КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Модуль упругости однонаправленного композита вдоль направления армирования (укладки волокон) может быть рассчитан по правилу смеси: Ec = EfVf + EmVm, где Ef - модуль волокна; Em - модуль матрицы; Vf, Vm – относительное объемное содержание волокон и матрицы, соответственно.

 

Слоистый композит с ортогональным армированием [0o/90o], показанный на рисунке справа, будет коробиться при приложении одноосного растягивающего напряжения из-за различия модуля упругости вдоль и перпендикулярно оси волокон. Жесткость материала в направлении укладки волокон выше и, поэтому слой композита с волокнами, расположенными параллельно приложенному напряжению, будет растягиваться меньше, чем слой, нагруженный поперек волокон.

 

Модуль упругости композитов с непрерывными волокнами зависит от угла между направлением волокон и приложенной нагрузкой. Максимальная жесткость композита проявляется при приложении нагрузки параллельно оси волокон. Жесткость слоистых композитов с взаимно пересекающимися волокнами [+q/-q] выше, чем у однонаправленных композитов, благодаря дополнительному ограничению сдвиговых деформации.

 

Чем выше объемное содержание волокон Vf однонаправленных волокнистых композитов, тем выше их способность выдерживать циклическую нагрузку. Сопротивление усталости композитов существенно зависит от угла между направлением приложенной нагрузки и осью волокон. Долговечность композита уменьшается при увеличении данного угла.

 

Прочность композитов с короткими волокнами увеличивается при увеличении отношения длины волокна к диаметру l/d. Поскольку количество дефектов зависит (помимо прочего) от диаметра волокна, прочность волокна определенной длины возрастает с уменьшением диаметра волокна. Для заданного объемного содержания волокон более длинные волокна несут большую долю нагрузки, приложенную к композиту.

 

Остаточные напряжения возникают при охлаждении слоистых композитов с ортогональным армированием из-за анизотропии термической усадки параллельно и перпендикулярно направлению армирования. В композитах стеклянные волокна/эпоксидная матрица коэффициент теплового расширения вдоль оси волокон ниже, чем перпендикулярно волокнам. При охлаждении, слои с укладкой волокон 90o растягиваются, а слои с волокнами, расположенными под углом 0o, сжимаются. Как правило, трещины образуются перпендикулярно растягивающим напряжениям.

Известно, что композиты имеют высокую удельную прочность, которая определяется как отношение предела прочности на растяжение sв к плотности материала r•g. Удельная прочность композитов с непрерывными волокнами намного выше, чем у обычных материалов, таких как алюминий или сталь.

 

Нагрузка, приложенная к волокнистым композитам, распределяется между волокнами и матрицей. Соотношение между нагрузкой, передающейся на волокна Pf и матрицу Pm, зависит от отношения EfVf к EmVm: Pf / Pf = EfVf / EmVm, где Ef, Em, Vf и Vm - модули упругости и объемное содержание компонентов композита. Чем выше модуль упругости и объемное содержание волокон, тем большую нагрузку несут волокна.

 

Если предположить, что между волокнами и матрицей отсутствует скольжение, тогда напряжение в композите определяется следующим образом: s = sfVf + smVm где Vf и Vm – объемное содержание волокон и матрицы, соответственно. Напряжение в матрице: sm = sf • Em/Ef. Напряжение в волокнах: sf = s / [Vf + (1-Vf) • Em/Ef]. Для заданного уровня напряжений, чем выше объемное содержание волокон, тем меньшее напряжение действует в волокнах.

 

 

ФОРМОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

Горячее формование – это процессы, при которых металл деформируется при температурах выше температуры рекристаллизации без возникновения деформационного упрочнения (наклепа). Обычно, горячее формование выполняют при температурах 0.5-0.75 от температуры плавления (в градусах Кельвина). Заметим, что формование свинца при комнатной температуре может рассматриваться как процесс горячего формования из-за низкой температуры плавления свинца. Металл Al Cu Fe Pb Mg Ni Ti Температура плавления T, oK

 

Облой образуется на поверхности поковки, когда при горячей ковке небольшое количество металла вытекает из штампа. Из-за малого объема облой охлаждается быстрее, чем основная часть заготовки. Это увеличивает сопротивление облоя деформированию и вынуждает поток металла заполнять все пустоты штампа.

