POLITECHNIKA ÅšL
SKA W GLIWICACH
WYDZIAA
MECHANICZNY TECHNOLOGICZNY
INSTYTUT MATERIAA
ÓW INŻYNIERSKICH I BIOMEDYCZNYCH
Instrukcja dla studentów
Temat:
STRUKTURA,WA
ASNOŚCI I ZASTOSOWANIE KOMPOZYTÓW O
OSNOWIE METALOWEJ
1. Wstęp
Metalowe materiały kompozytowe stały się liczną grupą materiałów, których
własności mechaniczne mogą być kształtowane różnymi technikami. Zaplanowany zespół
własności można osiągnąć, dobierając odpowiednią osnowę, rodzaj umocnienia jego
zawartość, rozmieszczenie, metodę wytwarzania oraz szereg innych parametrów.
2. Wiadomości podstawowe
2.1. Metale
Metale i ich stopy określone zostały jako substancje, które w skondensowanych stanach
skupienia, tj. w stanach ciekłym i stałym, odznaczają się określonym zespołem cech,
wyróżniających je spośród niemetali oraz innych grup materiałów.
Metale należą do materiałów krystalicznych charakteryzujących się prawidłowym
rozmieszczeniem atomów w przestrzeni. Między atomami metali występują wiązania
metaliczne.
Do metali zalicza się ok. 80 pierwiastków chemicznych i ich stopy, tj. substancje
składające się z dwóch lub większej liczby pierwiastków chemicznych, które zachowują
jednak właściwości charakteryzujące metale. W strukturze stopów mogą występować
mieszaniny składników, roztwory stałe lub ich mieszaniny bądz
fazy międzymetaliczne.
Właściwości stopów zależą od ich struktury oraz od rodzaju i stosunku składników.
W warunkach normalnych metale występują w stanie stałym (z wyjątkiem rtęci). Są
szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Zwykle występują w postaci rud, z których są
uzyskiwane różnymi metodami metalurgicznymi.
Metale i ich stopy cechują następujące własności:
- dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne,
- dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności,
- metaliczny połysk, polegający na odbijaniu promieni świetlnych od wypolerowanych
powierzchni,
- plastyczność, czyli zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem przyłożonych
naprężeń.
2.2. Materiały osnowy kompozytów metalowych
Jako osnowy metaliczne stosuje się stopy: aluminium, magnezu, tytanu, ołowiu, cynku,
srebra, niklu i miedzi. Stopy te podzielić można na cztery grupy:
1) Stopy metali lekkich (Mg, Al) - które przeznaczone są do wytwarzania kompozytów
stosowanych w lotnictwie i przemyśle samochodowym. Wynika to z ich niskiego
ciężaru właściwego oraz niskiej temperatury topnienia i stosunkowo łatwych
technologii wytwarzania.
2) Stopy srebra i miedzi - to osnowy kompozytów wykazujących dobre właściwości
cieplne i elektryczne.
3) Stopy niklu- to stopy kompozytów żarowytrzymałych.
4) Stopy ołowiu i cynku - to osnowy kompozytów o dobrych właściwościach
ślizgowych.
Stopy metali lekkich (Mg, Al, Ti). Charakteryzują się małą gęstością, niską
temperaturÄ… topnienia i stosunkowo Å‚atwÄ… technologiÄ… wytwarzania. Kompozyty z osnowÄ…
metali lekkich wykazują duży wzrost modułu właściwego i wytrzymałości właściwej w
wyniku jednoczesnego wzrostu wytrzymałości na rozciąganie i modułu sprężystości E,
przy zachowaniu niskiego ciężaru.
Stopy magnezu cechują się dobrą wytrzymałością i bardzo małą gęstością. Jako dodatki
stopowe stosuje siÄ™ tu m.in.: aluminium, cynk, mangan, krzem, cer, cyrkon. Stopy te
charakteryzują się: odpornością na korozję, dobrą obrabialnością, dobrymi właściwościami
odlewniczymi i szczelnością.
Stopy aluminium charakteryzujÄ… siÄ™ korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn.
stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a ich
udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury. Wadą tych stopów jest niska
wytrzymałość zmęczeniowa.
Głównymi dodatkami stopowymi tytanu są: Al, Sn, Mo, V, Mn, Fe, Cr. Pierwiastki te
zwiększają jego wytrzymałość. Stopy tytanu wykazują dużą odporność na korozje w wodzie
morskiej.
Stopy srebra i miedzi. Stopy te charakteryzują się korzystnymi właściwościami
cieplnymi i elektrycznymi.
