powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2020-4-66-75powder-577Research ArticleТугоплавкие, керамические и композиционные материалыRefractory, Ceramic, and Composite MaterialsИзучение механизма разрушения алюмоматричного дисперсно-упрочненного композиционного материала Al–Al4C3–Al2O3 со слоистой структурой при статическом и ударном нагруженияхMechanism of destruction of the Al–Al4C3–Al2O3 alumo-matrix dispersion-hardened composite material with a layered structure on static and shock loadingИвановД. А.IvanovD. A.

Доктор технических наук, доцент кафедры материаловедения и технологии обработки материалов

125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4

Dr. Sci. (Eng.), associate prof., Department of materials science

125993, Moscow, Volokolamskoe highway, 4

dali_888@mail.ruШляпинС. Д.ShlyapinS. D.

Доктор технических наук, профессор кафедры материаловедения и технологии обработки материалов

125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, 4

Dr. Sci. (Eng.), prof., Department of materials science

125993, Moscow, Volokolamskoe highway, 4

sshliapin@yandex.ruВальяноГ. Е.ValianoG. E.

Старший научный сотрудник

125412, г. Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2

Senior researcher

125412, Moscow, Izhorskaya str., 13, build 2

gev@ihed.ras.ruМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ)РоссияMoscow Aviation Institute (National Research University) (MAI)Russian FederationОбъединенный институт высоких температур (ОИВТ) РАНРоссияJoint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202014122020046675Copyright © НИТУ "МИСИС", 20202020НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/577

Алюмоматричные дисперсно-упрочненные композиционные материалы находят широкое применение в технике благодаря сочетанию высоких прочностных характеристик и малой плотности, что позволяет создавать легкие и устойчивые к разрушению элементы конструкций различного назначения. Они используются для изготовления абразивных, триботехнических изделий, деталей поршневой группы двигателей внутреннего сгорания, планера самолета и других специальных изделий. Цель работы состояла в изучении механизма разрушения слоистого дисперсно-упрочненного композита Al–Al2O3–Al4C3 в условиях статического нагружения и удара. Его получали жидкофазным спеканием в вакууме порошковых заготовок из ПАП-2. Жидкая фаза образовывалась вследствие возникновения эвтектического расплава Al–Al4C3. Формирование слоистой структуры обеспечивалось благодаря жидкофазному сращиванию чешуйчатых частиц ПАП-2 по контактирующим плоскостям. Дисперсионное упрочнение алюминиевой матрицы достигалось в результате выделения из эвтектического расплава при охлаждении наноразмерных пластинчатых алюмокарбидных кристаллов. Синтез алюмооксидных кристаллов – δ-Al2O3 – происходил вследствие взаимодействия алюминия с остаточными молекулами кислорода воздуха в процессе спекания при разрежении в печи – 10–5 мм рт. ст. Установлено, что при статическом нагружении наблюдается стабильное разрушение образцов по механизму «расслоения сдвигом» с возникновением полостей за счет вырыва слоистых блоков под действием сдвиговых напряжений (σизг = 430÷500 МПа, К1с = 14,0÷15,5 МПа·м1/2). При ударном нагружении в разрушение вовлекается значительный объем материала с образованием ступенек скола между слоистыми блоками и протяженных областей ямок вязкого излома. Благодаря этому механизму достигается высокий показатель KCU (1,1·105 Дж/м2), сопоставимый с титановым сплавом ВТ-5Л. Разработанный композит может использоваться для изготовления легких элементов конструкций, эксплуатируемых в условиях динамического нагружения.

Alumo-matrix dispersion-hardened composite materials are widely used in engineering due to the combination of high strength and low density, allowing the production of lightweight endurable structural elements for various purposes. They are used for manufacturing abrasive, triboengineering products, parts of the internal combustion engine cylinder-piston group, airframe and other special products. The paper is aimed to study the fracture mechanism of a layered dispersion-hardened Al–Al2O3–Al4C3 composite on static loading and impact. Specimens were obtained by liquid phase sintering of PAP-2 powder blanks in a vacuum. The liquid phase was formed due to Al–Al4C3 eutectic melt. The layered structure appeared due to the liquid-phase splicing of PAP-2 scaly particles along the contacting planes. Dispersion hardening of aluminum matrix was achieved due to nanosized lamellar alumocarbide crystals precipitated from the eutectic melt on cooling. The synthesis of alumina crystals – δ-Al2O3 – occurred due to the interaction of aluminum with residual oxygen molecules of the air on sintering at the furnace rarefaction of 10–5 mm Hg. The stable destruction of samples by the «shear stratification» mechanism was found to occur under static loading accompanied by the formation of cavities due to tearing of layered blocks under the action of shear stresses (σb = 430÷500 MPa, K1s = 14.0÷ ÷15.5 MPa·m1/2) At shock loading, a significant amount of material is involved in the fracture accompanied by the formation of cleavage steps between layered blocks and extended regions of ductile fracture dimples. Thanks to this mechanism, a high KCU (1.1·105 J/m2) is achieved comparable with that of the VT-5L titanium alloy. The developed composite can be used for manufacturing lightweight structural elements operated under dynamic loading.

