» » Межфазное взаимодействие и соединение компонентов
16.12.2014

В области температур совмещения элементов твердой фазы с жидкой матрицей большинство компонентов ЛKM являются термодинамически неравновесными, способными вступать между собой в различные реакции на границе раздела фаз.
В системе металл — арматура — форма протекают гетерофазные процессы, движущей силой которых является наличие градиентов химических потенциалов в различных фазах. Взаимодействие между компонентами может осуществляться на стадии формирования, когда матрица находится в расплавленном состоянии, на стадии кристаллизации и охлаждения, при последующих нагревах и деформации в процессе обработки или эксплуатации. Поэтому при рассмотрении видов межфазного взаимодействия целесообразно учитывать конкретные условия, в которых оно произошло (может произойти), поскольку изменение внешних условий или вмешательство в ход реакции может привести к изменению типа взаимодействия на любой из стадий формирования связи.
Принято различать термодинамические совместимые элементы композиционных материалов, которые способны находиться неограниченно долго в состоянии термодинамического равновесия в условиях производства и эксплуатации, и кинетически совместимые компоненты КМ. Они находятся в состоянии метастабильного равновесия, которое контролируется внешними и внутренними факторами: давлением, скоростью потока, температурой, химическим сродством, адсорбционной способностью, диффузионной подвижностью, внешним и внутренним массопереносом, скоростью химических реакций и другими.
При полном отсутствии какого-либо взаимодействия между матрицей и армирующими элементами как в процессе формирования, так и в дальнейшей обработке и эксплуатации образуется механическая связь, прочность которой определяется величинами нормальных давлений, развившихся под влиянием усадки матрицы и расширения (сужения) армирующих элементов. При разрушении подобного соединения его прочность будет также зависеть от трения между армирующими элементами и матрицей. Соответственно сила сцепления будет определяться наличием выступов и впадин на поверхности (рельефом) армирующих элементов (матрицы). Для большинства составов ЛK, у которых компоненты различаются по величинам термических коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) или имеют шероховатую поверхность, механическая связь между армирующими элементами и матрицей присутствует и при любом другом виде взаимодействия.
Одним из основных условий формирования ЛКМ является смачивание армирующих элементов расплавом матрицы и заполнение им пор, капилляров и других пустот. Смачивание расплавом приводит к тесному контакту фаз — необходимому условию для развития процессов химического взаимодействия на границе раздела. Энергетические условия смачивания определяются тем, что любая термодинамическая система наиболее устойчива при минимуме свободной энергии и любой процесс, вызывающий ее уменьшение, будет термодинамически оправдан, а при смачивании уменьшается межфазное поверхностное натяжение на границе раздела фаз.
Количественная характеристика взаимосвязи поверхностных натяжений (σтт, σкт, σтж), растекания (cos Θ), работы адгезии (WА) и работы когезии (Wк) выражается известными уравнениями Юнга и Дюпре. Показано, что они применимы только для равновесных систем (систем, характеризующихся равенством химических потенциалов в твердой и жидкой фазах). Для неравновесных систем указанные уравнения теряют смысл и говорить можно только о мгновенных значениях величин WА, Θ, cos Θ.
Для ряда термодинамических систем (для ЛKM их большинство), в которых величины межфазной энергии определяются разностью химических потенциалов и во времени их выравнивание протекает достаточно медленно, на определенном отрезке времени можно говорить о квазиравновесном состоянии и для этого отрезка использовать уравнения Юнга и Дюпре.
Если по каким-либо причинам (естественным или искусственным) процесс образования связей ограничивается слабым химическим взаимодействием, образуется так называемая адгезионная связь. Иногда подобное соединение армирующих элементов с матрицей называют еще бездиффузионным. Образование адгезионного соединения характерно для соединений неметаллов, неметаллических армирующих элементов с металлическими матрицами, а также между металлами, не взаимодействующими в жидком состоянии или когда процесс взаимодействия (например, быстрым охлаждением) остановлен.
На первой стадии взаимодействие ограничивается контактирующими монослоями атомов твердой и жидкой фаз. С развитием процесса в активизированное состояние приходит несколько атомных слоев, прилежащих к межфазной границе, и в дальнейшем процесс распространяется в глубь каждой из фаз. В зависимости от лимитирующей стадии процесса возможно несколько различных вариантов взаимодействия, которые приведут к образованию различных видов связи армирующих элементов с матрицей. Исследование скоростей процессов образования связей за счет растворения, диффузии, химической реакции позволяет установить преобладающий его вид и классифицировать по этому признаку.
Процесс формирования растворно-диффузионного соединения состоит из стадий растворения твердой фазы жидкой, взаимной диффузии атомов твердой фазы и расплава матрицы, выделения из расплава пересыщающего его компонента. При кристаллизации на поверхности армирующего элемента выделяется сплав, близкий по составу сплаву предельного насыщения. Еще одна стадия формирования растворнодиффузионного соединения проходит по механизму твердофазной диффузии после кристаллизации матрицы.
На основании обобщения результатов определения растворимости твердофазных элементов в различных металлических расплавах сделан вывод о том, что процесс растворения проходит через образование некоторой промежуточной фазы при условии, что скорость ее растворения превышает скорость ее образования. Ускорение растворения элементов армирующей фазы ЛКМ наблюдается после обработки в расплавах флюсов, когда вследствие химической (электрохимической) реакции возможно образование субсоединения.
Сопоставление литературных данных и результатов собственных исследований позволяет отметить, что растворение твердой фазы через промежуточное нестабильное соединение должно проходить в области активных центров твердой поверхности и иметь периодически повторяющийся характер. При удалении от такого центра скорость растворения должна уменьшаться. Это приводит к появлению пиков и впадин в микрообъемах твердой фазы, к предпочтительному направлению перемещения жидкой фазы по поверхности или в глубь твердой, к последующему направленному росту пересыщенного твердого раствора при кристаллизации матрицы (рис. 15) или направленному росту твердой прослойки.
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

