

2. FAZELE CONSI!I"E ALE CO#$OZIELOR #EALICE 

2.1. #ARICEA

Matricele metalice s!au folosit din necesitatea de!a obţine compozite care să poată fi utilizate ltemperaturi relativ ridicate, comparativ cu cele cu matrice or%anică. Metalele (aliajele) prezintă i alt proprietăţi care le recomandă în calitate de matrice proprietăţi mecanice bune, conductivitate termică conductivitate electrică ridicate, rezistenţă mare la aprindere, stabilitate dimensională, capacitate bună d prelucrare, porozitate (determinată de %aze) scăzută. în schimb, densitatea este relativ ridicată (&,C?...C%:cm=), iar fabricarea compozitelor este uneori destul de dificilă. @rincipalele aliaje folosite ca matrice suncele pe bază de l, $u, M%, /i, 5e, superaliajele .a. (tab. <.&), i intră în procesul de fabricaţie în starsolidă (pulbere), lichidă, păstoasă sau în stare de vapori.

An cazul matricelor metalice, rezistente la temperaturi ridicate, nu se poate folosi un matericomplementar or%anic, ci de natură ceramică sau metalică.

@entru materialele destinate produselor care lucrează la temperaturi mai mici de ?*0$. se poa

utiliza ca matrice metalică aluminiul i aliajele sale datorită costului relativ scăzut, densităţi micconductivităţii termice ridicate, fluidităţii bune i prelucrării uoare.

în vederea îmbunătăţirii comportării aliajelor de aluminiu la temperaturi ridicate se recomandutilizarea titanului ca element de aliere. @rezenţa titanului conduce la precipitarea fazei de /il =, camărete stabilitatea termică i influenţează pozitiv caracteristicile structurii primare (temperatură ridicade topire, /t - &==*0$" reţeaua cristalină a aluminiului se cuplează cu un minim de deformare elastică creţeaua tetra%onală a /il=" difuzivitate scăzută în aluminiu D - &,EF. 1 &? cm<:s).

An ultimul timp, s!au impus tot mai mult titanul i aliajele sale care prezintă o bună ductilitate, iinteracţiunea chimică cu materialul complementar poate fi ţinută sub control. /itanul prezintă două stăalotropice

! α /i, stabilă la temperaturi mai mici de GG<0$, având o reţea cristalo%rafică he#a%onală compact

! H /i, stabilă la temperaturi mai mari de GG<0$ i caracterizată de o reţeacubică cu volum centrat.

ceste materiale au densităţi mici i rezistenţă la rupere bună (în special aliajele de titan aliat cu l, IMo, $r etc), fra%ilitate la rece redusă, iar  coeficientul de dilatare liniară este de &,? ori mai mic decât cel fierului i de <,G ori mai mic decât cel al aluminiului, ceea ce înseamnă o mai mare stabilitadimensională la temperaturi ridicate.

Page 6: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 6/32

/abelul <.& Proprietăţi termofizice ale principalelor materiale

utilizate ca matrice metalică

Materialul metalic $ălduraspecifică,JK:(J%.L)

$onductivitateatermică,;:(m.L)

$oeficientul dedilatare,#l1E 0$

luminiul i aliajelesale

*,GC!*,FG* &=*!<?C <<,F*!<=,E*

$upru i aliajelesale

*,=CE!*,?=F &GF!=F& &E,<*!&G.=*

liaje pe bază dema%neziu

&,* &**!&*C <E,&*!<E,E*

liaje pe bază detitan

*,?*!*.EC* E,E*!&F F!F,*

2uperaliaje *,?*!*,?< &*,F!&<,C &*.E!&&,F

@lumbul i aliajele2che

*,&<F!*.<&* =,*!?E. <=.?!<F.=

r%int *,<=? ?&G,C &F,EG

ur *,&=& =** &?.<

 8iobiu *,<EG E?F C,&

1ţel ino#idabil *,* &E,< &C,<

3lementele de aliere modifică în limite lar%i temperatura de transformare alotropică i permite menţinerea control a interacţiunii chimice dintre matrice i materialul complementar.

2.2. FAZA CO#$LE#ENARA

Materialele complementare, utilizate în scopul ranforsării matricei sau pentru inducerea proprietăţiautolubrifiere materialului compozit, diferă între ele prin natura chimică i confi%uraţie.

După confi%uraţie, materialele complementare se împart în două mari cate%orii  %ibre i  particfiecare cate%orie incluzând numeroase alte tipuri, diferenţiate după mărime, după raportul lun%ime:diami după compoziţia chimică în secţiune transversală.

$omparativ cu fibrele, particulele sunt mai uor de realizat i de în%lobat în materialul matriceischimb, fibrele sunt de neînlocuit dacă se urmărete obţinerea unui compozit cu tenacitate ridicată.

2.2.(. FI)RE 

5ibrele sunt folosite ca elemente de ranforsare, având rolul de!a prelua o mare parte din solicitărilcare este supus materialul matricei.

1 foarte mare e#tindere o au fibrele din materiale ceramice. $alităţile deosebite ale materiaceramice (duritate mare, densitate mică, rezistenţă sporită la acţiunea a%enţilor chimici etc.) nu sunt puse

Page 7: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 7/32

re%ulă, în evidenţă datorită prezenţei defectelor interne i superficiale, care determină o fra%ilitate crescnsă, prin prelucrarea sub formă de fibre, numărul acestor defecte se micorează, iar în cazul în%lobfibrelor într!o matrice ductilă, fisurile produse prin ruperea unor fibre nu se mai propa%ă, dato plasticităţii matricei.   Fibrele continue sunt caracterizate prin valori l/d (: !lun%ime, d - diametru) ridicate(NN &***)

având forma unor fire simple (monofilamente, d > &** 'm) sau răsucite (multifilamente), cu diametrul...< 'm.  Fibrele discontinue se pot produce ca atare sau rezultă prin fra%mentarea

(tocarea) fibrelor cu lun%ime mai mare i se împart în următoarele cate%orii! fibre discontinue lun%i, caracterizate prin raportul l/d - =**... &***.

+un%imea acestor fibre este de ordinul milimetrilor,iar diametrul are valoricuprinse între = i &* 'm"

! fibre discontinue scurte, obţinute prin tăierea fibrelor continue saudiscontinue lun%i, sunt caracterizate de valori ale raportului l/d de circa &**,cu l  O =** 'm, iar d ! = 'm"  5ibrele lun%i i scurte se mai denumesc fibre discontinue obinuite.

  ! fibre discontinue foarte scurte (PhisJers) cu dimensiuni reduse "d Q & 'm), constituite dinmonocristale filiforme de natură ceramică sau realizate din bor, carbon etc.5ibrele discontinue, lun%i i scurte, se pot obţine din orice material, însă în tehnica produc

materialelor compozite prezintă un interes deosebit cele din ceramică i carbon.5ibrele se pot introduce în matrice într!o proporţie de până la =*R (volum), în cazul fibre

discontinue, i de până la E*...G*R în cazul celor continue. @rin modul de poziţionare în matrice se ob proprietăţi omo%ene (izotropie), dacă orientarea este aleatoare, i proprietăţi neomo%ene (anizotropdacă fibrele au o orientare selectivă, situaţie caracteristică fibrelor continue.

$aracteristicile fibrelor care prezintă interes tehnolo%ic sunt ri%iditatea, densitatea (scăzută), durit(mare), coeficientul de dilatare termică (redus), rezistenţa specifică la rupere (ridicată), fle#ibilita(proprietate importantă la realizarea împletiturilor) i coeficientul de formă.

