DE2803981A1

DE2803981A1 - Composite fibres reinforced workpiece - includes brittle main fibres and high strength fibres aligned with main fibres

Info

Publication number: DE2803981A1
Application number: DE19782803981
Authority: DE
Inventors: Irina Nikiforov Archangelskaya; Sergei Tichonovitsch Mileiko; Nikolai Michailovitsch Sorokin; Aleksandr Michailovits Tsirlin
Original assignee: INST FIZ TVERDOGO TELA AKADEMI
Current assignee: INST FIZ TVERDOGO TELA AKADEMI
Priority date: 1978-01-30
Filing date: 1978-01-30
Publication date: 1979-08-02
Also published as: DE2803981B2; DE2803981C3

Abstract

The metal matrix (a) contains brittle fibres (b), and also high-tensile, ductile fibres (c), which are uniformly aligned in the same direction as fibres (b). The pref. material uses an Al alloy matrix (a) contg. by wt. 3.8-4.9% Cu, 1.2-1.8% Mg, 0.3-0.9% Mn, the remainder being aluminium. In the Al alloy (a) are boron fibres (b); and also steel fibres (c) contg. 12-14% Cr, 12-14% Ni, 1-3% Mo. The vol. ratio of the three materials a:b:c in percent is pref. 49-51:42-44:4-7. The average strength of the composite material is increased by adding fibres (c); and the spread of the actual strength values above and below the average value is reduced, so the reliability of the composite material, e.g. in aerospace applications, is increased.

Description

Mischwerkstoff mit metallischer Matrix Mixed material with a metallic matrix

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet hochfester Mischwerkstoffe mit metallischer Matrix. Bei diesen Mischwerkstoffen ist die metallische Matrix mit spröden Fasern, z. B. mit Bor-, Kohlenstoff-, Oxid-, Karbidfasern u. a. m., verstärkt. Derartige faserige Mischwerkstoffe zeichnen sich durch hohe Großen von spezifischer Festigkeit und Elastizitätsmodul aus, was ihren Einsatz in der Flug- und Weltraumtechnik sowie anderen Bereichen der Technik ermöglicht. The present invention relates to the field of high-strength mixed materials with metallic matrix. The metallic matrix is in these mixed materials with brittle fibers, e.g. B. with boron, carbon, oxide, carbide fibers and others. m., reinforced. Such fibrous mixed materials are characterized by high sizes of specific strength and modulus of elasticity, which makes their use in flight and space technology as well as other areas of technology.

Zur Zeit sind die faserigen Mischwerkstoffe mit metallischer Matrix, wie Bor-Aluminium, Kohlenstoff-Aluminium, Siliziumkarbid-Titan, Aluminiumoxid-Nickel u. ä., weitbekannt. Sie stellen Werkstoffe dar, bei denen die metallische Matrix mit Fasern gleichen Typs, z. B. nur mit Bor-oder nur mit Kohlenstoff- bzw. Siliziumkarbidfasern u. ä. m., verstärkt ist, wobei deren Gehalt 60 % des Volumens erreichen kann (Artikel von S. T. Mileiko, N. M. Sorokin, A. M. At the moment, the fibrous mixed materials with a metallic matrix, such as boron-aluminum, carbon-aluminum, silicon carbide-titanium, aluminum oxide-nickel and the like, well known. They represent materials in which the metallic matrix with fibers of the same type, e.g. B. only with boron or only with carbon or silicon carbide fibers etc., is reinforced, whereby their content can reach 60% of the volume (Article by S. T. Mileiko, N. M. Sorokin, A. M.

Tsirlin: "Die Festigkeit von Boraluminium - einem Mischwerkstoff mit spröder Faser", "Mechanik der Polymere" (Prochnost boroaljuminiya - komposita s khrupkim voloknom "Mekhanika polimerov"), 1973, Nr. 5, S. 84o bis 846 und von K. M. Prewo, K. G. Kreider: "High strength boron and boric fiber reinforced aluminum composites, "J.Tsirlin: "The strength of boron aluminum - a mixed material with brittle fiber "," mechanics of polymers "(Prochnost boroaljuminiya - komposita s khrupkim voloknom "Mekhanika polimerov"), 1973, No. 5, pp. 84o to 846 and by K. M. Prewo, K. G. Kreider: "High strength boron and boric fiber reinforced aluminum composites, "J.

Composite Materials, 1972, Vol. 6, July, 338 - 357).Composite Materials, 1972, Vol. 6, July, 338-357).