На рис. 16 показана микроструктура зоны сплавления ЛKM гранулы стали ШХ15 с матрицей на БрКЗМц1, из которой виден периодический характер повторения пиков и впадин при образовании растворно-диффузионного соединения, а также характерные диффузионные потоки в глубь матрицы, повторяющие этот рельеф.
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

Контактное твердо-жидкое плавление происходит с высокой скоростью в результате перехода термодинамической системы твердое — расплав из предельно неравновесного в метастабильное для данных условий состояние. Характерной особенностью такого вида взаимодействия является появление прослойки жидкости с температурой плавления ниже температуры плавления армирующего элемента и матрицы. Дальнейшее взаимодействие твердой и жидкой фаз после контактного плавления протекает по диффузионному механизму. Соответственно принципу Ле-Шателье граница раздела твердой и жидкой фаз смещается в сторону той фазы, в которой концентрация компонента ниже, если в результате взаимодействия концентрация этого компонента в одной из фаз повышается.
В отличие от растворно-диффузионного взаимодействия процесс контактного твердо-жидкого плавления начинается с образования жидкой прослойки на границе раздела фаз по бездиффузионному механизму в кинетическом режиме. Затем начинается диффузионное перемещение атомов от межфазной границы в глубь жидкости или в твердую фазу через эту прослойку.
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