Si%iditatea, rezistenţa la rupere i densitatea ! proprietăţi importante ale fibrelor ! depind în mmăsură de structura lor cristalină i de porozitate. De menţionat că sub o anumită valoare a ri%idifibrele nu pot fi folosite în procesul de fabricare a compozitelor.

5ibrele discontinue foarte scurte i cele de sticlă sunt caracterizate de valori ridicate ale rezistenţerupere. în schimb, în cazul materialelor policristaline limitele de separaţie dintre cristale reprezintă ndiscontinuităţi, care, prin efectul de concentrare a tensiunilor pot depăi local rezistenţa teoretică de ruchiar la tensiuni nominale relativ mici. Din acest motiv se consideră deseori că rezistenţa la rupematerialelor policristaline este invers proporţională cu mărimea cristalelor. în %eneral, mărimea cristaldin fibrele pe bază de alumină sau alumină!silice este mai mare decât a celor din fibrele de carbon, borcarbură de siliciu.

$reterea cristalinităţii va determina o mărire a modulului de elasticitate, concomitent cu o scăde

rezistenţei la rupere. cest efect este pre%nant i uor observabil în cazul fibrelor de carbon i de alumin@roprietăţile cele mai bune se obţin pentru fibrele de carbon, fibrele monofilament de bor i fibmonofilament i cele foarte scurte din carbură de siliciu de înaltă puritate. în schimb, producerea acefibre este costisitoare, iar în%lobarea lor într!o matrice din metal uor ridică unele probleme tehnolo%De aceea, de multe ori se preferă utilizarea fibrelor din alumină!silice, cu proprietăţi fizice mai scăzînsă mai ieftine i mai uor de în%lobat în matricele din metale uoare.

$omparativ cu fibrele din metal, cele din material ceramic prezintă un coeficient redus de dilatermică i o duritate mai mare. Ialorile scăzute ale coeficientului de dilatare permit obţinerea umateriale cu o stabilitate dimensională foarte ridicată.

Page 8: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 8/32

5le#ibilitatea, definită prin capacitatea fibrelor de!a se îndoi fără să se deterioreze, poate fi e#primat prin raportul dintre rezistenţa la rupere la tracţiune i produsul dintre modulul de elasticitate i diametrfibrei la pătrat, i are valorile cele mai mari în cazul fibrelor foarte scurte. Ialorile coeficientului de formtrebuie să fie suficient de mari (l:d - =*...*), pentru a evita smul%erea fibrei din matrice sub sarcină. @r

urmare, pentru fibre cu un diametru de <* 'm, o lun%ime a acestora de lmm asi%ură condiţii optimtransferului de sarcină de la matrice la fibre.5olosirea fibrelor scurte, cu diametrul mai mic de = #m poate produce unele boli profesionale deoarece

aceste dimensiuni sunt inhalate uor odată cu acrul impurificat respirat.1 cerinţă esenţială care apare la utilizarea fibrelor este ca matricea să adere cât mai bine la suprafa

materialului complementar, fără să apară procese importante de coroziune.în cazul unor reactivităţi ridicate ale fibrelor faţă de matrice se recomandă acoperirea fibrelor cu materia

nereactive, inhibându!se astfel procesul de coroziune. /ehnica acoperirii se aplică frecvent pentru tratarefibrelor de carbon, bor sau carbură de sil iciu.

+a ale%erea cuplului matrice!fibre se ţine adeseori seama de posibilitatea apariţiei unor compui între cedouă materiale. stfel, de e#emplu, fibrele conţinând silice sunt atacate de topitura de M%, i de /i sau 8i

stare solidă, ducând la apariţia unor siliciuri. De aceea, se preferă folosirea acestor fibre pentru armarematricelor din aliaje l!2i, care prezintă o reactivitate mai scăzută i au un efect mai puţin distructiv asuprfibrelor.

în matricele metalice fibrele de carbon trebuie protejate împotriva formării carburilor sau împotrivcoroziunii electrolitice.

3fectul distructiv al unor reacţii chimice poate fi limitat i prin adoptarea unei anumite tehnolo%ii d producere a compozitelor, care evită desfăurarea intensă a acestor reacţii.

Metodele de producere a fibrelor s!au dezvoltat în paralel cu creterea interesului pentru aceste materialDei e#istă o mare varietate de procedee de fabricaţie, tehnolo%iile actuale se pot încadra în următoarele trcate%orii principial distincte

! tra$erea din topitura. folosită pentru producerea fibrelor de alumină!silice, sau etrac&ia di

topitura, utilizată la obţinerea firelor din aliaje amorfe"! transformarea 'n stare solidă, metodă utilizată la producerea fibrelor de carbon, carbură de silicialumină!silice sau o#id de zirconiu, atât pentru cele continue (multifilament), cât i pentru cele discontinuobinuite. @rocesul are la bază folosirea unui precursor sub formă de fibre, transformat în urma unui tratamentermic în materialul care se urmărete să se obţină în final"! cre(terea din stare de )apori, metodă folosită pentru producerea fibrelor foarte scurte (monocristaline) saua fibrelor continue monofilament. 5ibrele monofilament se obţin prin depunerea unui material pe fibre supo(cum ar fi depunerea de carbură de siliciu sau de bor pe fibre suport de Polfram sau carbon).

  5iecare din metodele prezentate are avantaje i dezavantaje. stfel, de e#emplu, tra$erea din

topitură este foarte ieftină, dar nu asi%ură o calitate superioară fibrelor produse. Dimpotrivă, metodacunoscută sub numele de cre(tere din stare de )apori conduce la obţinerea unor fibre de calitate

e#cepţională, dar care au un cost ridicat.

2.2.2. $ROD!CEREA FI)RELOR #ONOCRISALINE 

5ibrele constituite dintr!un sin%ur cristal, filiform, numite i fibre discontinue foarte

 scurte, (TPhisJersT), au dimensiuni mici i proprietăţi mecanice foarte bune. Sezistenţa mecanicăa acestor filamente, realizate printr!o cretere dirijată a cristalelor, este comparabilă cu forţele dele%ătură dintre doi atomi alăturaţi.

Page 9: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 9/32

$ristale perfecte se consideră cele cu %rosimea de până la & 'm, însă, dacă se acceptă un anumit%rad de imperfecţiune, denumirea de monocristale se poate e#tinde i la fibrele foarte scurte, cudiametrul de până la &* 'm sau chiar mai mare. în ceea ce privete lun%imea, aceasta este mult maimare decât %rosimea, i, de re%ulă, este cuprinsă în domeniu &*...=** 'm.  5ibrele foarte scurte se pot obţine din numeroase materiale cum ar fi o#idul de aluminiu

(&<*=), nitrura de aluminiu (l8), %rafit, carbură de siliciu "α sau H), nitrura de siliciu (2i= 8?),o#idul de ma%neziu (M%1), metale .a.  Dei proprietăţile filamentelor monocristaline le recomandă la fabricarea compozitelor pentrudomeniul aerospaţial i industria constructoare de maini, folosirea acestor materiale este limitatăde costul lor ridicat.  $reterea monocristalelor filiforme poate fi iniţiată de o dislocaţie elicoidală, re%enerându!secontinuu locul cel mai favorabil de cristalizare, în care e#istă numărul cel mai mare de coordinatie.5orma de filament se e#plică prin adsorbţia preferenţială a impurităţilor pe suprafaţa laterală acristalului, care împiedică dezvoltarea în %rosime a acestuia.  $reterea filiformă se poate e#plica i în absenţa dislocaţiilor elicoidale. stfel, straturilemonoatomice se unesc, formând trepte, care, dacă sunt circulare, duc la apariţia unor cilindri

concentrici suprapui. 5ilamentele apar prin nucleaţia treptelor, care cresc apoi mai repede pedirecţiile paralele cu a#a monocristalului.  2uprafaţa pe care se produce difuzia atomică trebuie să fie mult mai mare în comparaţie cusuprafaţa de cretere.

