Структура и механизм разрушения алюмоматричных композитов, полученных методом внутреннего окисления, при растяжении

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.

1. 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.

2. 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.

3. Горбунов П.З., Галь В.В. Перспективные дисперсно-упрочненные композиционные материалы. Производственно-технический опыт. 1993;(1-2):81—84.

4. Rohatgi P. Cast aluminum matrix composites for automotive applications. JOM. 1991;43(4):10—16.

5. 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.

6. 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.

7. Луц А.Р., Галочкина И.А. Алюминиевые композиционные сплавы — сплавы будущего. Самара.: СамГТУ, 2013.

8. Курганова Ю.А. Перспективы развития металломатричных композиционных материалов промышленного назначения. Сервис в России и за рубежом. 2012;3(30):235—240.

9. 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.

10. NADCA Product SpecificationStandards for Die Casting: Aluminum, Aluminum-MMC, Copper, Magnesium, Zinc and ZA Alloys. 7-th ed. Wheeling, Illinois, 2009.

11. 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.

12. 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.

13. Кем А.Ю. Технологические основы производства порошковых и композиционных наноструктурных материалов и изделий. Ростов-на-Дону: Изд. центр ДонГТУ, 2008.

14. Минаев А.М., Пручкин В.А. О внутреннем окислении высокочистого алюминия. Вопросы современной науки и практики. 2011;(6):48—53.

15. Mitra R., Mahagan Y.R. Interfaces in discontinuously reinforced metal matrix composites: An overview. Bulletin of Materials Science. 1995;18(4):405—434.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.57.02

20. Olmos L., Martin Christophe L., Bouvard D. Sintering of mixtures of powders: Experiments and modelling. Powder Technology. 2009;190:134—140.

21. 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.

22. 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.

23. 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-2017-4-29-36

24. 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.

25. 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.

26. 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.