В ЛКМ, армированных нульмерными частицами, диффузионный фронт повторяет форму армирующего элемента (рис. 17). При взаимодействии отдельных диффузионных потоков от различных армирующих элементов формируется суммарный фронт диффузии с ориентированным движением вдоль капилляра. Такое изменение направления одних диффузионных потоков под влиянием других усиливает интенсивность перераспределения компонентов в объеме матрицы и армирующих элементов, появляются дополнительные концентрационные градиенты отдельных компонентов даже при относительно малом времени контакта твердой и жидкой фаз. Это не может не привести к локальным изменениям в скорости роста прослоек у отдельных элементов (участков) армирующей фазы, отличной от средней скорости роста для данного композита. Кроме того, локальное изменение концентрации отдельного компонента может вызвать и вызывает изменение в химической реакции образования интерметаллида. В зависимости от изменения исходной концентрации компонентов скорость роста интерметаллида может усиливаться, замедляться или интерметаллид вообще может не образоваться. Например, при формировании ЛKM на основе гранул стали ШX15, с матрицами из бронзы, содержащими алюминий, формируется прослойка интерметаллида η-фазы (преимущественно FeAl3). Ho при локальном накоплении в участках матрицы кремния рост этого интерметаллида замедляется. При этом установлено течение двух параллельных реакций — образование интерметаллида с железом и эвтектики с алюминием. Последняя замедляет рост интерметаллида.
В работе утверждается, что известная параболическая зависимость является первым приближением и удовлетворительно применима только при фронтальном росте прослойки. Она (зависимость) является частным случаем более общего степенного закона, где показатель степени может быть равен целому или дробному числу. Ho на примере роста карбидной прослойки при смачивании графита медно-хромистым сплавом показано, что отклонение от параболической зависимости кажущееся.
Расчет же времени роста прослойки по суммарной константе приводит к выражению h1,5=Rτ. В действительности для каждой стадии сохраняется своя известная зависимость: для химической реакции — линейная, а для процесса диффузионного взаимодействия — параболическая. Кроме того, в реальных системах отклонения от фронтального роста могут быть вызваны и другими параллельно протекающими реакциями, например, вследствие образования промежуточной фазы при растворении, изменения состояния поверхности в ходе взаимодействия. На изменении скорости роста может также сказаться различная диффузионная подвижность компонентов в различных фазах многофазных сплавов. Поэтому при описании кинетики взаимодействия фазовых составляющих ЛКМ необходим строгий анализ всех возможных реакций, так как зачастую это единственный способ получения информации об основном и сопутствующем механизмах образования связи между элементами литого композита. Например, для уточнения особенностей формирования переходной зоны ЛКМ при заливке алюминия на медь, покрытую цинком, было проведено определение скорости ее формирования. Расчет кинетических параметров на основе определения времени ретардации процесса и продвижения фронта расплава был выполнен по методам, приведенным в работах. Измерялось время формирования и распределения компонентов по глубине как в условиях заливки расплава алюминия, так и в условиях смачивания поверхности ограниченным количеством расплава.
Анализ распределения компонентов в переходной зоне в различные моменты времени от начала взаимодействия (табл. 2) позволил установить на начальной стадии образование сплава по составу близкому к γ-латуни. При увеличении продолжительности контакта переходная зона расширяется и со стороны меди содержание цинка уменьшается. Такое отличие становится особенно заметным при растекании ограниченного количества расплава алюминия по меди, покрытой цинком, при толщине покрытия 0,03—0,08 мм.
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

Расчет предэкспоненциального множителя и энергий активации для каждой из стадий процесса взаимодействия показал, что для первой стадии при повышенных температурах величина предэкспоненциального множителя в уравнении кинетики взаимодействия составляет (1,98—2,20) 10в-44 м2/с, для второй (0,84—0,93) 10в4 м2/с. Энергии активации соответственно 38—42 кДж/моль и 148—159 кДж/моль.
Полученные результаты позволяют говорить о том, что на первой стадии формирования исследуемой переходной зоны происходит контактное расплавление меди под воздействием расплава цинка или сплава цинка с алюминием, в результате которого достигается первичное метастабильное состояние, характеризуемое образованием насыщенного медно-цинкового сплава. Образование такого слоя является следствием коллективного перемещения атомов по бездиффузион ному механизму. Известно, что такое взаимодействие протекает чрезвычайно быстро и при незначительных энергиях активации в кинетическом режиме, подобном химической реакции. Второй стадией процесса формирования является диффузионное перераспределение атомов в твердой и жидкой фазах, а после кристаллизации расплава — в твердой.
Для некоторых взаимодействующих составляющих ЛKM установлено диспергирование частиц материала с поверхности армирующих элементов расплавом матрицы, миграция этих частиц в глубь жидкой фазы и миграция расплава в глубь твердой. Диспергирование твердой фазы в жидкой с образованием частиц различной величины от коллоидных до крупных (порядка 1—1,5 мм) наблюдалось в условиях сравнительно высоких температур и ограниченного количества жидкой фазы для систем с исчезающей малой взаимной растворимостью.
В работе показано, что диспергирование твердой фазы проявляется только в ограниченном температурном интервале. Кинетика этого процесса может быть описана следующим уравнением
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