@rin urmare, procesul de cretere a filamentelor monocristaline poate fi interpretat în mod satisfăcător  pornind de la o formă simplă, fără să fie necesară prezenţa unor dislocaţii elicoidale, luând înconsiderare doar difuzia de suprafaţă. @rezenţa lor ar avea totui un rol determinant în iniţierea protuberantelor i a creterii filamentare.

5ilamentele monocristaline se pot obţine prin re%rupare din fază solidă" din vapori" din topitură" dinsoluţii omo%ene prin reacţii chimice de descompunere" din acţiunea tensiunilor mecanice sau prin

electroliză./ehnolo%iile actuale folosite pentru producerea fibrelor foarte scurte se bazează pe procesele dedepunere din stare de vapori i pe reacţiile chimice de descompunere.

$reterea din fază de vapori se face pe vârful cristalului, care se răsucete în jurul a#ei. răsucireafiind proporţională cu suprafaţa secţiunii transversale. tomii adsorbiţi pe suprafaţa laterală mi%reazăspre capete, datorită perfecţiunii cristalelor pe feţele mari.

5ibrele aciculare crescute prin descompunere chimică au structuri caracteristice sub formă deelice sau benzi răsucite.U 5ibre monocristaline de carbon

5ilamentele din carbon constituite dintr!un sin%ur cristal se produc din compui or%anicicondensaţi, având două până la cinci cicluri benzenice (%udroane petroliere, uleiuri de antracen i

smoală .a), cu sulful îndepărtat.în fi%ura <.& este prezentată schematic tehnolo%ia de producere a filamentelor de carbon.Materialul brut este supus vaporizării într!o incintă menţinută ia temperaturi de =**...?*0$, în

care se află un %az inert i un %az reactiv care conţine o#i%en (o#id de carbon sau bio#id de carbon). +aun anumit volum de material brut trebuie să e#iste un anumit raport între %azul inert i cel reactiv.

mestecul %azos, la o temperatură cuprinsă în intervalul C**... &<**0$, se introduce apoi într!uncuptor de reacţie. n urma descompunerii termice, din amestecul %azos se obţin nuclee de carbon carese depun pe nite discuri de %rafit aflate în interiorul cuptorului. 5ibrele de carbon cresc pe acestenuclee la temperaturi de F**... &<**0$. 2e obţin astfel fibre de carbon primare (precursoare), care

Page 10: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 10/32

constau dintr!un număr mare de microcristale de carbon orientate sub forma unei foi răsucite, distanţadintre microcristale fiind de =,?G V. 5ilamentele precursoare sunt supuse apoi unui tratament termicîntr!un cuptor cu %az inert, la temperaturi de <C**...=***0$, în scopul desfăurării unui proces de%rafitizare totală.

5ibra filiformă de %rafit astfel obţinută are aspectul unei foi înfăurate (fi%. <.<).

Page 11: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 11/32

+a o distanţa între microcristale de =,= i la un %rad de orientare de FF R se obţine o rezistenţă larupere aproape ma#imă.

în ceea ce privete randamentul de producere, acesta este de <*...*R i depinde de conţinutul decarbon al materiei prime.

U 5ibre monocristaline de 6!&<W4

$ristalele aciculare de 6!&<*= (safir) se obţin prin dirijarea proceselor de o#idare a metalului sau de

reducere a o#idului i a procesului de schimb de căldură. mbele procese de natură chimică pot duce laapariţia filamentelor monocristaline de safir.stfel, dacă un curent de hidro%en cu umiditate ridicată este trecut peste pulbere de aluminiu, o#id de

aluminiu sau un compus intermetalic al aluminiului, la &=**... &**0$, în zona mai rece a cuptorului apar cristale aciculare de safir.Seacţiile chimice care stau la baza acestui proces sunt următoarele

2A1 * + < Al < X + < (<.&)

sau

 Al <=  X < + <  - A l < X 2+ < (<.<)

  A12 - Al 2= * Al. (<.=)

An funcţie de condiţiile de transfer termic se pot obţine cristale filiforme, dar i cristale plate, dendritesau pulbere policristalină. $reterea filiformăeste avantajată de prezenţa disiocaţiilor elicoidale.

Modul de cretere a acestor cristale aciculare este asemănător cu cel al formării filamentelor monocristaline din o#id de beriliu (prin volatilizarea o#idului de beriliu în prezenţa vaporilor de apă), din

o#id de Polfram sau din o#id de ma%neziu.  U5ibre monocristaline de carbură de sil ic iu

@roducerea monocristalelor de carbură de siliciu se poate realiza pe diferite căi! prin piroliza unor substanţe or%anice (de e#emplu, metiltriclorsilan!$Y=2i$l=) i reacţia dintre

compuii volatili de si liciu cu hidrocarburi (de e#emplu, tetraclorura de si liciu cu toluenul), într!oatmosferă de hidro%en la temperaturi de &11...<**10$"

!prin reducerea cu carbon a diferiţilor silicaţi, la temperaturi de &C**...<***0$, mecanismul decretere implicând un transfer de masă în stare de vapori"

! prin piroliza etilenei umede în tuburi de silice, la &=**0$, cristalele formându!se în urmareacţiei dintre silice i carbon. n faza iniţială cristalele sunt alcătuite din Z!2i$ (he#a%onală), care se

transformă în final în H!2i$ (cubică)"! prin sublimarea carburii de si lic iu în mediu de hidro%en. Deoarece majoritatea vaporilor constau di n 2i, 2i$<, i 2i<$, procesul de sublimare este foarte asemănător reacţiei = l<1 - &<1= X ?l,care se desfăoară la producerea monocristaleleor de Z!l<*=. Seacţia care are loc se poate scrie !sub oformă %enerală ! astfel

0i1* - 0i X 0i. (<.?)

Page 12: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 12/32

+a diametre mai mici de &* 'm filamentele de carbură de siliciu au secţiunea transversală circulară.An cazul unor dimensiuni mai mari (diametre care depăesc &*'m ), filamentele capătă o secţiune

transversală he#a%onală i prezintă discontinuităţi a#iale. in cauza dimensiunilor mici i structurii aproape perfecte filamentele monocristaline au proprietăţi

care diferă, din punct de vedere valoric, în mică măsură de proprietăţile calculate ale materialului fărădefecte.  $âteva caracteristici ale unor fibre foarte scurte sunt trecute în tabelul <.<.

1 proprietate de importanţă majoră constă în capacitatea de!a rezista la tendinţa de deplasare adislocaţiilor, ceea ce înseamnă posibilitatea utilizării acestor materiale la temperaturi înalte i în condiţiide solicitări îndelun%ate.

5ibrele foarte scurte din safir, de e#emplu, îi micorează rezistenţa la rupere, determinată la <0$,cu apro#imativ *R la o temperatură de &<**0$. 2!a constatat, de asemenea, că monocristalele decarbură de siliciu au o rezistenţă la fle#iune sensibil mai mare la &C*0$, comparativ cu aceeai proprietate la <0$.

5ilamentele din ceramică au proprietăţi superioare celor metalice, atât în ceea ce privete rezistenţa larupere, modulul de elasticitate i rezistenţa la fisurare, cât i în privinţa densităţii (mai mici) i atemperaturii de topire (mai înalte).

5ibrele foarte scurte (monocristaiine) au o rezistenţă la rupere , în %eneral, mai mare de C [@a, careeste invers proporţională cu %rosimea. @rin urmare, la micorarea secţiunii transversale se diminuează probabilitatea de apariţie a unor defecte de reţea i rezistenţa mecanică se mărete.

