Kompozyt
Materiał kompozytowy jest kombinacją dwóch lub więcej materiałów (osnowa + zbrojenie) różniących się rodzajem lub składem chemicznym. Kompozyt jest połączeniem nie rozpuszczających się w sobie faz przez co komponenty zachowują swoją tożsamość. Ważną cechą kompozytów jest to, że posiadają one lepsze własności niż poszczególne ich składniki osobno.
W dzisiejszych czasach większość materiałów można nazwać kompozytami, ponieważ rzadko występują w czystej postaci.
Wyróżniamy kompozyty o osnowie:
Polimerowej
Ceramicznej
Metalowej
Metalowe materiały kompozytowe stanowią liczną grupę materiałów, których własności mechaniczne kształtowane są wieloma technikami. Wybrane własności można osiągnąć, dobierając odpowiednią osnowę, rodzaj umocnienia jego zawartość, rozmieszczenie, metodę wytwarzania oraz wiele innych parametrów.
Materiały osnowy kompozytów metalowych
Metale stosowane na osnowy: aluminium, magnez, tytan, ołów, cynk, srebro, nikiel i miedź. Ich stopy dzielimy na cztery grupy:
1) Stopy metali lekkich (Mg, Al)
2) Stopy srebra i miedzi
3) Stopy niklu
4) Stopy ołowiu i cynku
Stopy metali lekkich
Charakteryzują się małą gęstością, niską temperaturą topnienia i stosunkowo łatwą technologią wytwarzania. Kompozyty z osnową 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 się 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 charakteryzują się 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 miedź-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 cechują się 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.
Zbrojenie
Zbrojenia dzielimy na :
-wzmacniane cząstkami
-wzmacniane włóknami
-wzmacniane whiskerami
Zaletami zbrojenia cząstkami są:
· znacznie mniejszy koszt wytwarzania kompozytu w porównaniu ze zbrojeniem włóknami ciągłym,
· uzyskanie dużej odporności na ścieranie i pękanie.
Sposoby wytwarzania kompozytów metalowych
Metody bezpośrednie:strukturę kompozytu uzyskuje się w wyniku odpowiedniego procesu technologicznego, np. krzepnięcia i krystalizacji oraz obróbki plastycznej lub cieplnej)
Metody pośrednie, które dzielimy na metody z ciekłą osnową (nasycanie swobodne, nasycanie wymuszone, mieszanie i rozpuszczanie) oraz na metody przeróbki plastycznej (wyciskanie, ciągnienie)
Kompozyty metalowe zbrojone cząstkami wytwarza się również metodą metalurgii proszków. Pozwala to na uzyskanie wyrobów o stosunkowo niewielkiej masie.
Materiał osnowy metalowej w technologiach wytwarzania kompozytów występuje w postaci:
- ciekłego stopu, nasycającego włókna zbrojące lub do którego wprowadza się cząstki zbrojące,
- 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 gorąco.
Zalety kompozytów na osnowie metali
· wysoka twardość powierzchni,
· możliwość wyciskania na gorąco i stosowania innych metod przeróbki plastycznej,
· wysoka odporność na warunki atmosferyczne,
· wysoka przewodność cieplna i elektryczna,
· wysoka wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe,
· wysoka wytrzymałość poprzeczna,
· wysoka odporność cieplna.
Wady kompozytów na osnowie metalowej
wysoka temperatura i ciśnienie formowania,
· trudność kształtowania,
· niemożliwość stosowania tradycyjnych metod zgrzewania.
Stopy niklu
Są 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 zbrojące,
- 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 gorąco.