где V0 — первоначальный единичный объем жидкого металла; ρ1 — плотность первоначального единичного объема жидкого металла; C12 — концентрация в диффузионной зоне; π/6 — объем дисперсных частиц; 1 — π/6 — объем свободного расплава после диспергирования; τ — продолжительность процесса; h2, h3 — начальная и конечная координаты зоны сплавления.
Установлено, что интенсивность процесса диспергирования усиливается при наличии напряженного поверхностного слоя твердой фазы с большим количеством структурных дефектов и при увеличении времени контакта с расплавом выше некоторого порогового значения, индивидуального для различных взаимодействующих пар.
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

Процесс диспергирования элементов армирующей фазы наблюдается не только в ограниченном объеме жидкости. Для некоторых систем арматура — расплав он предшествует стадии растворения и протекает в узком интервале температур. На рис. 18 приведена структура ЛКМ, в котором элементы армирующей фазы (гранулы стали ШХ15) подвергались диспергированию в расплаве матрицы сплава типа «Колманой» при исходном соотношении 40 % по объему армирующих элементов, 60 % по объему матрицы. В интервале температур пропитки при увеличении времени контакта армирующих элементов и расплава исходная матричная структура ЛКМ может смениться структурой псевдосплава в результате диспергирования.
Частичное или полное диспергирование армирующих элементов в матрице приводит к изменению свойств композита, в частности, к увеличению жаропрочности матрицы и всего материала в целом. В некоторых случаях длительная прочность матрицы с диспергированными в ней частицами армирующих элементов в интервале температур 350—700 °C находится на уровне прочности материала арматуры.
В связи с изложенным возникает необходимость выбора методики оценки кинетики процессов взаимодействия твердой и жидкой фаз, обеспечивающей получение надежных данных и прогнозирования свойств ЛКМ.
При статическом описании процесса время взаимодействия пропорционально величине exp (—Q/RT), тогда уравнение, описывающее пребывание системы в данном состоянии или инкубационный период, примет вид уравнения Аррениуса
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

где τ0 — константа времени, принимающая значение τ при 1/T = 0.
При совместном решении системы уравнений относительно τ можно определить энергию активации процесса.
В простейшем случае для двух температур T1 и T2
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

Аналогично для описания кинетики может быть использована скорость реакции. В частности, скорость взаимодействия на поверхности в единицу времени
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

где Δm — изменение массы (концентрации); А — атомная масса материала твердого элемента; S — его поверхность; Δτ — интервал времени определения.
В работе и других скорость изменения растекания оценивается по изменению контактного угла смачивания. Однако непосредственное измерение угла смачивания не всегда возможно. Предложен комплексный критерий смачиваемости и растекаемости, представляющий собой произведение покрытий жидкой фазой площади твердой на косинус краевого угла, и разработана полиноминальная модель, описывающая площадь растекания.
В общем виде безразмерный критерий
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

где Sp — текущее значение площади растекания; Sамкс — максимальное значение площади растекания.
Связь площади растекания с краевым углом смачивания устанавливается из выражения
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

Выше уже указывалось, что формирование ЛКМ может проходить в переходном режиме, каждой стадии которого соответствует своя энергия активации, температурная зависимость скорости, а также зависимость от других технологических параметров. Поэтому целесообразно проводить измерение при нескольких переменных режимах, а затем строить кинетические кривые в координатах переменный фактор — логарифм скорости. Это позволяет зафиксировать изменение энергии активации и переход от одной стадии к другой, а также оценить вклад каждого из факторов в установленный механизм формирования ЛKM.
Спрямление кинетических кривых удобней всего проводить логарифмированием
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

