cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2023-2-38-48cvmet-1479Research ArticleМеталловедение и термическая обработкаPhysical Metallurgy and Heat TreatmentСтруктура и механизм разрушения алюмоматричных композитов, полученных методом внутреннего окисления, при растяженииStructure and tensile fracture mechanism of aluminum matrix composites produced by internal oxidationhttps://orcid.org/0000-0001-5545-4163МыльниковВ. В.MylnikovV. V.

Владимир Викторович Мыльников – кандидат технических наук, доцент кафедры технологии строительства; ведущий научный сотрудник Управления научных исследований, инноваций и проектных работ; зав. лабораторией «Прочность и пластичность функциональных материалов», ННГАСУ.

603950, Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65

Vladimir V. Mylnikov – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Construction Technologies; Leading Researcher of the Department of Scientific Research, Innovation and Project Work; Head of the Laboratory of Strength and Plasticity of Functional Materials, NNGASU.

65 Ilyinskaya Str., Nizhny Novgorod 603950, Russia

mrmylnikov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3793-6043ЧернышовЕ. А.ChernyshovE. A.

Евгений Александрович Чернышов – доктор технических наук, проф., ведущий научный сотрудник Управления научных исследований, инноваций и проектных работ, ННГАСУ.

603950, Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65

Evgenii A. Chernyshov – Dr. Sci. (Eng.), Professor, Leading Researcher of the Department of Scientific Research, Innovation and Project Work, NNGASU.

65 Ilyinskaya Str., Nizhny Novgorod 603950, Russia

frfltvbrhft@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7504-6693РомановА. Д.RomanovA. D.

Алексей Дмитриевич Романов – аспирант, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева.

603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24

Aleksei D. Romanov – Postgraduate Student, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev.

24 Minina Str., Nizhny Novgorod 603950

t763@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6417-7591МыльниковаМ. В.MylnikovaM. V.

Марина Владимировна Мыльникова – младший научный сотрудник Управления научных исследований, инноваций и проектных работ, ННГАСУ.

603950, Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65

Marina V. Mylnikova – Junior Researcher of the Department of Scientific Research, Innovation and Project Work, NNGASU.

65 Ilyinskaya Str., Nizhny Novgorod 603950

mpolivceva@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5941-4919ЗахарычевЕ. А.ZakharychevE. A.

Евгений Александрович Захарычев – кандидат химических наук, зав. лабораторией полимерных материалов, НИИ химии, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского; младший научный сотрудник Управления научных исследований, инноваций и проектных работ, ННГАСУ.

603950, Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65; 603950, Нижний Новгород, ГСП-20, пр-т Гагарина, 23

Evgenii A. Zakharychev – Cand. Sci. (Chem.), Head of the Laboratory of Polymer Materials, Research Institute of Chemistry of N.I. Lobachevsky National Research University; Junior Researcher of the Department of Scientific Research, Innovation and Project Work, NNGASU.

65 Ilyinskaya Str., Nizhny Novgorod 603950; 23 Gagarin Prosp., Nizhny Novgorod, GSP-20 603950

zakharychev@list.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9037-4334РябовН. А.RyabovN. A.

Николай Алексеевич Рябов – студент, техник Управления научных исследований, инноваций и проектных работ, ННГАСУ.

603950, Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65

Nikolai A. Ryabov – Student, Technician of the Department of Scientific Research, Innovation and Project Works, NNGASU.