 

Отличия холодного формования от горячего формования Лучше качество поверхности. Легче контролировать размеры детали благодаря отсутствию усадки при охлаждении. Прочность и износостойкость металлических изделий выше при более низкой пластичности. Большая деформация приводит к возрастанию пределов прочности и текучести и снижению пластичности. Механические свойства в различных направлениях могут отличаться. Меньше проблем, связанных с проблемами загрязнения окружающей среды. Требуется более мощное оборудование.   Экструзия используется для производства сплошных или полых изделий большой длины при постоянном поперечном сечении. Изделия, полученные методом экструзии, могут иметь как простые, так и сложные поперечные сечения (например, внутренние ребра), которые нельзя получить другими методами формования.   Трение между контактирующими поверхностями вызывает неравномерное сжатие деформируемого материала, что приводит к бочкообразной форме заготовки.   Длина прокатанной валками заготовки увеличивается пропорционально уменьшению ее поперечного сечения. При прокатке объем материала остается постоянным: F0 • l0 = F1 • l1, где F0, F1 – площадь поперечного сечения до и после прокатки, соответственно; l0, l1 – начальная и конечная длина заготовки. Следовательно: l1 = l0 • F0/F1   Ковка измельчает зерна и улучшает физические свойства металла. Линиями текучести называется текстура, показывающая направление течения металла при его пластическом деформировании. Линии текучести могут быть ориентированны по направлению действия главных напряжений. Рисунок справа показывает силы, действующие на обрабатываемую заготовку со стороны валков в точке контакта. Здесь, N - нормальная сила; T = f • N - сила трения; f - коэффициент трения. Заготовка может быть протянута вперед только, если N • sina < T • sina или f > tga где a - угол захвата (угол зева валков). Если трение между контактирующими поверхностями уменьшается, тогда уменьшается максимально возможный угол захвата.

 

ТЕСТ ИТОГОВЫЙ

1.Какая из структур не является элементарной ячейкой?

Начало формы A.

B.

C.

D. Все Конец формы

Конец формы

2.Какое кристаллографическое направление соответствует индексам [012]?

Начало формы A.

B.

C.

D.

E.

F. Конец формы

3.Каковы кристаллографические индексы (индексы Миллера) для плоскости?

Начало формы A. (110)

B. (101)

C. (111)

D. (120) Конец формы

 

4.Сколько атомов в данной ячейке?

Начало формы A. 1

B. 2

C. 4

D. 6 Конец формы

5.Чему равна плотность упаковки (коэффициент заполнения) для данной ячейки?

Начало формы A 0.52

B 0.68

C 0.74

D 1.00 Конец формы

6.Представлены три элементарные ячейки различных металлов.
Какой материал наименее пластичен?

Начало формы A.

B.

C.

D. Все одинаковы Конец формы

Конец формы

7.В каком направлении движется краевая дислокация?

Начало формы A.

B.

C. Конец формы

 

 

8.Образцы были вырезаны из монокристалла железа (объемноцентрированная кубическая система).
Какой образец имеет наибольшую жесткость (модуль упругости)?

Начало формы A. [111].	B. [100].	C. [110].
D. Все одинаковы,так как это монокристалл.

 

 

9.Образец нагрузили выше предела текучести и затем разгрузили, как это показано кривой 1.
Какая кривая показывает поведение материала при повторной нагрузки образца?

Начало формы A.

B.

C.

D. Конец формы

 

10.Какая кривая на графике является типичной кривой усталости для алюминиевого сплава?

Начало формы A.

B.

C.

D. Конец формы

Конец формы

 

 

11.Чему равна максимальная концентрация компонента M в компоненте N при температуре T₁?

Начало формы A. 17%

B. 10%

C. 5%

D. 20% Конец формы

Конец формы

 

12.После закалки идентичные детали из углеродистой стали были подвергнуты отпуску при различных температурах. Каждой из температур соответствует цвет на поверхности детали.
В каком случае сталь будет иметь наибольшую пластичность?

Начало формы A.

B.

C.

D. Конец формы

 

 

13.С каким из металлов скорость коррозии железа будет наибольшей?

Начало формы A. Cu	B. Zn	C. Mg	D. Al Конец формы
Верный А

14.Какая форма изготовлена правильно?

Начало формы A.

B.

C. Конец формы

15.Выберите подходящий материал для стакана.

Начало формы	Материал	Температура стеклования
A.	Полиэтилакрилат	-24 o C
B.	Полистрол	100 o C
C.	Полиметилакрилат	10 o
D.	Полиметилметакрилат	35 o C
E.	Любой из указанных. Конец формы

В

 

16.. Четыре свободно подвешенных стержня с одинаковым поперечным сечением разрушились под собственным весом.
Из какого материала был выполнен самый длиный стержень?