Bei den erwähnten Mischwerkstoffen sind eine große Festigkeitsstreuung-(bis zu 50 %) und eine geringe mittlere Festigkeit (80 bis 130 kp/mm2) zu vermerken. Das läßt sich dadurch erklären, daß sich das Matrixvolumen bei großen Volumenanteilen (bis zu 60 %) von spröder Faser im Mischwerkstoff für die Lokalisierung der Faserbrüche an schwachen Punkten, die unvermeidlich bestehen, als nicht genügend erweist.With the mixed materials mentioned, there is a large variation in strength (up to to 50%) and a low average strength (80 to 130 kp / mm2). This can be explained by the fact that the matrix volume increases with large volume fractions (up to 60%) of brittle fibers in the mixed material for the localization of the fiber breaks proves insufficient at weak points that inevitably persist.

Bekannt ist auch ein faseriger Mischwerkstoff mit metallischer Matrix, bei dem die metallische Matrix mit zwei Faserarten - mit spröden Grund- und zusätzlichen hochfesten Fasern in Form von Stahldraht - verstärkt ist, wobei die Stahlfasern orthogonald (quer) zur Richtung der spröden Grundfasern geordnet/(J. L. Christian, "Materials and Fabrication Development and Application Studies of Aluminum/Boron - Stainless Steel Composites", "Pap.Amer. A fibrous mixed material with a metallic matrix is also known, in which the metallic matrix with two types of fibers - with brittle basic and additional high-strength fibers in the form of steel wire - is reinforced, the steel fibers orthogonald (across) ordered to the direction of the brittle basic fibers / (J. L. Christian, "Materials and Fabrication Development and Application Studies of Aluminum / Boron - Stainless Steel Composites "," Pap.Amer.

Soc. Mech. Eng." 1970, NGT - 46). Bei diesem Mischwerkstoff wurde der Stahldraht zur Erhöhung seiner Querfestigkeit eingeführt. Die mittlere Festigkeit des besagten Mischwerkstoffes beträgt in Grundfaserrichtung 117 kp/mm2, und die Festigkeitsstreuung macht ca. 50 % aus. Das Einmengen der zusätzlichen Stahlfasern in den Mischwerkstoff führt also zu keiner Verbesserung seiner Eigenschaften in Richtung der spröden Grundfaser. Die Verwendung dieser Werkstoffe in stark beanspruchten Bauelementen ist daher beschränkt.Soc. Mech. Eng. "1970, NGT - 46). With this mixed material, the steel wire was introduced to increase its transverse strength. The medium strength of the said mixed material is 117 kp / mm2 in the basic fiber direction, and the Strength variation makes up approx. 50%. The incorporation of the additional steel fibers in the mixed material does not lead to any improvement in its properties Direction of the brittle basic fiber. The use of these materials in heavily used Components is therefore limited.

Mit der vorliegenden Erfindung wurden eine Verminderung der Festigkeitsstreuung und eine Erhöhung der mittleren Festigkeit des Mischwerkstoffes angestrebt, die die Zuverlässigkeit der Bauelemente zu erhöhen gestatten. With the present invention, there has been a reduction in strength dispersion and aimed at increasing the mean strength of the mixed material, the Allow to increase the reliability of the components.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, nach Optimalverhältnissen der Volumenanteile von Grund- und Zusatzfasern zu suchen und diese im Volumen der metallischen Matrix derart anzuordnen, daß die Festigkeitsstreuung herabgesetzt und die mittlere Festigkeit des Mischwerkstoffes erhöht werden. The invention is based on the object of optimal conditions to look for the volume fractions of base and additional fibers and these in the volume of the metallic matrix to be arranged in such a way that the strength variation is reduced and the mean strength of the mixed material can be increased.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Mischwerkstoff mit metallischer Matrix, der mit spröden Grundfasern und zusätzlichen hochfesten bildsamen Fasern verstärkt ist, mit dem Kennzeichen, daß die zusätzlichen Fasern gleichmäßig in Richtung der Grundfasern geordnet sind. The invention, with which this object is achieved, is a Mixed material with a metallic matrix, the one with brittle basic fibers and additional high-strength ductile fibers is reinforced, with the characteristic that the additional Fibers are ordered evenly in the direction of the basic fibers.