65 Ilyinskaya Str., Nizhny Novgorod 603950, Russia

nikolay.ryabov.04@mail.ruНижегородский государственный архитектурно-строительный университетРоссияNizhny Novgorod State University of Architecture and Civil EngineeringRussian FederationНижегородский государственный технический университет им. Р.Е. АлексееваРоссияNizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. AlekseevRussian FederationНижегородский государственный архитектурно-строительный университет; Нижегородский государственный университет им. Н.И. ЛобачевскогоРоссияNizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering; Institute of Chemistry of N.I. Lobachevsky National Research UniversityRussian Federation2023250420232923848Copyright © Мыльников В.В., Чернышов Е.А., Романов А.Д., Мыльникова М.В., Захарычев Е.А., Рябов Н.А., 20232023Мыльников В.В., Чернышов Е.А., Романов А.Д., Мыльникова М.В., Захарычев Е.А., Рябов Н.А.Mylnikov V.V., Chernyshov E.A., Romanov A.D., Mylnikova M.V., Zakharychev E.A., Ryabov N.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1479

Представлены результаты исследований сопротивления разрушению при статическом растяжении литых алюмоматричных композитов на основе алюминия с различным содержанием упрочняющей фазы Al2O3. Литые алюмоматричные композиционные материалы были изготовлены по технологии, которая основана на процессе выгорания расплава алюминия при взаимодействии с кислородом. Для проведения исследований на статическую прочность были отлиты две партии слитков с различным содержанием твердой фазы. Средний размер частиц упрочняющей фазы, преимущественно призматической морфологии, составлял 60–80 мкм, а их количество изменяли от 15 до 25 %. Поверхности разрушения, полученные при статическом одноосном растяжении исследованных образцов материала, изучались на образцах, разрушившихся при максимальном значении напряжения. Исследования поверхности разрушения проводились с помощью оптического микроскопа с расширенными возможностями за счет усовершенствованной длиннофокусной оптической системы и цифровой обработки изображения с применением оригинальной методики изучения 3D-структур. Для углубленного анализа характерных областей излома использовался растровый электронный микроскоп с энерго- и волнодисперсионным элементным анализаторами. В ходе проведенных исследований было установлено, что у образцов с меньшим содержанием дисперсной фазы излом носит смешанный неоднородный по макрогеометрии характер, который можно интерпретировать как сухой волокнистый излом с видимыми кристаллической сыпью и вырывами. С увеличением количества твердой фазы наблюдается смешанный, достаточно однородный по макрогеометрии характер излома с веерообразно-волокнистым строением, в котором также зафиксированы кристаллическая сыпь, отличающаяся распределением по площади излома, и вырывы других геометрических размеров. Выявлены и описаны особенности изменения рельефа поверхности разрушения и механизмы разрушения полученных композитов.

This article presents experimental results of resistance against fracture upon static tension of cast aluminum matrix composites based on aluminum with various content of Al2O3 strengthening phase. The cast aluminum matrix composite materials were produced by the technology based on burnout of aluminum melt upon interaction with oxygen. Two batches of ingots with various content of solid phase were smelted for tests of static strength. The average particle size of strengthening phase of predominantly prismatic morphology was 60–80 μm, and their content varied from 15 to 25 %. The fracture surfaces obtained upon static uniaxial tension of the considered samples were studied on the samples destroyed at maximum stress. The fracture surfaces were analyzed using an optical microscope with expanded options due to improved long-focus system and digital processing of images based on unique procedure of 3D structure analysis. For indepth analysis of characteristic fracture region a scanning electron microscope was used equipped with energy and wavelength dispersive elemental analyzers. It was established in the studies that in the samples with lower content of dispersed phase, the fracture is characterized by mixed heterogeneous in terms of macrogeometry pattern. This can be interpreted as dry fibrous fracture with visible crystalline pimples and breakaways. With an increase in the solid phase, a mixed, sufficiently homogenous in terms of macrogeometry, fracture pattern of fanlike fibrous structure can be observed. Crystalline pimples were also detected of a different fracture surface area, as well as breakaways of other geometrical sizes. The features of changes in the relief of fracture surface and the fracture mechanisms of the obtained composites have been detected and described.