Однако возможны отклонения от указанных правил.
При исследовании взаимодействия медно-цинко-индиевых сплавов и сплавов типа «Колманой» с рэлитом, твердым сплавом и стальной Дробью было установлено, что в результате изменения концентрации тугоплавкой составляющей (α-твердого раствора) на поверхности твердой фазы принятые кинетические уравнения неадекватно описывают процесс взаимодействия и уравнение
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

неприемлемо.
Более удовлетворительно кинетика процесса формирования этого композиционного материала описывалась уравнением
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

где τ0 — время взаимодействия, в течение которого перераспределяется 1/3 α-твердого раствора исходного двухфазного сплава.
Таким образом, кинетические особенности взаимодействия твердой и жидкой фаз определяются не только условиями массопереноса всей жидкой фазы, но перераспределением отдельных ее компонентов и характером их реакций с твердой фазой.
В настоящее время получение точного аналитического решения задачи нестационарной диффузии на движущихся межфазных границах вызывает непреодолимые математические трудности. Поэтому для исследования кинетики массообмена нашли применение различные приближенные аналитические решения математических моделей. Одним из удачных подходов к решению задачи нестационарной диффузии является аппроксимация концентрационных профилей в твердой и жидкой фазах в виде полиноминальных зависимостей.
Представляют интерес результаты исследований, в которых на основании учета механизма миграционного перемещения частиц у периметра смачивания и вязких или инерционных сил сопротивления процесс смачивания и пропитки рассматривается как единое целое. Полученные уравнения скорости и глубины пропитки
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

связывают объем, массу и форму движущейся жидкости с поверхностным натяжением, вязкостью при растекании расплава по плоской поверхности и в капиллярах пористого тела, которое представлено в виде различной укладки сферических частиц с учетом их смещений. В рамках этой модели пористого тела авторы определили значения изменения капилляров радиусом от максимального r1 до минимального r0 при радиусе нульмерных частиц (а) и связали их с величиной пористости, которая определяется экспериментально (табл. 3).
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