Начало формы A. Сталь	B. Углеродные волокна/эпоксидная смола, Vf= 0.5
C. Алюминий	D. Борные волокна/алюминиевый сплав, Vf= 0.5 Конец формы

Конец формы

В

 

17. Какую форму примет деформированная заготовка круглого сечения?

Начало формы A.

B.

C. Конец формы

18.Конец формы

18..Где вероятнее всего формируется усадочная раковина?

Начало формы A.

B.

C.

D. Конец формы

19.Укажите правильное место расположения прибыли.

Начало формы A.

B.

C.

D. В любом месте. Конец формы

20.Конец формы

6. Деталь 1 произведена литьем в форму, а деталь 2 литьем в песчанную форму.
Какое из следующих утверждений справедливо?

Начало формы A. Деталь 1 имеет более высокую точность размеров и более гладкие поверхности, чем деталь 2.

B. Для детали 2 каждый раз необходима новой форма.

C. Деталь 1 имеет более высокие механические свойства, чем у детали 2.

D. Отливка детали 1 требует меньше времени, чем детали 2.

E. Все утверждения справедливы. Конец формы

 

21.Необходимо изготовить несколько таких стальных отливок.
Выберите подходящий процесс для производства детали.

Начало формы A. Непрерывное литье в кокиль.

B. Литье в песчанную форму.

C. Литье по выплавляемым моделям.

D. Любой из указанных. Конец формы

Конец формы

 

22.Какой материал нуждается в наибольшей прибыли при литья этой детали?

Начало формы A. Сталь.

B. Алюминий.

C. Медь.

D. Магний

E. Одинакова для всех. Конец формы

Конец формы

 

23.ВКакие из полимеров могут быть подвергнуты технологическому процессу, показанному ниже?

Начало формы A. Термореактивные смолы.	B. Термопластики.
C. Эластомеры.	D. Любые из приведенных. Конец формы

 

 

24.Как изменится кривая напряжение-деформация (B) полимера с увеличением скорости деформирования?

Начало формы A.	B.	C. Конец формы
А

25.Конец формы

7. Какая кривая показывает типичную зависимость удельного объема аморфного термопластичного полимера от температуры?

Начало формы A.

B.

C. Конец формы

Конец формы

 

26.После формирования образцы полукристаллического термопластичного полимера были охлаждены, как это показано на диаграмме.
Какой образец обладает наибольшей жесткостью?

Начало формы A.	B.	C.
D. Одинакова для всех.   Конец формы

Конец формы

 

27.Чему равна температура стеклования у данного полимера?

Начало формы A. 70oC	B. 90oC
C. 120oC	D. 140oC Конец формы

 

28.При температуре 910^oC длина железного стержня - 1 м.
Возможно ли, что длина стержня будет меньше 1 метра при температуре 920^oC?

Начало формы A. Нет. Длина стрежня увеличится из-за теплового расширения.

B. Это возможно, потому что коэффициент термического расширения железа отрицателен. Чем выше температура, тем короче стержень.

C. Это возможно, так как произойдут изменения в структуре железо, которые вызывают укорачивание стержня. Конец формы

 

29.Разрушение трех образцов с различным поперечным сечением произошло при одинаковой нагрузке.
Материал какого образца имеет самый высокий предел прочности?

Начало формы A.

B.

C. Конец формы

Конец формы

 

30.Образец деформируется упруго.
Определите материал образца.

Начало формы A. Сталь	B. Алюминий
C. Свинец	D. Титан Конец формы

31.Чему равен предел текучести материала?

Начало формы A. 250 МПа	B. 130 МПа
C. 200 МПа	D. 175 МПа Конец формы

 

32.Модуль упругости какого материала выше? Чему он равен?

Начало формы

A. 75 ГПа	B. 100 ГПа
C. 200 ГПа	D. 750 ГПа

33.Имеются три одинаковых стержня из материалов, кривые деформирования которых представлены на рисунке. Из стержней вытягивают проволоку.
Выберите материал, из которого получится самая длинная проволока.

Начало формы A.

B.

C.

D. Одинаково для всех Конец формы

Конец формы

 

 

34.Требуется обеспечить максимальное расстояние полета стрелы.
Выберите материал для упругого элемента арбалета.

Начало формы A.

B.

C.     Конец формы

 

 

35.Четыре стержня, имеющие одинаковое поперечное сечение и длину, закреплены за один из концов. Сила тяжести вызывает только упругую деформацию.

Стержень из какого материала имеет наименьшую длину?