An multe cazuri practice interesează mai mult rezistenţa la deformare sub sarcină decât rezistenţa larupere. \i pentru aceste situaţii filamentele monocristaiine prezintă un interes deosebit. stfel, modululde elasticitate al unui cristal este o proprietate care depinde de direcţia cristalo%rafică pe care estemăsurată, datorită anizotropiei cristalului. 3ste deci posibil să se orienteze filamentele astfel încât direcţia

Page 13: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 13/32

de solicitare mecanică să coincidă unui anumit modul de elasticitate.

  Ialorile ridicate ale rezistenţei la rupere i modulului de elasticitate, dar i densitatea redusă, refractari ttea înaltă, inerţia chimică i rezistenţa bună la deformare la temperaturi mari fac din fibrele foarte scurte un

material căutat (dei scump) pentru producerea compozitelor.

  2.2.*. O)ŢINEREA FI)RELOR $RIN SOLIDIFICARE DIRI+AA

An cazul aliajelor de compoziţie eutectică, având o structură polifazică. se poate realiza o orientare afazelor prin dirijarea procesului de solidificare. în acest mod se obţin fibre direct din aliaj, Tin situT(formate local), frontul de cristalizare fiind plan i perpendicular pe direcţia de solidificare. Dacăeutecticele au microstructura re%ulată, faza minoritară va crete sub formă de fibre, cealaltă fazăconstituindu!se apoi ca matrice. Sezultă astfel un compozit cu o încorporare ideală a fibrelor în materialulde bază.

Din punct de vedere al condiţiilor termice, este necesar să se realizeze un flu# termic unidirecţional paralel cu direcţia de cretere a cristalelor, limitân!du!se la ma#imum flu#urile laterale i schimbulconvectiv de căldură.

Dacă se ia în considerare un aliaj de compoziţie $, aflată în vecinătatea compoziţiei eutectice $&, $ Q$&, condiţia ca frontul de solidificare să rămână plan se e#primă astfel

în care [ este %radientul termic în lichid, în faţa frontului de cristalizare"  S ! viteza de cretere a fazei solide (viteza de deplasare a frontului de solidificare)"  m ! panta curbei lichidus"

D ! coeficientul de difuzie în stare lichidă.+a micorarea raportului [:S, deci la creterea vitezei de solidificare sau la reducerea %radientuluitermic, frontul de cristalizare trece succesiv de la forma plană la forma celulară i apoi la cea dendritică.

2uprafaţa frontului de cristalizare se modifică, de asemenea, în prezenţa impurităţilor. An acest caz,condiţia de menţinere a unui front plan are forma

 

în care m7 este panta curbei lichidus în secţiunea dia%ramei sistemului ternar (impurităţi X cei doi

constituenţi)"J 3 ! valoarea medie a coeficientului de distribuţie între lichid i cele două faze ale eutecticului.Sezultă aadar că solidificarea unidirecţională se produce la valori ridicate ale %radientului termic i

la viteze mici de solidificare. 3fectul de cretere a rezistenţei la rupere prin solidificarea unidirecţională a eutecticului l!l= 8i

(compusul l= 8i crescând sub formă de fibre) este însemnat, rezistenţa mecanică ajun%ând de câteva orimai mare faţă de cea obţinută în cazul unei solidificări multidirecţionale.

1bţinerea fibrelor prin solidificare unidirecţională cuprinde, de obicei, două etape! turnarea aliajului sub formă de bare"

Page 14: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 14/32

! retopirea i solidificarea dirijată a barelor.5olosirea acestei metode pentru producerea fibrelor este e#trem de avantajoasă, dar este limitată la un

număr redus de materiale deoarece nu întotdeauna faza crescută sub formă de fibre are proprietăţimecanice satisfăcătoare sau reprezintă fracţia de volum dorită. în plus, unele faze cresc sub formă delamele, cu ramuri multiple i defecte.

@entru lăr%irea domeniului de aplicare a procedeului se pot folosi eutectice sau pseudoeutectice dinsisteme ternare i comple#e. 2e obţin astfel compozite de %enul $o!/a!$:/a$, 8i!l:$r, 5e!$r!

 8b:8bG5eC$r <. 1 parte importantă din superaliajele actuale pot fi înlocuite cu următoarele aliajesolidificate unidirecţional, fibrele fiind obţinute în interiorul matricei 8i!$]:/a$, $o!$r:/a$, 8i!$o!$r!l:/a$, $o!$r!8i:/a$, $o!$r!8i:8b$ .a.

An vederea creterii suplimentare a rezistenţei mecanice se realizează o durificare a matricei prin precipitarea în stare solidă a unor fibre secundare, paralele cu cele eutectice.

2.2.. 3A456789 

5olosirea materialului complementar sub formă de particule a cunoscut o mare e#tindere, deoarece prezintă unele avantaje importante cum ar fi

! cost scăzut (în comparaţie cu fibrele, particulele sunt mult mai ieftine)"! tehnolo%ii simple de în%lobare i dispersare a particulelor în matrice"

! posibilitatea obţinerii unor materiale izotrope (izotropie locală sau pe întrea%a secţiune acompozitului).

5#istă o mare varietate de particule produse din 2i$, %rafit, & <1=, 2i1<, zircon, nitrură de bor, M%1,/i$, &8, 2i= 8?, >r1<, /i1<, >n .a, cu dimensiuni variind în limite lar%i, de la mai puţin de un micron(microcristale) până la ** de microni, sau chiar mai mari.

@articulele, mari sau mici (microparticule), de formă sferică, plată sau de altă confi%uraţie, seutilizează, în special, pentru producerea compozitelor cu rezistenţă mare la uzare, asi%urând produsulurealizat o %reutate redusă, o stabilitate dimensională remarcabilă i o capacitate mare de amortizare avibraţiilor.

@rezenţa particulelor conduce însă la o micorare a alun%irii i deci a tenacităţii materialului(comparativ cu alun%irea i tenacitatea matricei), care determină o limitare a folosirii acestora doar la producerea compozitelor care nu sunt solicitate e#cesiv la oc mecanic i termic.

@articulele se folosesc în mod frecvent la producerea materialelor compozite cu matrice metalică.5iind relativ ieftine i uor de produs, compozitele metalice cu particule s!au diversificat foarte mult (tab.<.=) i reprezintă în momentul de faţă o cate%orie de materiale de care nu se poate face abstracţie.

@ulberile folosite a realizarea materialelor compozite se produc prin diverse procedee chimice saufizice, fiind preferate metodele care asi%ură un %rad ridicat de fineţe i puritate al particulelor.

@articulele foarte fine de 2i$, de e#emplu, folosite intens la armarea matricelor metalice, se pot obţine prin numeroase tehnici. 1 astfel de metodă constă în realizarea pulberii prin reacţii în stare de vapori produse într!un reactor cu plasmă. n mod uzual, procesul se bazează pe următoarele reacţii

0i+   * +  ^ 0i * + 2; (<.C)

(+ = )0i ^ 0i X = + ; (<.G)

+ =0il =  ^ 0i X +l; (<.F)

Page 15: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 15/32

0il   X +   ! 0i X +1. (<.&*)

/emperaturile la care se desfăoară primele două reacţii sunt de &=**...&?**0$ i respectivF**...&?**0$, iar celelalte au loc la peste <***0$.

@entru producerea plasmei se folosete un arc electric i ar%on sau un amestec de ar%on i hidro%en(pentru a realiza o atmosferă reducătoare).

Iaporii de 2i$l? sunt pui în contact cu $Y?, amestecul fiind introdus în reactor, unde are loc reacţia dincare rezultă carbura de siliciu.