Приведенные уравнения, с учетом данных табл. 3, не содержат неопределенных констант и показывают, что течению жидкой фазы препятствуют вязкие и инерционные силы, зависящие от объема, массы и формы движущейся жидкости, чем определяется различный вид гидродинамического сопротивления движению при растекании по плоской поверхности и в капилляре, что не учитывается в анализе результатов работ. Величина установившегося краевого угла смачивания на трехфазной границе влияет на скорость процесса смачивания на периметре, когда жидкая фаза перемещается за счет миграции вещества в глубь фаз и с ростом коэффициента поверхностной диффузии скорость процесса увеличивается.
Эти данные хорошо согласуются с результатами работы, в которой показано, что при растекании расплавов по подложкам из стали и при слиянии капель расплавов чугунов скорость взаимодействия сдерживается инерционными силами, что видно из замедленного вовлечения в движение массы расплава, удаленной от места контакта, а ускорение слияния капель расплава наблюдается при подплавлении подложки.
Напомним основные стадии формирования ЛКМ: заливка, смачивание и растекание матрицы, сопровождающееся возникновением физического контакта между твердой и жидкой фазами, контактное плавление, растворение, химическое и диффузионное взаимодействие с образованием твердых растворов или соединений, кристаллизация и охлаждение матрицы. В результате взаимодействия исходных компонентов литого композиционного материала на различных стадиях его формирования образуются механическое, адгезионное растворно-диффузионное, контактнореакционное или диспергированное соединения армирующих элементов (каркаса) и матрицы ЛКМ. Каждый из перечисленных видов соединений обладает как положительными, так и отрицательными свойствами. Подробно структура и свойства ЛКМ с различными видами связи будут рассмотрены далее. Здесь же следует отметить основные особенности каждого из соединений. Для идеального композиционного материала, в котором максимально реализуются механические свойства армирующих элементов, желательно отсутствие или минимальное химическое взаимодействие компонентов. Казалось бы, прежде всего по такому параметру подходят ЛКМ с механической связью, когда какое-либо взаимодействие исключено. Ho этот тип связи наименее прочен. Даже при большом давлении усадки между армирующими элементами матрицей остается относительно широкая граница раздела и может образоваться зазор. Наличие таких несовершенств в структуре (концентраторов напряжений) приводит к низкой сопротивляемости ЛКМ динамическим нагрузкам. Вместе с тем механические связи, которые развиваются при усадке металла матрицы, способствуют течению других контактных процессов.
Адгезионное соединение, характеризующееся слабым химическим взаимодействием компонентов ЛКМ, позволяет получать термодинамически или кинетически стабильные системы. Сила связи компонентов будет определяться работой адгезии к поверхности твердых элементов и связана с равновесной степенью превращения вещества и температурой системы. В некоторых случаях при снижении температуры прочность адгезионных связей ослабевает. Она может понизиться при повышении температуры, когда частота термических колебаний атомов превысит пороговое значение. Существенным условием в сохранении адгезионных связей являются условия при переходе матрицы в твердое состояние. Без сближения поверхностей армирующих элементов и матрицы в ходе затвердевания и охлаждения отливки KM сохранение адгезионной связи становится невозможным. Закреплению этого типа при охлаждении отливки способствует ее импульсная энергетическая обработка (лазерное, ультразвуковое или электромагнитное облучение). При формировании ЛКМ со специальными свойствами образование адгезионного соединения армирующих элементов и матрицы может стать недостатком, так как приведет к скачкообразному изменению свойств при переходе границы фаз.
Диспергированное соединение элементов структуры литого композита, как уже отмечалось, повышает теплостойкость и жаропрочность матрицы до уровня армирующих элементов, но одновременно понижает ее пластические характеристики в макрообъеме и увеличивает твердость, что не всегда желательно. Получение ограниченной диспергированной зоны в сочетании с адгезионным соединением позволяет реализовать высокие прочностные и триботехнические свойства ЛКМ. Одновременно такие композиты хорошо сопротивляются динамическим нагрузкам, поскольку развитые плотные межфазные границы являются ловушками при распространении трещин.
Наиболее распространенный вид соединений для ЛКМ на основе металлических армирующих элементов с металлическими матрицами это растворно-диффузионные и контактно-реакционные. При формировании этих соединений необходим строгий контроль, обеспечивающий заданную толщину диффузионной зоны или образовавшейся прослойки.
Необходимо иметь в виду, что появление диффузионной зоны твердого раствора компонентов армирующих элементов и матрицы, хрупкой прослойки химического соединения или интерметаллида в ЛКМ становится опасным только после достижения ими некоторой величины, превышающей критическую. В ряде случаев образование растворно-диффузионного или контактно-реакционного соединения — это единственный способ формирования литого композита. Выше описывался вариант получения ЛКМ при контактном плавлении и последующем диффузионном перераспределении компонентов в системе гранулы меди—алюминий. Низкие механические свойства композита при заливке алюминия на медь, связанные с образованием интерметаллида CuAl2, существенно улучшаются при образовании переходной зоны сплава типа латуни. Прочные и пластичные соединения армирующих элементов рэлита с матрицей на основе железоуглеродистых сплавов были также получены путем применения расплавляющегося промежуточного сплава (меди, мельхиора, бронз), наносимого на арматуру.
В ходе изготовления (литье и термическая обработка) деталей узлов трения из ЛКМ на основе литых гранул стали ШХ15 с матрицей из бронзы КЗМц1 установлено образование массивной прослойки интерметаллида (рис. 19). При таких толщинах этот интерметаллид должен разрушаться уже при минимальных динамических нагрузках. Однако в действительности этого не происходит. Более того, с появлением данного интерметаллида можно связывать высокую износостойкость этого ЛКМ в различных условиях по сравнию с другими материалами подобного типа.
Межфазное взаимодействие и соединение компонентов