Als Beispiel dieses Mischwerkstoffes kann ein Werkstoff dienen, bei dem die Matrix aus einer Aluminiumlegierung besteht, die 3,8 bis 4,9 Gew.-% Kupfer, 1,2 bis 1,8 Gew.-Z Magnesium und 0,3 bis 0,9 Gew.-% Mangan enthält und mit Grundfasern aus Bor und zusätzlichen Fasern aus einem Stahl, der 12 bis 14 Gew.-% Chrom, 12 bis 14 Gew.-% Nickel und 1 bis 3 Gew.-% Molybdän enthält, verstärkt ist, wobei das prozentuale Raumverhältnis von Matrix, Bor- und Stahlfasern 49 bis 51 : 42 bis 44 ; 4 bis 7 beträgt. A material can serve as an example of this mixed material which the matrix consists of an aluminum alloy containing 3.8 to 4.9% by weight of copper, Contains 1.2 to 1.8% by weight of magnesium and 0.3 to 0.9% by weight of manganese and with base fibers from boron and additional fibers from a steel that contains 12 to 14% by weight of chromium, 12 to 14 wt .-% nickel and 1 to 3 wt .-% molybdenum, is reinforced, the percentage space ratio of matrix, boron and steel fibers 49 to 51: 42 to 44 ; 4 to 7.

Der erfindungsgemäße Mischwerkstoff hat den Vorteil, daß er nur eine geringe Festigkeitsstreuung bis etwa 5 % 2 und eine hohe mittlere Festigkeit von ca. 150 kp/mm2 aufweist. The mixed material according to the invention has the advantage that it only has one low strength variation up to about 5% 2 and a high average strength of approx. 150 kp / mm2.

Der nach der Erfindung vorgeschlagene Mischwerkstoff besteht aus einer metallischen Matrix, in die spröde Grundfasern und zwischen diesen verteilte zusätzliche hochfeste bildsame Fasern eingeführt sind. Die zusätzlichen Fasern müssen unbedingt aus hochfesten Metallen oder deren Legierungen bestehen und in Richtung der spröden Grundfasern geordnet sein, wobei sie zwischen jeweils einer, zwei oder drei Grundfasern verteilt werden können. The mixed material proposed according to the invention consists made of a metallic matrix into which brittle basic fibers are distributed and between them additional high-strength plastic fibers are introduced. The extra fibers must necessarily consist of high-strength metals or their alloys and in the direction the brittle basic fibers be ordered, with between each one, two or three basic fibers can be distributed.

Als Matrix können Aluminium-, Magnesium-, Titanlegierungen u. ä. verwendet werden. Als spröde Grundfasern lassen sich Fasern von Bor, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Kohlengraphitstoff u. ä. m. einmischen. Als zusätzliche Fasern kann ein beliebiger hochfester bildsamer Draht, z. B.Aluminum, magnesium, titanium alloys and the like can be used as the matrix will. Boron, silicon carbide, aluminum oxide, Mix in carbon graphite cloth and the like. Any additional fibers can be used high-strength plastic wire, e.g. B.

Stahl-, Molybdän-, Wolframdraht, dienen.Steel, molybdenum, tungsten wire, are used.

Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Mischwerkstoffes können verschieden sein, z. B. Warmpressen, Imprägnierung, Plasmaspritzen u. ä. m. Process for the production of the mixed material according to the invention can be different, e.g. B. hot pressing, impregnation, plasma spraying and the like. m.

Der vorliegende Mischwerkstoff hat geringe Festigkeitsstreuung (bis zu 5 %) und hohe mittlere Festigkeit (ca. 150 kp/mm2), die aufgrund der Vernichtung der beim Bruch der spröden Grund fasern an schwachen Punkten unter Einwirkung der Belastung freiwerdenden elastischen Energie durch die zusätzlichen Fasern gewährleistet werden. The mixed material in question has a low variation in strength (up to to 5%) and high medium strength (approx. 150 kp / mm2) due to the destruction when the brittle basic fibers break at weak points under the action of Load released elastic energy guaranteed by the additional fibers will.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden einige Beispiele angeführt. For a better understanding of the present invention, some Examples given.