@ulberile ceramice se pot obţine i prin procedee mecanice, realizându!se particule cu dimensiuni foartemici (micronice sau submicronice). 2chema de principiu, cuprinzând etapele producerii partîculelor 

ceramice pe cale mecanică, este prezentată în fi%ura <.=. în esenţă, procedeul constă într!o serie de operaţiide măcinare, care reduc succesiv mărimea particulelor.

Page 16: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 16/32

Page 17: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 17/32

Page 18: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 18/32

.antrenare (aer comprimat), i duce la obţinerea unei pulberi fine (cu diametrul nai mic de = 'mtunci când se urmărete producerea unor particule cu dimensiuni foarte reduse (mai mici de umicron), se repetă operaţia de măcinare.

*. $ROCESE DE INERACŢI!NE LA INERFAŢ, 

  .1. A4A59460566 A89 6:594F996 

+a interfaţa matrice!material complementar se desfăoară procese fizice i chimice comple#e, care influenţează reciproc i care pot schimba în sens avorabil sau ne%ativ condiţiile de realizare amestecului dintre componente. $uplarea materialelor metalice cu cele ceramice nu este uor de realiza

având n vedere diferenţele de natură fizică i chimică dintre componente. nterfaţa ae tip metaceramică are o structură discontinuă. în special sub aspect electronic. stfel, materialele ceramiconţin le%ături covalente sau ionice, diferite de cele ale metalelor, bazate pe electronii liberi. ceas particularitate împiedică formarea unor le%ături compacte la limita de separaţie. Discontinuităţile potînsă reprezentate i de stratul de compui chimici de la interfaţă sau de zonele desprinse (cauzate dtensiunile interne).

n principiu, interfaţa care apare între matricea metalică i materialul complementar poate fi de pattipuri (fi%. =.&)

! nereactivă i fără zone de penetrare"! nereactivă i cu zone de penetrare"! reactivă"

! difuzivă.nterfaţa nereactivă i fără zone de penetrare este plană la scară microscopică i coerentă (epita#ial

sau necoerentă. 1 asemenea interfaţă se întâlnete, de e#emplu, în cazul îmbinărilor lipite niobialumină, platină!alumină sau platină! >r1<.

nterfeţele care se încadrează în cea de!a doua cate%orie se formează prin pătrunderea metalului materialul ceramic la presiuni i temperaturi ridicate. @rin urmare, suprafaţa de separaţie nu mai es plană i are o confi%uraţie complicată. ceastă situaţie se întâlnete în cazul compozitelor obţinute prmetalur%ia pulberilor.  Majoritatea interfeţelor sunt însă de tip reactiv, încadrându!se în cea de!a treia cate%orie. An urmareacţiilor care se desfăoară se formează diveri compui chimici.

Page 19: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 19/32

 Fi$. .1. 5ipuri de interfe&e< a-nereacti)e (i fără zone de penetrare; b-

nereacti)e (i cu zone de penetrare; c-reacti)e; d-difuzi)e

2uprafeţele de separaţie difuzive apar în special prin difuzia în metale, deoarece aceste procese dmaterialele ceramice sunt mult mai reduse.

în afara fenomenelor de penetrare i difuzie, interacţiunea fizică se manifestă prin acţiunea forţelor tensiune superficială sau a celor de se%re%are (în matricea lichidă sau la solidificarea acesteia). Dasemenea, trebuie luate în considerare forţele de atracţie temporare dintre atomii particulelor i aliajullichid ionizaţi diferit. Mărimea acestor forţe de dispersare este determinată de polarizabilitatea atomilo3ner%ia potenţială de interacţiune între doi atomi liberi, 3&,<, se poate calcula folosind relaţia lui +ondon

în care α1 i α2 sunt constantele de polarizabilitate ale celor două materiale &,< ! ener%iile de ionizare"S ! distanţa dintre dipolul inductor i cel indus.Dacă flecare strat monoatomic este alcătuit din atomi de acelai tip,

atunci

in care ; adisp este ener%ia de adeziune, ca urmare a forţelor de dispersie" n ! numărul

Page 20: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 20/32

de perechi de atomi pe unitatea de suprafaţă.Ialorile acestei mărimi, în cazul unei suprafeţe de separaţie metal lichid!particulă (fibră)

ceramică, sunt relativ mici i nu depăesc E** mK.2tructura interfeţei depinde i de modul de rela#are a tensiunilor interne care apar ca

urmare a diferenţei dintre coeficienţii de dilatare termică ai metalului i materialului ceramic i

care pot conduce ia apariţia unor microfisuri.în %eneral, interacţiunea chimică poate fi reprezentată de reacţia care are ioc întreatomii ai metalului lichid i atomii 9 din stratul superficial al particulelor sau fibrelor solide,ducând la formarea compusului m9n

nfluenţa interacţiunii chimice este mai puternică decât cea de natură fizică i depinde de pozimetalului în tabelul periodic.

3#istă totui i sisteme de tip melal!carbon, în care le%ăturile interfaciale sunt numai de natfizică. stfel de sisteme pot fi considerate, de e#emplu, următoarele cupru!carbon, ar%int!carbon, acarbon, plumb!carbon, staniu!carbon. ne#istenţa unor produi de reacţie se datorează inerţiei chimiccarbonului faţă de aceste elemente.

2tratul superficial se deosebete de cele două componente aflate în contact printr!un e#ces ener%ie liberă.

Desfăurarea fenomenelor de la interfaţă conduce la reducerea ener%iei libere totale a sistemuluiîn perioada imediat următoare formării limitei de separaţie dintre cele două componente, se po

considera că ener%iile libere ale celor două faze rămân neschimbate i că micorarea ener%iei libtotale a sistemului are loc numai pe seama reducerii e#cesului de ener%ie liberă a stratului superficial

Seducerea e#cesului de ener%ie liberă a stratului superficial conduce la micorarea tensiuinterfazice i deci la creterea ener%iei de adeziune.

An timpul procesului de adsorbţie prin difuzie care se desfăoară la interfaţă, tensiunea interfazidescrete continuu în timp tinzând către o valoare de echilibru (fi%. =.<). tin%erea stării de echilibrurealizează într!o perioadă de timp relativ mare atunci când au loc fenomene de difuzie în faza solidă.

An aceste condiţii se poate afirma că tensiunea interfazică solid!lichid (_sl)caracterizează o stare de neechilibru.

 Fi$. .2. =aria&ia 'n timp a tensiunii

interfazice _ sl <  a - 'n cazul adsorb&iei prin difuzie< b - 'n cazul desfă(urării

unor reac&ii cimice 'ntre cele două

 faze

 .5impul 

Page 21: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 21/32

/impul necesar atin%erii valorii de echilibru a tensiunii interfazice solid!lichiddepinde de cinetica procesului de difuzie i deci de temperatură.

tunci când la suprafaţa de separaţie au loc reacţii chimice cu formarea unor noi compui, variaţia timp a tensiunii interfazice _sl, este diferită faţă de primul caz. ntensitatea proceselor de la interfacrete liniar cu diferenţa dintre potenţialele chimice ale celor două elemente.

Desfăurarea reacţiei conduce la micorarea diferenţei de potenţial chimic la interfaţă. /ransformarcontinuă însă în sistem, deoarece variaţia de ener%ie liberă a celor două faze aflate în contact este mmare decât variaţia de ener%ie liberă a sistemului. ceasta înseamnă că, în continuare, valoarea tensiuninterfazice va crete spre valorile de echilibru.