Stopy miedzi stosowane są ze względu na wysokie własności wytrzymałościowe.
Pierwiastki stopowe to głównie: cynk, cyna, aluminium, beryl, krzem, nikiel, mangan i ołów.
Najczęściej stosowane stopy miedz
-cynk tzw. mosiądze, charakteryzują się podatnością na
obróbkę plastyczną, odpornością na korozję, skrawalnością, dobrymi właściwościami
ślizgowymi, odpornością na ścieranie i podwyższoną temperaturę. Innymi stopami miedzi są
brązy, które wyróżniają dobre własności odlewnicze. Stopy te wykazują odporność na duże
obciążenia statyczne, zmienne i udarowe, odporność na korozję i ścieranie.
Stopy srebra cechujÄ… siÄ™ dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym,
odpornością korozyjną w atmosferze powietrza i wilgoci oraz na wiele zasad i kwasów
organicznych.
Stopy niklu  to stopy przeznaczone na kompozyty żarowytrzymałe, stosowane np.:
na łopatki turbin. Żarowytrzymałe stopy niklu zawierają główne dodatki do 20% Cr lub do
20% Mo i do 10% Fe, oraz niewielkie dodatki Si, Mn, Ti, V lub W.
Stopy ołowiu i cynku. Stopy te stosowane są na kompozyty o dobrych
właściwościach ślizgowych.
Własności wytrzymałościowe ołowiu są bardzo niskie, które zwiększa się przez
wprowadzenie dodatków stopowych tj.: Sb, Sn, As, Cd, lub Te. Pierwiastki te zwiększają
twardość i odporność na ścieranie.
Stopy cynku charakteryzują się przede wszystkim odpornością na korozję
atmosferyczną, dobrymi własnościami przeciwciernymi, dobrą lejnością oraz odpornością na
ścieranie.
Materiał osnowy metalowej w technologiach wytwarzania kompozytów występuje w
postaci:
- ciekłego stopu, nasycającego włókna zbrojące lub do którego wprowadza się cząstki
zbrojÄ…ce,
- ciekłego stopu eutektycznego, poddawanego krystalizacji kierunkowej w celu
bezpośredniego utworzenia zbrojenia i uzyskania w ten sposób kompozytu in situ,
- proszku mieszanego ze zbrojeniem, występującego zwykle w postaci cząstek lub
wiskersów (krótkich włókien monokrystalicznych),
- blach lub taśm, pomiędzy które wkłada się zbrojenie włókniste i poddaje prasowaniu
lub walcowaniu na gorÄ…co.
2.3. Włókna wzmacniające
Jednymi z pierwszych materiałów zbrojących są włókna metalowe. Ich zastosowanie
wynika głównie z prostoty uzyskiwania. W grupie tej wyróżnia się włókna ze stali
chromowo-niklowej, włókna wolframowe, molibdenowe, berylowe, tytanowe. Otrzymuje się
je w procesach ciągnienia. Główną wadą włókien metalowych jest duża gęstość oraz
reaktywność z osnową metalową.
Włókna metalowe stosuje się obecnie w specjalnych przypadkach, np. włókna
wolframowe stosuje się do wytwarzania styków elektrycznych. Wykorzystuje się zatem
właściwość cieplną, a nie właściwość umacniającą osnowę.
Dla potrzeb konstrukcji lotniczej opracowane zostały włókna borowe. Uzyskuje się je w
wyniku osadzania boru z fazy gazowej na podkładce z włókna metalowego (włókna
molibdenowe lub wolframowe o Å›rednicy okoÅ‚o 10 mðm) lub na włóknach wÄ™glowych.
Osadzanie realizowane jest poprzez rozkÅ‚ad chlorku boru w temperaturze 1300°ðC. Dla
zabezpieczenia włókien przed reakcją z metalami stanowiącymi osnowę kompozytu na
włókna nanosi się również metodą osadzania z fazy gazowej cienką warstwę węglika krzemu.
Włókna borowe charakteryzują się, w porównaniu z innymi włóknami największą średnicą
dochodzÄ…cÄ… nawet do 150 mðm.
Podstawę produkcji nowoczesnych kompozytów metalowych stanowią włókna
ceramiczne. Zalicza się do nich włókna: szklane, węglowe, korundowe i z węglika krzemu.
Włókna szklane wytwarza się metodą wyciągania z ciekłej masy szklanej, po czym
przerabia się je metodami tkackimi. Materiał ceramiczny musi być ukształtowany we włókna
o Å›rednicy poniżej 20 mðm. Włókna te wytwarzane sÄ… w wielu odmianach, najczęściej jednak
wykorzystuje się włókno ze szkła E (bezalkalicznego szkła glinowo-borowo-
krzemianowego).
