Композиционные материалы

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: 

  1. Основные типы композиционных материалов, в том числе нанокомпозиты;
  2. Механизмы деформации волокнистых композиционных материалов, дисперсионно-твердеющих и дисперсно-упрочненных сплавов;
  3. Теоретическое описание модулей упругости и внутренних полей напряжений в композитах;
  4. 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

  1. По какому признаку происходит классификация композиционных материалов?
  2. Почему волокнистые композиционные материалы обладают анизотропией механических свойств?
  3. Какие предположения необходимо сделать для вывода правила смеси для напряжений в композиционном материале?
  4. Почему поликристалл чистого металла можно рассматривать как композиционные материалы?
  5. Как экспериментально проверить выполнимость правила смеси для напряжения течения в композиционном материале?
  6. Почему механические свойства композиционного материала с бесконечными волокнами выше, чем с короткими при одной и той же объемной доле волокна?
  7. В чем состоит отличие в понятии дисперсно-твердеющих сплавов от дисперсно-упрочненных?
  8. Что такое совместность деформаций на примере волокнистого композиционного материала?
  9. Почему в волокнистых композиционных материалах возникают обратимые внутренние напряжения?
  10. Как выполняются условия совместности при мартенситных превращениях в композиционных материалах?
  11. Почему твердый раствор замещения и твердый раствор внедрения не являются композиционными материалами?
  12. Почему эффекты обратимой пластичности наблюдаются в композиционных материалах с недеформируемыми частицами при их деформации скольжением, двойникованием и за счет мартенситного превращения?
  13. Какие стадии наблюдаются при деформации композиционного материала?

Приблизительные вопросы для зачета

  1. Современные композиционные материалы, их классификация. 
  2. Определение композиционного материала. Типы композиционных материалов с металлической матрицей.
  3. Классификация композиционных материалов  с неметаллической матрицей.
  4. Правило смеси для определения предела текучести композита и модуля упругости.
  5. Понятие критической объемной доли волокон при разрушении композитов.
  6. Концептуальные основы создания композиционных материалов.
  7. Принципы создания композиционных материалов.
  8. Композиционные материалы и его составляющие.
  9. Правило смеси для определения напряжений разрушения композиционных материалов с бесконечными волокнами.
  10. Правило смеси для определения напряжений разрушения композиционных материалов с волокнами конечной длины.
  11. Стадии упругой и пластической деформации композиционных материалов с волокнами конечной и бесконечной длины.
  12. Анизотропия прочностных свойств волокнистых композиционных материалов.
  13. Метод Эшелби для оценки внутренних напряжений в бесконечном и конечном композите. 
  14. Роль внутренних напряжений в деформационном упрочнении и разрушении композитов.
  15. Механизмы взаимодействия дислокаций с когерентными и некогерентными частицами при пластической деформации композиционных материалов.
  16. Скольжение, двойникование и мартенситные превращения в композиционных материалах с металлической матрицей.
  17. Мартенситное превращение при деформации сталей, как пример композиционного материала, зависящий от деформации объемной доли второй фазы. 
  18. Понятие о геометрически необходимых дислокаций, возникающих при пластической деформации композиционных материалов с керамическими частицами.
  19. Получение композиционных материалов методами порошковой металлургии, направленной кристаллизации.
  20. Композиционные материалы с эффектом памяти формы и сверхэластичности.

Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины 

а) основная литература:

  1. Современные композиционные материалы, под редакцией Л.Браутмона и Р. Крюка. Из-во Мир, М., 1970, с. 13-157, 249-262, 286-303
  2. Г.С. Хомистер, К. Томак. Материалы, упрочненные волокнами. М., Металлургия, 1969, с.18-117
  3. D. Hull, T.W. Clyne. An introduction to composite materials. Second edition, Cambridge University Press, 1996, pp 1-8; 60-77; 121-131
  4. А. Келли. Высокопрочные материалы. Из-во Мир, м. 1976, с. 8-242
  5. В. Кристенсен. Введение в механику композитов. Из-во Мир, 1982, с.25-35
  6. Сплавы с эффектом памяти формы под ред. Фунакубо Х. М., Металлургия, 1990, с.24-41
  7. Ф. Макклиптон, А. Аргон. Деформация и разрушение материалов. Из-во Мир, М., 1970, с. 255-309

б) дополнительная литература:

  1. Физика прочности и пластичности под ред. А. Аргона. М., Металлургия, 1972, с. 294- 303
  2. 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

Сайт в настоящее время находится в процессе разработки. Принимаются предложения по улучшению и наполнению сайта. Ваши отзывы и предложения высылать администратору сайта Смирнову Ивану Владимировичу (smirnov_iv@bk.ru).