литой алюмоматричный дисперсно-упроченный композиционный материал (ДУКМ)корундрастяжениетранскристаллитное разрушениеинтеркристаллитное разрушениемакроструктурамикроструктурадеформацияcast aluminum matrix dispersion strengthened composite material (DSCM)corundumtensiontranscrystalline fractureintercrystallite fracturemacrostructuremicrostructuredeformationИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-13-20009. https://rscf.ru/project/22-13-20009/This work was supported by the Russian Science Foundation, grant No. № 22-13-20009, https://rscf.ru/project/22-13-20009/ReferencesKablov E.N., Ospennikova O.G., Lomberg B.S. Strategic trends of development of structural materials and technologies of their processing for modern and future aircraft engines. The Paton Welding Journal. 2013;(11):23—32.Kablov E.N., Ospennikova O.G., Lomberg B.S. Strategic trends of development of structural materials and technologies of their processing for modern and future aircraft engines. The Paton Welding Journal. 2013;(11):23—32.Liu Y. B., Lim S. C., Lu L., Lai M.O. Recent development in the fabrication of metal matrix-particulate composites using powder metallurgy techniques. Journal of Materials Science. 1994;29:1999—2007.Liu Y. B., Lim S. C., Lu L., Lai M.O. Recent development in the fabrication of metal matrix-particulate composites using powder metallurgy techniques. Journal of Materials Science. 1994;29:1999—2007.Горбунов П.З., Галь В.В. Перспективные дисперсно-упрочненные композиционные материалы. Производственно-технический опыт. 1993;(1-2):81—84.Gorbunov P.Z., Gal V.V. Promising dispersed-hardened composite materials. Proizvodstvenno-tehnicheskij opyt. 1993;1—2:81—84. (In Russ.).Rohatgi P. Cast aluminum matrix composites for automotive applications. JOM. 1991;43(4):10—16.Rohatgi P. Cast aluminum matrix composites for automotive applications. JOM. 1991;43(4):10—16.Kurganova Y.A., Chernyshova T.A., Kobeleva L.I., Kurganov S.V. Service properties of aluminum-matrix precipitation-hardenet composite materials and the prospects of their use on the modern structural material market. Russian metallurgy (Metally). 2011;(7):663—666.Kurganova Y.A., Chernyshova T.A., Kobeleva L.I., Kurganov S.V. Service properties of aluminum-matrix precipitation-hardenet composite materials and the prospects of their use on the modern structural material market. Russian metallurgy (Metally). 2011;(7):663—666.Belov N.A., Belov V.D., Alabin A.N., Mishurov S.S. New generation of economically alloyed aluminum alloys. Metallurgist. 2010;54(5-6):311—316.Belov N.A., Belov V.D., Alabin A.N., Mishurov S.S. New generation of economically alloyed aluminum alloys. Metallurgist. 2010;54(5-6):311—316.Луц А.Р., Галочкина И.А. Алюминиевые композиционные сплавы — сплавы будущего. Самара.: СамГТУ, 2013.Луц А.Р., Галочкина И.А. Алюминиевые композиционные сплавы — сплавы будущего. Самара.: СамГТУ, 2013.Курганова Ю.А. Перспективы развития металломатричных композиционных материалов промышленного назначения. Сервис в России и за рубежом. 2012;3(30):235—240.Kurganova Yu.A. Prospects for the development of metal matrix composite materials for industrial purposes. Servis v Rossii i za rubezhom. 2012;3(30):235—240. (In Russ.).Goswami R.K., Dhar Ajay, Srivastava A.K., Gurta Anil K. Effect of deformation and ceramic reinforcement on work hardening behavior of hot extruded 2124 Al—SiC metal matrix composites. Journal of Composite Materials. 1999;33(13):1160—1172.Goswami R.K., Dhar Ajay, Srivastava A.K., Gurta Anil K. Effect of deformation and ceramic reinforcement on work hardening behavior of hot extruded 2124 Al—SiC metal matrix composites. Journal of Composite Materials. 