  *.2. REACŢII C-I#ICE LA CONAC!L DINRE CO#$ONENE

*.2.(. $ROD!I DE REACŢIE 

2tructura interfeţei este strict dependentă de reactivitatea dintre metal i materialulceramic.2tabilitatea nitrurilor la &<** L. descrete în următoarea ordine nitruri de Yf, >r, /i, l, $e, 9e, /a, 8I, M%, $a, 2i, +i, $r, n, Mn. Mo, 5e, iar stabilitatea carburilor la aceeai temperatură, descreteordinea carburi de Yf, /a, >r, 8b, /i, I, $r, 9e, $e, 2i, ;, l, Mo, $a, Mn, 5e. De asemenea, stabilitao#izilor la &<** L descrete în ordinea o#izi de ], $a, 9e, 2r, M%, Yf, +i, >r, l, /i, $e, 2i, I, 8b, M$r, 8a, [a, Mo, 5e, ;, n, [e, 2n, $o, 8i, $d, /a, $u. 2tabilitatea o#izilor variază cu temperatura. ststabilitatea aluminei devine mai scăzută decât cea a mono#idului de titan (/i1) peste &=* L. @rin urmala temperaturi care depăesc &=* L, este de ateptat să se producă reacjia dintre alumină i titan,

formarea mono#idului de titan.n multe cazuri se formează compui intermetalici care sunt mai stabili decât nitrurile, carburileo#izii.

Seacţiile care au loc la interfaţa metal!material ceramic pot fi încadrate în următoarele cate%orii! reacţii de reducere directă"! reacţii de formare a mai multor compui"! reacţii cu formarea unor produi %azoi.3#istă doi factori importanţi care definesc calitatea structurii interfeţei! le%ătura chimică a produilor"! corespondenţa dintre reţelele cristaline.

 8atura diferită a le%ăturilor chimice caracteristice metalelor i materialelor ceramice determină apar

unor le%ături mai puţin compacte la interfaţă.în urma reacţiilor chimice dintre materialul matricei i cel complementar se pot forma compuiefect ne%ativ asupra calităţii compozitului, datorită apariţiei unor zone de concentrare a tensiunilor, în cariscul producerii f isurilor este foarte mare. n %eneral, se urmărete să se obţină o suprafaţă de separaţie mai compactă i fără compui fra%ilizanţi.stfel de compui sunt considerati.de e#emplu, următorii! &9<, care apare la interfaţa aliaj de aluminiu!fibre de bor"! &?$=, format la interfaţa aliaj de aluminiu!%rafit (sau 2i$)"

! spineli, de tipul M%!l!1, care se formează în special la interfaţa aliaj de ma%neziu ! l(cel mai frecvent apare compusul M%l<*?)"

! 8il=, 8i,l=, formaţi la interfaţa l!8i (nichelul folosit ca material de acoperire).

5ibrele de carbon au o tendinţă puternică de a forma carburi cu metalul lichid, iar fibrele de alum

Page 22: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 22/32

sunt foarte stabile din punct de vedere chimic, dar prezintă un %rad scăzut de umectare.Bn caz intermediar îl reprezintă carbura de siliciu, deoarece apariţia unui strat subţire de 2i* < împied

desfăurarea în continuare a reacţiei. 1 bună umectare a 2i1, de către l poate fi e#plicată prin faptul  bio#idul de si lic iu este redus de aluminiu.în compozitele cu matricea din 5e!l (l reprezentând ?*...* procente atomice) ranforsată cu materiale

ceramice (carburi, boruri, o#izi, nitruri), considerate ca fiind materiale cu o rezistenţă mare la temperatuînalte, se formează numeroi compui chimici (tab. =.&), a căror apariţie în cantitate mare nu estefavorabilă realizării unei le%ături puternice la interfaţa. Dacă însă reacţiile se desfăoară parţial, prindizolvarea în matrice într!o mică măsură a fazei de ranforsare, efectul poate consta în obţinerea unui mai bun transfer de sarcină către materialul ceramic.

/abelul =.&Reacţii la interfaţa (Fe-AI)-ceramică

Materialul ceramic Seacţia chimică

9?$ ?`5e X 9?$ ! ?5e9 X $

$r <*= <l X $r <1= - l<1= X <$r 

2i*< ?& X =2i1< - <&<1= X =2i

/i1, ?& X =/i1< - <&< 1= X =/i

98 l X 98 - &8 X 9

2i= 8? ?& X 2i= 8? - ?&8 X =2i

2i$ =5e X ?& X =2i$ - =5e2i X &?$=

>r1, &*& X =>r1< - <& 1= X =l<>r 

>r8 =&X >r8 - &8 X l<>r 

  .2.2. ZONA DE INERACŢI!NE C-I#IC, 

$reterea stratului de reacţie este limitată de procesele de difuzie a elementelor. 3voluţia întimp a %rosimii stratului de reacţie la contactul dintre diferite aliaje de aluminiu i &,*, rezultă

din fi%ura =.?

 

Page 23: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 23/32

3voluţia în timp a %rosimii acestui strat (#) poate fi descrisă de ecuaţia

 2  - At e#p (!W:S/) , (=. <E)

în care este o constantă caracteristică procesului luat în considerare, t ! timpul, W ! ener%ia deactivare a reacţiei, S ! constanta universală a %azelor, / ! temperatura de reacţie.

Sezultă că stratul de reacţie crete ca o funcţie liniară de rădăcină pătrată a timpului de reacţie.Sezistenţa le%ăturii dintre componente prezintă o variaţie caracteristică o dată cu creterea în

timp a %rosimii stratului de reacţie (fi%. =.).După cum rezultă din fi%ura =., rezistenţa le%ăturii atin%e la un moment dat o valoare

ma#imă. +a creterea în continuare a timpului de reacţie %rosimea stratului de la interfaţă semărete i rezistenţa le%ăturii scade, ca urmare a defectelor (de tipul fisurilor) care apar în strat.

@entru fiecare combinaţie de două materiale venite în contact (între care se produc reacţii

Page 24: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 24/32

chimice) e#istă o valoare distinctă a timpului după care rezistenţa stratului de la interfaţă ajun%e lavaloarea ma#imă.

Seacţiile care se desfăoară la interfaţa matrice!material dispersat pot influenţa ne%ativ sau pozitiv proprietăţile compozitului sau chiar pot conduce la consumarea până la distru%ere a materialuluicomplementar.

$ând reactivitatea interfazică este mare, apare necesitatea ca e#punerea materialului secundar la o temperatură ridicată să fie cât mai scurtă, în scopul reducerii efectului distructiv al reacţiilor chimice, care trebuie menţinut în anumite limite, acceptabile. De e#emplu, matricea de titan are otendinţă atât de pronunţată de a reacţiona cu fibrele de 2i$, încât, pentru producerea acestor compozite se pot utiliza doar procedee bazate pe difuzia în stare solidă sau pe utilizarea fibrelor acoperite cu materiale protectoare

*.2.*. #ICROSR!C!RA ZONEI DE REACŢIE 

2tructura zonei de la interfaţă reprezintă o caracteristică determinantă pentru toate proprietăţile materialului compozit, indiferent de natura cuplului de faze componente.

Microstructura interfeţei în compozitele cu matrice din aliaj de l (cu 2i i M%) i particule de2i$ prezintă câteva particularităţi interesante. Dacă faza dispersată (de 2i$) nu este o#idată,interfaţa este caracterizată printr!o concentraţie crescută de 2i, deoarece acesta %erminează dinlichidul eutectic pe particulele de 2i$, se%re%ate în zonele care solidifică ultimele. 5oarte aproape

de interfaţă apar cristale (*,=#*,& jum) din B2i5e. 2uprafaţa de separaţie este coerentă i curată,adică lipsită de produi de reacţie. +a rupere, fisurile se propa%ă de la particulele de 2i$, la

Page 25: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 25/32

cristalele de 2i (solidare cu materialul dispersat) i apoi la matrice. Dacă particulele de 2i$ au fostiniţiai o#idate, pe suprafaţa acestora apare un strat de spinel M%l,* ?, care micorează coeziuneadintre componente. 5isu ri le apar mai întâi în stratul de spinel, dar propa%area lor este parţialstopată datorită le%ăturii mai puţin ferme dintre matrice i particulele de 2i$.