Изменение микротвердости, модуля Юнга и коэффициента Пуассона, выполненное по методике, показало, что по величине микротвердости интерметаллид близок к микротвердости армирующих гранул (рис. 19), но по величине E значительно отличается от других составляющих ЛКМ. Модуль нормальной упругости бронзы ЕКЗМц1 в поверхностном слое композита равен 119000 МПа, модуль нормальной упругости стальных гранул ЕШХ15 равен 211600 МПа, а интерметаллида Ei — 360500 МПа. Таким образом, формируется структура материала, в которой соблюдено правило Шарпи. Причем более прочная прослойка интерметаллида хорошо противостоит абразивному и коррозионно-абразивному изнашиванию и обеспечивает экранирующую защиту армирующего элемента и матрицы. Наличие отражающего слоя интерметаллида препятствует срезу матрицы с пограничных слоев, а также истиранию армирующего элемента. В свою очередь, уменьшение съема металла с рабочей поверхности препятствует оголению интерметаллидной прослойки, чем и достигается высокая износостойкость данного ЛКМ. Разрушение интерметаллидной прослойки, как нам представляется, не происходит в силу следующих причин. Данная прослойка плотно связана как с армирующим элементом, так и с матрицей, ее ТКЛР значительно меньше, чем ТКЛР литых гранул. В процессе охлаждения ТКЛР литых гранул много меньше ТКЛР матрицы. При затвердевании и усадке матрицы, а также последующем изменении линейных размеров армирующих элементов и матрицы интерметаллидная прослойка испытывает всестороннее сжатие. Известно, что предел прочности при сжатии хрупких материалов намного превышает их предел прочности при растяжении и в сложных конструкциях, к которым относится ЛКМ, наиболее предпочтительным для хрупких прослоек является развитие напряжения сжатия. Поэтому в рассматриваемом случае реализуются высокие прочностные свойства интерметаллидной прослойки как структурной составляющей композита и устраняется возможность ее хрупкого разрушения, поскольку в процессе эксплуатации сжимающие напряжения со стороны матрицы и армирующих элементов полностью компенсируют растягивающие напряжения. Этому также способствует узкая граница раздела, образующаяся в результате химического взаимодействия.
При увеличении числа исходных компонентов более двух для армирующей фазы и матрицы определение их взаимодействия расчетными методами является сложной задачей, которая в настоящее время до конца не решена. Возможны два подхода к ее решению. Первый — расчет потенциалов системы ЛKM на основе кванто-механических представлений о строении компонентов и возможном поведении атомов, в частности метод псевдопотенциала для расчета термодинамических свойств. Второй — основанный на представлениях классической термодинамики. Метод псевдопотенциала обеспечивает высокую точность определения, но связан со сложностями учета взаимодействия электронов, от которого зависит точность, и громоздкими расчетами. Классический термодинамический подход в определении взаимодействия компонентов, хотя и связан с необходимостью привлечения упрощенных моделей, а также обладает более низкой точностью, тем не менее позволяет рассчитать оценочные критерии возможного направления взаимодействия, определить основную систему компонентов и влияние на ее реакционную способность отдельных легирующих.
В работе подробно рассмотрен метод термодинамического расчета коэффициентов влияния легирующей добавки Knл и параметров взаимодействия Ωlj на основе парциальных теплот растворения бинарных систем, которые могут быть получены из анализа диаграмм состояния. Сложность применения этого метода заключается в том, что не все известные диаграммы состояния позволяют получить исходные данные для расчета. Для бинарных систем могут быть рекомендованы работы.
В заключение необходимо отметить, что выбор исходных компонентов и режимов формирования ЛКМ, при которых формируются различные виды связи между структурными элементами, должен определяться требованиями эксплуатационной надежности изделий и учитывать возможные изменения в соединениях. Поэтому кроме специальных случаев диспергирующего или диффузионного взаимодействия время разогрева армирующих элементов до заданной температуры, а также время контакта с расплавом матрицы (при прочих равных условиях) должно быть минимальным. Скорость охлаждения композиционной отливки ниже температур интенсивного диффузионного взаимодействия должна обеспечивать релаксацию напряжений, вызванных различиями в ТКЛР структурных составляющих. При этом градиенты температур по сечению и высоте отливки должны быть минимальны. Необходимо учесть, что скоростью охлаждения ЛКМ в твердом состоянии регламентируется его окончательная структура, величина и знак внутренних напряжений, газонасыщенность и степень окисления.