Начало формы A. Титан	B. Бериллий
C. Алюминий	D. Свинец Конец формы

36.Два идентичных образца были растянуты до одинаковой деформации и затем разгружены.
Какой из образцов теперь длиннее?

Начало формы A.

B.

C. Оба одинаковы Конец формы

 

Конец формы

37.Стальной шарик вдавлен в поверхность трех материалов.
Какой материал имеет наибольшую прочность при растяжении?

Начало формы A.

B.

C. Конец формы

Конец формы

 

 

38.На рисунке A представлен образец из низкоуглеродистой стали, разрушенный при растяжении при комнатной температуре.
На каком рисунке изображен образец из того же материала разрушенный при температуре -50^oC?

Начало формы A.

B.

C.

D. Конец формы

 

Конец формы

 

39.Для разрушения скрепки из какого материала необходимо затратить наибольшее количество энергии?

Начало формы A.

B.

C. Конец формы

40.На графике представлены результаты ударных испытаний.
Какой материал является более надежным? Почему?

Начало формы A. Материал 2. Поскольку температура вязко-хрупкого перехода этого материала более близка к эксплуатационной, чем у материала 1.

B. Материал 1. Поскольку этот материал может работать в широком диапозоне температур без хрупкого разрушения.

C. Одинаково надежны. Поскольку температура вязко-хрупкого перехода обоих материалов ниже эксплуатационной. Конец формы

41.Где наиболее вероятно разрушение?

Начало формы A.

B.

C. Конец формы

 

42.Критический коэффициент интенсивности напряжений равен K_IC= 100 МПа• m^1/2.
Какое максимальное напряжение деталь может выдержать до разрушения?

Начало формы A. 100 МПа	B. 300 МПа
C. 500 МПа	D. 700 МПа Конец формы

Конец формы

 

 

43.Какой рисунок показывает поверхность разрушения образца, подвергнуго двухстороннему изгибу при высоком уровне номинального напряжения?

Начало формы A.	B.	C.
D.	E.	F. Конец формы

 

4 4.Для какого стержня разрушение из-за ползучести произойдет быстрее?

Начало формы A.

B.

C.

D. Конец формы

 

 

45.Конец формы

Для какого металла правильно указана температура, при которой происходит ползучесть?

Начало формы A. Al - 150 o	B. Fe - 350 o
C. Ni - 350 o	D. Ti - 500 o Конец формы

 

46.На левом рисунке представлена кривая охлаждения для сплава.
По фазовой диаграмме определите состав сплава?

Начало формы A. 50% M + 50% N	B. 20% M + 80% N
C. 40% M + 60% N	D. 60% M + 40% N Конец формы

 

Конец формы

 

47.Что представляет собой заштрихованная область на фазовой диаграмме?

Начало формы A. Эвтектика

B. Твердый раствор a + жидкая фаза

C. Твердый раствор a

D. Твердый раствор b + жидкая фаза Конец формы

48.Сплав O состоит на 50% из компонента М и 50% компонента N.
Какова массовая доля жидкой фазы сплава при температуре T₁?

Начало формы A. 60%

B. 70%

C. 40%

D. 20% Конец формы

 

 

 

49.Состав сплава O состоит из 50% компонента М и 50% компонента N.
Каков состав твердой фазы сплава при температуре T₁?

Начало формы A. 20% M + 80% N	B. 30% M + 70% N
C. 70% M + 30% N	D. 80% M + 20% N Конец формы

 

50.В какой точке три фазы сосуществуют одновременно?

Начало формы A.

B.

C.

D. Конец формы

51.Какая диаграмма соответствует сплаву, компоненты которого не образуют твердых растворов?

Начало формы A.

B.

C.

D. Ни одна из представленных Конец формы

52.Чему равна максимальная концентрация компонента M в компоненте N при температуре T₁?

Начало формы A. 17%

B. 10%

C. 5%

D. 20% Конец формы

53.Какой сплав при комнатной температуре имеет структуру, показанную на рисунке?

Начало формы A. 70% M + 30% N

B. 40% M + 60% N

C. 20% M + 80% N Конец формы

54.При какой температуре наблюдается максимальная растворимость компонента M в компоненте N?

Начало формы A. 800 oC	B. 900 oC
C. 600 oC	D. 100 oC Конец формы

55.Два компонента сплава имеют подобные кристаллические структуры и примерно одинаковы атомные радиусы, заряды и валентность.
Какая фазовая диаграмма соответствует сплаву таких компонентов?

Начало формы A.

B.

C. Конец формы

 

 

56.Нагретый стальной стержень охлаждается с одного конца холодной водой.
Твердость <