în cazul compozitelor cu matrice de /i!l i fibre de & <W=!>r*<, la interfaţa se formează

%răunţi de ! /i cu o densitate mare de dislocaţii formate la temperaturi mai mici de G**0$.2tructura fibrei constă din %răunţi de >r1<  (tetra%onal, parţial stabilizat cu ]<*=  i Yf*<) cu undiametru de *.& #m, dispersaţi într!o structură cristalină de Z!l<*=, cu mărimea %răunţilor de *,='m. naliza spectrală cu radiaţii a pus în evidenţă prezenţa titanului (sub formă de o#id) difuzatîn particulele de >r*<  . $ristalele de >r*< de la interfaţă sunt monoclinice i nu conţin o#izistabilizanţi. @rin urmare, au rezultat prin transformarea cristalelor tetra%onale în cristalemonoclinice, proces însoţit de o dilatare de =...R, care e#plică e#istenţa numărului mare dedislocajii.

+a compozitele cu matrice din aliaj de titan (/i!l!2n!>r) cu fibre de carbură de sil iciu(2i$:$), obţinute prin presare în stare solidă, zona de reacţie conţine /i$, /i2i= i /i2< i are o%rosime mai mult sau mai puţin uniformă, constând din trei straturi. @rimul strat este în%ust, cu

%rosimea de * nm, i adiacent fibrei, i conţine %răunţi recristalizaţi, fini, cu diametrul de C... &nm,  crescuţi pe suprafaţa solidă. Brmează un strat intermediar, cu %rosimea de apro#imativ Gnm, cu %răunţi de ?*...E* nm. Bltimul strat, cu %rosimea de circa &< nm este compus din %răunţicu mărimea oscilând în jurul valorii de &** nm. @rin menţinerea materialului compozit latemperaturi ridicate mărimea %răunţilor cristalini crete, semnalându!se i apariţia unei porozităţiimportante (%oluri cu diametrul de G...E* nm), determinată de difuzia diferită a atomilor de 2i i/i. stfel, mai mulţi atomi de 2i difuzează în matrice prin zona de reacţie faţa de numărul deatomi de /i care difuzează spre această zonă.

@entru compozitele pe bază de aliaj de aluminiu (cu titan) i fibre de carbon este specificăapariţia la început numai a carburii de aluminiu (&?$=), sub forma unui strat în jurul fibrelor, pecare %erminează apoi carbura de titan (/i$). @rin urmare, carbura de titan se formează pe baza

descompunerii carburii de aluminiu apărute iniţial pe suprafaţa fibrelor de carbon.naliza microstructurii electronice a zonei de separaţie dintre componente oferă, deasemenea, numeroase informaţii privind caracteristicile acestei zone. în acest scop se pot utilizadiferite tehnici de investi%are, cum ar fi

! spectroscopia fotoelectronică cu ultraviolete, folosită pentru analizastructurii electronice a interfeţei i a densităţii suprafeţei (curate sau cuelemente adsorbite)"

! spectroscopia fotoelectronică folosind radiaţii , care utilizează fotoni cu o ener%ie dee#citare mult mai mare i permite studiul structurii electronice i identificarea componentelor chimice.

! spectroscopia, bazată pe determinarea pierderii de ener%ie a electronilor, care oferă

informaţii privind tranziţia din starea iniţială în cea finală.în cazul interfeţei $u!alumină s!a constatat că atomii de cupru se ataează suprafeţei formatedin atomii de o#i%en. ceasta rezultă din faptul că ener%ia totală a suprafeţei de $u!1 este maiscăzută decât cea de $u!l.

+e%ătura dintre nichel i alumină implică adesea formarea unui aluminat de 8i, un compus detip spinel. 2e consideră că apariţia 8il<*? este determinată de difuzia ionilor de 8i<X i l=X  înzona de la interfaţă.

2e pot evidenţia două tipuri de interacţiuni la suprafaţa de separaţie 8i!& <*=, în care absenţasau prezenţa o#i%enului este deosebit de importantă pentru structura electronică. stfel, s!a stabilitcă în absenţa o#i%enului se formează un aliaj intermetalic 8i!l, iar compusul 8il<*?  aparenumai An prezenţa o#i%enului, dacă presiunea parţială a acestuia este suficient de ridicată pentru a

conduce la formarea compusului 8i1 la interfaţa. Deoarece 8iL1, este un o#id dublu (de 8i1

Page 26: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 26/32

i &<*=) banda de conducţie 8i "d. ?s) se suprapune peste cea de &<*=. în consecinţă, prezenţao#i%enului conduce la o micorare a ener%iei la interfaţa metal!material ceramic i favorizeazădec" răspândirea metalului pe substrat

Page 27: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 27/32

  /. !RNAREA I SOLIDIFICAREA #AERIALELORCO#$OZIE 

.1. 49A86?A49A A@90597876 6:549 @3:9:59 

  Metodele folosite pentru introducerea materialului complementar în matricea lichidăsau semisolidă au la bază utilizarea unor forţe e#terne i urmăresc două scopuri

  !în%lobarea fazei secundare în metalul sau aliajul de bază prin învin%ereaforţelor de tensiune superficială, de viscozitate i a forţei arhimedice, carereprezintă o barieră în calea desfăurării acestui proces"

  !realizarea unui amestec, de re%ulă cât mai uniform, între componente.  @rincipalele tehnici de producere a amestecului constau în introducerea materialuluicomplementar 'ntr-o topitură sau 'ntr-un alia par&ial solidificat, prin a$itare mecanică;

inectarea materialului solid pul)erulent cu autorul unui $az purtător inert; introducerea particulelor 'n etul de alia la turnarea acestuia informă; 'n$lobarea materialului

 pul)erulent, sub formă de pelete sau bricete de dimensiuni mici, 'ntr-o baie metalică,

a$itată apoi prin amestecare manuală sau mecanică 'n scopul redispersării particulelor;adău$area fazei secundare 'n aliaul licid (i dispersarea acesteia cu autorul

ultrasunetelor; introducerea materialului complementar 'ntr-o baie metalică a$itată

electroma$netic; dispersarea cu ultrasunete sau centrifu$ală a componentei solide 'n

topitură; producerea materialului dispersat 'n matrice, pe cale cimică.

$âteva e#emple concrete de realizare a unor compozite prin diverse metodesunt prezentate în tabelul ?.&.

Page 28: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 28/32

/abelul ?.&Moduri de realizare a unor compozite metalice (cu particule

sau fibre discontinue)

/ehnici deamestecare

Matricea $omponenta solidă (proporţia, dimensiuni)

mestecaremecanică(I1S/3)

l sau aliajede l

5ibre de &<*= (discontinue) acoperite (<= %B

@articule de &,*= neacoperite (? %B

l 2ticlă (G R), cuarţ (<! %B

[rafit neacoperit (= R) Mică(< R) >ircon(E* %B

mestecare pentruredispersarea

 peletelor 

l sau aliajede l

[rafit acoperit cu 8i sau $u (<*!<**'m)

liaje de l 2i$ (PhisJers, diametrul *,&!&,*'mlun%imea !*'m) 

njectare întopitură

liaje de lsau >n

[rafit, acoperit cu 8i sau $u" &<*=" 2i$

njectare în jet liaje de lsau >n

@ulbere de Mn neacoperită

$u Mo, ;$, /i*<, &<*=, >r1<, $e*<

Dispersare cuultrasunete

l, >n,duraluminiu

@b, 2i*<

l [rafit, sticlă, o#izi, boruri, carburi

liaje de 2n!/i

&<*=

Dispersarecentrifu%ală

l, aliaje l!2n

@articule de %rafit (diametrul ?* 'm,%rosimea &!< 'm)

@roducereamaterialuluidispersat înmatrice, pecale chimică

liaje de l &8

1ţel ino#idabilaustenitic

 8itrură de titan

liaje de $u 9orură de toriu, &<*=

Metoda bazată pe amestecarea mecanică a componentelor s!a impus de la început, datorităsimplităţii i costului relativ scăzut.