Beispiel 1 Als Matrix wird eine Aluminiumlegierung mit folgender Zusammensetzung verwendet: 3,8 bis 4,9 Gew.-% Kupfer, 1,2 bis 1,8 Gew.-% Magnesium, 0,3 bis 0,9 Gew.-9 Mangan, Rest Aluminium in Form von 0,04 mm starker Folie. Darauf werden spröde Grundfasern aus Bor mit 94 /um Durchmesser, 280 + 2 80 kp/mm Festigkeit bei 0,15 mm Faserabstand gelegt. Zwischen allen zwei Borfasern werden zusätzliche Fasern in Form eines Stahldraht es mit folgender Zusammensetzung untergebracht: 12 bis 14 Gew.-% Chrom, 12 bis 14 Gew.-% Nickel, 1 bis 3 Gew.-% Molybdän, Rest Eisen von 55 /um Durchmesser und 380 bis 400 kg/mm2 Festigkeit. Auf dieselbe Weise werden einige (6 bis 10) ähnliche Folien mit den erwähnten Fasern gefertigt und zu einem Paket zusammengestellt, das unter folgenden Bedingungen vakuumgepreßt wird: Temperatur 485 OC, Druck 2,5 kp/mm2, Zeit 1,5 h. Nach dem Pressen wird der Werkstoff bis auf 500 OC erwärmt und in Wasser abgeschreckt, wobei die Matrix anschließend bei einer Temperatur von 160 OC im Laufe von 10 h künstlich gealtert wird. Bei dem hergestellten Werkstoff beträgt der Volumenanteil der Matrix 49 bis 51 %, der von Bor 42 bis 44 % und der der zusätzlichen Stahlfasern 6,5 bis 7,0 %. Example 1 As a matrix, an aluminum alloy is used with the following Composition used: 3.8 to 4.9% by weight copper, 1.2 to 1.8% by weight magnesium, 0.3 to 0.9% by weight manganese, the remainder aluminum in the form of 0.04 mm thick foil. Thereon brittle basic boron fibers with a diameter of 94 μm, 280+ 2 80 kp / mm strength at 0.15 mm fiber spacing. Between every two boron fibers there are additional fibers in the form of a steel wire with the following composition housed: 12 to 14% by weight chromium, 12 to 14% by weight nickel, 1 to 3% by weight molybdenum, The remainder is iron with a diameter of 55 μm and a strength of 380 to 400 kg / mm2. On the same Some (6 to 10) similar foils are made with the fibers mentioned and assembled into a package which is vacuum-pressed under the following conditions becomes: temperature 485 OC, pressure 2.5 kp / mm2, time 1.5 h. After pressing, the Material heated up to 500 OC and quenched in water, after which the matrix Artificially aged at a temperature of 160 OC in the course of 10 hours. In which produced material, the volume fraction of the matrix is 49 to 51%, that of Boron 42 to 44% and that of the additional steel fibers 6.5 to 7.0%.

Der Mischwerkstoff hat eine Festigkeit von 153 kp/mm2 und eine Festigkeitsstreuung von 4 %. The mixed material has a strength of 153 kp / mm2 and a strength variation of 4%.

Vergleichsweise wurde ein Mischwerkstoff ohne Einführen der zusätzlichen Stahlfasern unter den gleichen Bedingungen und aus im übrigen denselben Bestandteilen zubereitet. Die Festigkeit dieses Mischwerkstoffes betrug 2 125 kpXmm und die Festigkeitsstreuung 13 %. For comparison, a mixed material was used without introducing the additional Steel fibers under the same conditions and otherwise made from the same components prepared. The strength of this mixed material was 2 125 kpXmm and the strength variation 13%.

Nachstehend werden folgende Mischwerkstoffe unter Angabe des Raumverhältnisses der Bestandteile angeführt. The following mixed materials are listed below, specifying the space ratio of the components listed.

Beispiel 2 30 bis 40 % Titanlegierung, 45 bis 60 % mit Siliziumkarbid überzogene Borfasern mit 0,1 mm Durchmesser und 5 bis 15 % hochfester Molybdändraht mit 0,07 mm Durchmesser. Example 2 30 to 40% titanium alloy, 45 to 60% with silicon carbide coated boron fibers with a diameter of 0.1 mm and 5 to 15% high-strength molybdenum wire with a diameter of 0.07 mm.

Beispiel 3 30 bis 35 % Titanlegierung, 50 bis 60 % Siliziumkarbidfasern mit 0,1 mm Durchmesser und 5 bis 10 % hochfester Molybdändraht mit 0,05 mm Durchmesser. Example 3 30 to 35% titanium alloy, 50 to 60% silicon carbide fibers with 0.1 mm diameter and 5 to 10% high-strength molybdenum wire with 0.05 mm diameter.

Claims

Claims 1. Mixed material with a metallic matrix that is brittle with Base fibers and additional high-strength malleable fibers is reinforced thereby characterized in that the additional fibers are uniform in the direction of the base fibers are ordered.

2. mixed material according to claim 1, characterized in that its Matrix consists of an aluminum alloy, the 3.8 to 4.9 wt .-% copper, 1.2 contains up to 1.8% by weight of magnesium and 0.3 to.9% by weight of manganese and with base fibers made of boron and additional fibers made of a steel containing 12 to 14% by weight of chromium, 12 to 14 wt .-% nickel and 1 to 3 wt .-% molybdenum, is reinforced, the percentage space ratio of matrix, boron and steel fibers 49 to 51: 42 to 44 : Is 4 to 7.