1999;33(13):1160—1172.NADCA Product SpecificationStandards for Die Casting: Aluminum, Aluminum-MMC, Copper, Magnesium, Zinc and ZA Alloys. 7-th ed. Wheeling, Illinois, 2009.NADCA Product SpecificationStandards for Die Casting: Aluminum, Aluminum-MMC, Copper, Magnesium, Zinc and ZA Alloys. 7-th ed. Wheeling, Illinois, 2009.Moyal J.S., Lopez-Esteban S., Pecharroma’n C. The challenge of ceramic/metal microcomposites and nanocomposites. Progress in Material Science. 2007;52:1017—1090.Moyal J.S., Lopez-Esteban S., Pecharroma’n C. The challenge of ceramic/metal microcomposites and nanocomposites. Progress in Material Science. 2007;52:1017—1090.Кандалова Е.Г., Луц А.Р., Макаренко А.Г., Орлов А.В. Технология получения композита Al—TiC из порошковых экзотермических смесей непосредственно в расплаве алюминия. Заготовительные производства в машиностроении. 2005;(11):47—51.Kandalova E.G., Luts A.R., Makarenko A.G., Orlov A.V. Technology for the production of Al—TiC composite from powder exothermic mixtures directly in the aluminum melt. Zagotovitel’nye proizvodstva v mashinostroenii. 2005;(11):47—51. (In Russ.).Кем А.Ю. Технологические основы производства порошковых и композиционных наноструктурных материалов и изделий. Ростов-на-Дону: Изд. центр ДонГТУ, 2008.Кем А.Ю. Технологические основы производства порошковых и композиционных наноструктурных материалов и изделий. Ростов-на-Дону: Изд. центр ДонГТУ, 2008.Минаев А.М., Пручкин В.А. О внутреннем окислении высокочистого алюминия. Вопросы современной науки и практики. 2011;(6):48—53.Minaev A.M., Pruchkin V.A. On the internal oxidation of high-purity aluminum. Voprosy sovremennoj nauki i praktiki. 2011;(6):48—53. (In Russ.).Mitra R., Mahagan Y.R. Interfaces in discontinuously reinforced metal matrix composites: An overview. Bulletin of Materials Science. 1995;18(4):405—434.Mitra R., Mahagan Y.R. Interfaces in discontinuously reinforced metal matrix composites: An overview. Bulletin of Materials Science. 1995;18(4):405—434.Афанасьев В.К., Герцен В.В., Долгова С.В., Мусохранов Ю.М. О влиянии водяного пара на формирование свойств высококремнистых Al-сплавов. Металлургия машиностроения. 2015;(5):17—22.Afanas’ev V.K., Gertsen V.V., Dolgova S.V., Musohranov Ju.M. On the effect of water vapor on the formation of properties of high-silicon Al alloys. Metallurgija mashinostroenija. 2015;(5):17—22. (In Russ.).Muolo M.L., Passerone V.A., Passerone D. Oxygen influence on ceramics wettability by liquid metals Ag/α-Al2O3-experiments and modelling. Materials Science and Engineering: A. 2008;3(495):153—158.Muolo M.L., Passerone V.A., Passerone D. Oxygen influence on ceramics wettability by liquid metals Ag/α-Al2O3-experiments and modelling. Materials Science and Engineering: A. 2008;3(495):153—158.Орлов А.В., Луц А.Р., Кандалова Е.Г., Макаренко А.Г. Технология получения композита Аl—ТiС из порошковых экзотермических смесей непосредственно в расплаве алюминия. Заготовительные производства в машиностроении. 2005;(11):54—61.Orlov A.V., Luts A.R., Kandalova E.G., Makarenko A.G. Technology for producing the Al—TiC composite from powder exothermic mixtures directly in the aluminum melt. Zagotovitel’nye proizvodstva v mashinostroenii. 2005;(11):54—61. (In Russ.).Barathet V., Auradi V. Fractographic characterization of Al2O3 particulates reinforced Al2014 alloy composites subjected to tensile loading. Frattura ed Integrità Strutturale. 2021;57:14—23. https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.57.02Barathet V., Auradi V. Fractographic characterization of Al2O3 particulates reinforced Al2014 alloy composites subjected to tensile loading. Frattura ed Integrità Strutturale. 