Włókna węglowe są obecnie najczęściej stosowanymi włóknami do zbrojenia
kompozytów. Otrzymuje się je przez pirolizę (rozkład termiczny) związków organicznych
tzw. prekursorów ukształtowanych we włókna. Podstawowym materiałem prekursora
przeznaczonym do produkcji włókien węglowych są włókna poliakrylonitrylowe oraz włókna
celulozowe.
Włókna korundowe (z tlenku glinu Al2O3) są wytwarzane ze związków
glinoorganicznych, które rozpuszcza się w wodzie z dodatkiem kwasu winnego, po czym
poddaje procesowi odwodnienia w próżni. Z masy tej wytłacza się, a następnie wyciąga
włókna. Włókna te poddaje się z kolei procesom suszenia i spiekania.
Włókna z węglika krzemu (SiC) otrzymywane są dwoma metodami:
·ð metodÄ… osadzania na włóknie wÄ™glowym warstwy SiC o gruboÅ›ci 0,5 mðm. Włókna
takie majÄ… Å›rednicÄ™ ok. 60 mðm i wytrzymaÅ‚ość ok. 3000 MPa.
·ð MetodÄ… termicznego rozpadu w wysokiej temperaturze polimerów
krzemoorganicznych. Uzyskuje się tu włókna SiC bezrdzeniowe.
2.4. Zbrojenie nieciągłe
Nieciągłe zbrojenie osnowy polega na wprowadzeniu do niej cząstek, włókna krótkiego
lub whiskerów. Zaletami zbrojenia cząstkami są:
·ð znacznie mniejszy koszt wytwarzania kompozytu w porównaniu ze zbrojeniem
włóknami ciągłym,
·ð możliwość wytwarzania metodami metalurgicznymi (odlewanie, metalurgia
proszków),
·ð uzyskanie podwyższonych wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci wytrzymaÅ‚oÅ›ciowych i sprężystych,
·ð możliwość stosowania w wyższych temperaturach,
·ð uzyskanie dużej odpornoÅ›ci na Å›cieranie i pÄ™kanie.
Cząstki zbrojenia mogą stanowić tlenki, węgliki i borki jednak najczęściej są to Al2O3
oraz SiC. Do osnowy wprowadza się zwykle ok. 20  35% obj. tych związków. Zmiana
właściwości osnowy zależy od ilości wprowadzonych cząstek, ich wymiarów (kilka do
kilkuset mðm) i ksztaÅ‚tu oraz zdolnoÅ›ci zwilżania przez osnowÄ™.
2.5. Właściwości kompozytów metalowych
Kompozyty metalowe wzmocnione cząstkami mają zarówno wady i zalety. Do wad
należy m.in. niszczenie z udziałem cząstek lub krótkich włókien spowodowane
pęknięciami w cząstkach, w granicy cząstka-osnowa lub powstanie porów w osnowie
w miejscach przylegajÄ…cych do czÄ…stek
Ważnym efektem, który uzasadnia celowość stosowania kompozytów z cząstkami
jest ich wyższa, w porównaniu do zwykłych stopów, odporność na ścieranie.
Właściwości mechaniczne kompozytów w układzie metal-cząstki zbrojące zależą nie
tylko od udziału objętościowego zbrojenia, ale również od charakterystyk mechanicznych
łączonych ze sobą komponentów. Odlewnicze stopy aluminium cechują się stosunkowo
małą wytrzymałością na rozciąganie i niewielkim odkształceniem plastycznym, natomiast
stopy przerabiane plastycznie osiągają duże właściwości na rozciąganie. Wprowadzenie,
zatem cząstek ceramicznych do stopów aluminium, w zależności od typu osnowy,
wywołuje różne skutki.
W odróżnieniu od kompozytów zbrojonych cząstkami, metalowe kompozyty
włókniste mają bardzo wysokie właściwości wytrzymałościowe. Udział objętościowy
włókien w tych materiałach jest bardzo duży 35-50%, co zapewnia uzyskanie
wytrzymałości na rozciąganie powyżej 1500 MPa.
Zbrojenie stopów włóknami ceramicznymi (węglowymi, z węglika krzemu,
włóknami borowymi) zapewnia wysoki poziom wytrzymałości, wysoką wytrzymałość na
pełzanie oraz wysoką wytrzymałość w podwyższonej temperaturze.