Iarianta cea mai simplă (fi%. ?.&) constă în adău%area fazei secundare în zona de vârtej creată întopitură prin a%itarea mecanică a acesteia cu ajutorul unui a# cu palete (procedeul I1S/3).

Page 29: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 29/32

 Fi$. .1. 6nstala&ie tip =459C pentru a$itarea mecanică a topiturii< 1-creuzet; 2-

 palete; -cuptor; -a; D-motor electric; E-la$ăre; -cadru de spriin.

nstalaţia prezentată schematic în fi%ura ?.& se compune dintr!o tijă rotitoare, antrenată de unmotor electric cu turaţie variabilă, având la capăt un sistem de palete (metalice sau ceramice). liajulichid, reprezentând matricea, este a%itat puternic, apărând o zonă de vârtej în care se introduc, cuajutorul unor dispozitive de dozare, particulele sau fibrele discontinue.

@rin introducerea pro%resivă a fazei solide intensitatea a%itării se micorează, motiv pentru careturaţia a#ului cu palete trebuie adaptată la proporţia de material complementar introdus în aliaj.

în cazul aliajelor cu o#idabilitate ridicată (cum ar fi cele de aluminiu sau ma%neziu), este necesar

ca a%itarea, prin care se mărete suprafaţa de contact cu aerul, să se realizeze într!o incintă cuatmosferă controlată sau în condiţiile insuflării de ar%on deasupra băii metalice. @rezenţa unui %azchiar inert, este

Page 30: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 30/32

Deplasarea lichidului în jurul particulelor solide are ca efect spălarea suprafeţei acestora deimpurităţi, îmbunătăţind astfel condiţiile de umectare. [radul de încorporare i de dispersare a fazeisolide în matrice depinde de timpul de a%itare. într!o primă etapă materialul complementar  pătrunde în topitură sub formă de a%lomerări, pentru ca abia ulterior să se producă dispersareaacestora. $ercetări în acest sens s!au realizat la producerea compozitelor cu matrice de aluminiu i

 particule de 2i$ cu diametrul de &? 'm (fi%. ?.<).

  Fi$. .2. 3rocesul de 'ncorporare a particulelor de a-0i 'n topitură de

aluminiu, la 12 G< H-0i sub formă de pulbere "ne'n$lobatăB; 2-0i sub formă

a$lomerată; -0i sub formă dispersată 'n matrice.

+a creterea temperaturii topiturii timpul necesar pentru a%itare se reduce.  @articulele se introduc uneori în stare a%lomerată, sub formă de pelete sau brichetede dimensiuni mici pentru ca ulterior să fie dispersate uniform prin a%itarea băiimetalice. Secur%erea la această metodă se bazează pe faptul că în acest mod procesulde în%lobare se realizează mai uor. 

Dei metodele de a%itare mecanică (de tip I1S/3) conduce la rezultatesatisfăcătoare, nu trebuie ne%lijate nici dezavantajele care apar

! posibilitatea introducerii unei proporţii relativ reduse de componentăsolidă, deoarece, în %eneral, materialul ceramic nu este umectat de aliajele

lichide. ceasta, face necesară folosirea acoperirilor, care ridică preţulmaterialului compozit"! a%lomerarea particulelor sau fibrelor discontinue în timpul în%lobării i

nedispersarea completă la continuarea a%itării"! se%re%area pozitivă sau ne%ativă, a fazei dispersate ca urmare

Page 31: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 31/32

a diferenţelor de densitate ale componentelor"! fra%mentarea particulelor sau fibrelor discontinue, ca urmare a

solicitărilor mecanice la care sunt supuse în timpul a%itării"! flotarea fazei solide prin ataarea de bulele de %az antrenate în baia

metalică (atunci când a%itarea nu se face în vid).

1 variantă îmbunătăţită de a%itare mecanică prin care se elimină o serie dedezavantajele prezentate constă în folosirea instalaţiei ilustrate în fi%ura ?.=,realizată pentru producerea compozitelor pe bază de aluminiu.

 Fi$. .. 6nstala&ia de amestecare

mecanică a componentelor< l-tub

 pentru introducerea $azului inert; 2-

capac protector; -elemente care

'mpiedică formarea )Irteurilor; -

disc din fibre ceramice presate; D-

element de le$ătură ceramic; E-conduc&ă ceramică filetată; -tub

 pentru admisia $azului inert (i )idare;

J-umplutură de ciment; K-inser&ie de

alumină poroasă; 1-strat de material

complementar; 11-topitura; 12-creuzet;

1-'nfă(urare inductoare; 1-a$itator.

nstalaţia cuprinde un creuzet din %rafit (&<) încălzit cu un inductor (&=).+a partea inferioară a creuzetului se montează un filtru de alumină (F) pe carese aează un disc permeabil (?), realizat din fibre ceramice presate, prin caretopitura de aluminiu nu poate pătrunde. 3lementele tubuiare () i (E) fac

le%ătura dintre materialele refractare i tubul metalic (C) prin care poate să pătrundă ar%on uscat i se poate realiza un mediu vidat. %itatorul (&?)cuprinde o sin%ură paletă orizontală, iar creuzetul este acoperit cu un capac (<) pentru a se putea menţine o atmosferă de %az inert deasupra băii metalice.3lementele (=) au rolul de a limita turbulenţa suprafeţei topiturii i formarea

Page 32: COMPOZITE METALICE

8/10/2019 COMPOZITE METALICE

http://slidepdf.com/reader/full/compozite-metalice 32/32

!rtejunlor.$reuzetul se preîncălzete la o temperatură care depăete cu &**0$

temperatura lichidus a aliajului matricei. 2e plasează materialul de ranforsare,care la rândul său se preîncălzete, după care se insuflă ar%on pe la parteainferioară. După oprirea admisiei %azului inert se toarnă aliajul lichid. 2e

videază stratul de material complementar, se introduce a%itatorul (preîncălzit)i se plasează aproape de componenta solidă. %itatorul coboară pro%resiv pemăsură ce faza solidă este în%lobată în lichidul antrenat într!o micare derotaţie.

După consumarea între%ului strat de material complementar operaţiunea devidare se întrerupe.

în vederea introducerii unei proporţii mai mari de fază complementară i pentru evitarea producerii fenomenelor de se%re%are %ravitaţională, amestecarease poate face folosind o matrice parţial solidificată (în stare semisolidă). Bndezavantaj important al metodei constă însă în aceea că, în cazul unui creuzetde dimensiuni mari, a%itarea nu este uniformă, fiind localizată în zona

elementului aflat în micare. 5enomenul este accentuat de faptul că aliajul parţial solidificat are o viscozitate mai mare în stare nea%itată. ceastă proprietate poartă numele de tiotropie i e#primă capacitatea pe care o are unmaterial de a!i reface, ca urmare a micării broPniene, le%ăturile distruse prinacţiuni mecanice, procesul fiind o transformare izotermă reversibilă.


Recommended