2021;57:14—23. https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.57.02Olmos L., Martin Christophe L., Bouvard D. Sintering of mixtures of powders: Experiments and modelling. Powder Technology. 2009;190:134—140.Olmos L., Martin Christophe L., Bouvard D. Sintering of mixtures of powders: Experiments and modelling. Powder Technology. 2009;190:134—140.Agureev L.E., Kostikov V.I., Rizakhanov R.N., Eremeeva Zh.V., Barmin A.A., Savushkina S.V., Ashmarin A.A., Ivanov B.S., Rudshtein R.I. Aluminum powder composites reinforced by oxide nanoparticles used as microadditives. International Journal of Nanomechanics Science and Technology. 2014;5(3):201—211.Agureev L.E., Kostikov V.I., Rizakhanov R.N., Eremeeva Zh.V., Barmin A.A., Savushkina S.V., Ashmarin A.A., Ivanov B.S., Rudshtein R.I. Aluminum powder composites reinforced by oxide nanoparticles used as microadditives. International Journal of Nanomechanics Science and Technology. 2014;5(3):201—211.Chernyshov E.A., Romanova E.A., Romanov A.D., Romanov I.D., Mylnikov V.V. Elaboration of aluminium based metalmatrix composite manufacturing. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019:012046.Chernyshov E.A., Romanova E.A., Romanov A.D., Romanov I.D., Mylnikov V.V. Elaboration of aluminium based metalmatrix composite manufacturing. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019:012046.Чернышов Е.А., Романов А.Д., Романова Е.А., Мыльников В.В. Разработка технологии получения алюмоматричного литого композиционного материала с помощью синтеза упрочняющей фазы оксида алюминия в расплаве алюминия. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2017;(4):29—36. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2017-4-29-36Chernyshov E.A., Romanov A.D., Romanova E.A., Myl’nikov V.V. Development of technology for obtaining aluminum matrix cast composite material by synthesis of the hardening phase of aluminum oxide in aluminum melt. Izvestija vuzov. Poroshkovaja metallurgija i funkcional’nye pokrytija. 2017;(4):29—36. (In Russ.).Чернышов Е.А., Лончаков С.З., Романов А.Д., Мыльников В.В., Романова Е.А. Исследование микроструктуры алюмоматричного дисперсно-наполненного литого композиционного материала, полученного методом внутреннего окисления. Перспективные материалы. 2016;(9):78—83.Chernyshov E.A., Lonchakov S.Z., Romanov A.D., Myl’nikov V.V., Romanova E.A. Investigation of the microstructure of an alumomatric dispersed-filled cast composite material obtained by internal oxidation. Perspektivnye materialy. 2016;(9):78—83. (In Russ.).Khedera A.R.I., Marahleh G.S., Al-Jamea D.M.K. Strengthening of Aluminum by SiC, Al2O3 and MgO. Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering. 2011;5(6):533—541.Khedera A.R.I., Marahleh G.S., Al-Jamea D.M.K. Strengthening of Aluminum by SiC, Al2O3 and MgO. Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering. 2011;5(6):533—541.Мыльников В.В., Романов А.Д., Чернышов Е.А. Исследования влияния количества упрочняющей фазы дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе алюминия на закономерности процесса разрушения. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2018;(3):55—63.Myl’nikov V.V., Romanov A.D., Chernyshov E.A. Studies of the influence of the amount of the hardening phase of a dispersed-hardened composite material based on aluminum on the regularities of the destruction process. Izvestija vuzov. Poroshkovaja metallurgija i funkcional’nye pokrytija. 2018;(3):55—63. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.