Zalety kompozytów na osnowie metali:
·ð wysoka twardość powierzchni,
·ð możliwość wyciskania na gorÄ…co i stosowania innych metod przeróbki plastycznej,
·ð wysoka odporność na warunki atmosferyczne,
·ð wysoka przewodność cieplna i elektryczna,
·ð wysoka wytrzymaÅ‚ość na Å›cinanie miÄ™dzywarstwowe,
·ð wysoka wytrzymaÅ‚ość poprzeczna,
·ð wysoka odporność cieplna.
Wady kompozytów na osnowie metalowej:
·ð wysoka temperatura i ciÅ›nienie formowania,
·ð trudność ksztaÅ‚towania,
·ð niemożliwość stosowania tradycyjnych metod zgrzewania.
2.6. Sposoby wytwarzania kompozytów metalowych
Metody wytwarzania kompozytów o osnowie metalowej dzieli się na:
·ð Metody bezpoÅ›rednie gdzie strukturÄ™ kompozytu uzyskuje siÄ™ w wyniku
odpowiedniego procesu technologicznego, np. krzepnięcia i krystalizacji oraz obróbki
plastycznej lub cieplnej). Najprostszym przykładem jest zgrzewanie w czasie
walcowania na gorąco wcześniej przygotowanych wsadów warstwowych, zbrojonych
włóknem (rys 1).
a)
1
b)
2
3
Rys 1. Przykłady przygotowania wsadów warstwowych do walcowania na gorąco: 1-folia
osnowy, 2-włókno zbrojące, 3-włókno z materiału osnowy
·ð Metody poÅ›rednie, które dzielimy na metody z ciekÅ‚Ä… osnowÄ… (nasycanie swobodne,
nasycanie wymuszone, mieszanie i rozpuszczanie) oraz na metody przeróbki
plastycznej (wyciskanie, ciągnienie). Przykłady różnych sposobów łączenia włókien z
ciekłą osnową przedstawia rysunek2.
Próżnia
a) b) c)
3
Ciśnienie
4
1
5
1
2
2 2
1
Rys 2. Różne sposoby łączenia włókna z ciekłą osnową, a) zasysanie kapilarne,
b) wykorzystanie ciśnienia, c) wykorzystanie próżni; 1-włókna, 2-ciekła osnowa,
3-element grzewczy, 4-rura, 5-zamknięcie folią
Istotną cechą wszystkich tych metod jest to, że nie są one uzależnione od rodzaju
zbrojenia, można je zatem wykorzystywać do wytwarzania kompozytów zbrojonych zarówno
cząstkami jak i włóknami.
Kompozyty metalowe zbrojone cząstkami wytwarza się również metodą metalurgii
proszków. Pozwala to na uzyskanie wyrobów o stosunkowo niewielkiej masie.
3. Przebieg zajęć
·ð Sprawdzian wiadomoÅ›ci studentów z zakresu podstawowych informacji
dotyczących kompozytów metalowych,
·ð Realizacja tematu laboratorium:
- PrzeglÄ…d prezentacji multimedialnej,
- Dyskusja na temat własności kompozytów metalowych
- Pogawędka na temat struktury omawianych kompozytów, przegląd katalogu
struktur i zgromadzonych próbek,
- Omówienie metod wytwarzania kompozytów metalowych,
- Podsumowanie omówionych treści.
4. Pytania kontrolne
1) Wymienić charakterystyczne własności metali.
2) Jakie materiały metalowe są stosowane na osnowę kompozytów?
3) Jakie włókna stosowane są do zbrojenia kompozytów metalowych?
4) W jakiej postaci w technologiach wytwarzania występuje osnowa kompozytów
metalowych?
5) Scharakteryzować włókna boru.
6) Wymienić zalety i wady zbrojenia cząsteczkami kompozytów metalowych.
7) Zalety i wady metalowych kompozytów włóknistych.
8) Jakie są pośrednie metody wytwarzania kompozytów metalowych?
9) Metody wytwarzania metalowych kompozytów zbrojonych cząsteczkami.
5. Literatura uzupełniająca
1) Boczkowska A., Kapuściński J., Puciłowski K., Wojciechowski S.  Kompozyty ,
WPW, Warszawa 2000
2) Śleziona J.  Podstawy technologii kompozytów , Wydawnictwo Politechniki
ÅšlÄ…skiej, Gliwice 1998
3) Leda H.  Współczesne materiały konstrukcyjne i narzędziowe , Wydawnictwo
Politechniki Poznańskiej, Poznań 1996
4) Hyla J.  Wybrane zagadnienia z inżynierii materiałów kompozytowych , WNT,
Warszawa 1996
5) Krzemień E.  Materiałoznawstwo , Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice
2001