алюмоматричный композиционный материалдисперсионное упрочнение частицами Al4C3слоистая структураалюминиевый порошок ПАП-2жидкофазное спеканиеэвтектикамеханизм разрушенияпрочностьтрещиностойкостьударная вязкостьфрактограмма поверхности разрушенияalumo-matrix composite materialdispersion hardening by Al4C3 particleslayered structurePAP-2 aluminum powderliquid phase sinteringeutecticfracture mechanismstrengthcrack resistanceimpact strengthfracture surface fractographyИсследования выполнены в рамках базовой части государственного задания вузам № 11.7568.2017/Б4 с использованием оборудования ресурсного центра коллективного пользования «Авиационно-космические материалы и технологии» МАИ. Микроскопический анализ выполнен в ОИВТ РАН по субсидии на выполнение государственного задания в соответствии с программой фундаментальных исследований РАН (тема ГР № АААА-А-16-116051810082-7)The studies were conducted as part of the basic part of Government University Task № 11.7568.2017/Б4 using the equipment provided by the MAI Aerospace Materials and Technology resource common use center. Microscopic analysis was conducted at the Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences with the subsidy for government task implementation in accordance with the RAS Fundamental Research Program (Topic State Registration № АААА-А-16-116051810082-7)ReferencesАрзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г., Рыжов Н.М., Силаева В.И. Материаловедение. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.Arzamasov B.N., Makarova V.I., Mukhin G.G., Ryzhov N.M., Silaeva V.I. Materials science. Moscow: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2001 (In Russ.).Иванов Д.А., Ситников А.И., Шляпин С.Д. Композиционные материалы. М.: Юрайт, 2019.Ivanov D.A., Sitnikov A.I., Shlyapin S.D. Composite materials. Moscow: Yurait, 2019 (In Russ.).Лясоцкая В.С. Термическая обработка сварных соединений титановых сплавов. М.: Экомет, 2003. Lyasotskaya V.S. Heat treatment of welding seams of titanium alloys. Moscow: Ekomet, 2003 (In Russ.).Lyasotskaya V.S. Heat treatment of welding seams of titanium alloys. Moscow: Ekomet, 2003 (In Russ.).Surappa M.K. Aluminum matrix composites: Challenges and opportunities. Sadhana. 2003. Vol. 28. Pt. 1—2. P. 319—334.Surappa M.K. Aluminum matrix composites: Challenges and opportunities. Sadhana. 2003. Vol. 28. Pt. 1—2. P. 319—334.Шарма П., Дарба В., Шарма С., Хандуя Д., Сайни К. Микроструктура и свойства гибридных композитов АА6082/(SiC + Графит). Новые огнеупоры. 2018. No. 9. С. 40—46.Sharma P., Darba V., Sharma S., Handuya D., Saini K. Microstructure and properties of hybrid composites AA6082 / (SiC + Graphite). Novye ogneupory. 2018. No. 9. P. 40— 46 (In Russ.).Луц А.Р., Галочкина И.А. Алюминиевые композиционные сплавы — сплавы будущего. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2013.Luts A.R., Galochkina I.A. Aluminum composite alloys — alloys of the future. Samara: Samar. gos. tekhn. univ. 2013 (In Russ.).Dinesh K., Geeta A., Rajesh P. Properties and characterization of Al—Al2O3 composites processed by casting and powder metallurgy routes (review). Int. J. Latest Trends Eng. Technol. 2013. Vol. 2. Iss. 4. P. 486—496.Dinesh K., Geeta A., Rajesh P. Properties and characterization of Al—Al2O3 composites processed by casting and powder metallurgy routes (review). Int. J. Latest Trends Eng. Technol. 2013. Vol. 2. Iss. 4. P. 486—496.Аксенов А.А., Солонин А.Н., Истомин-Кастровский В.В. Структура и свойства композиционных материалов на основе алюминия, получаемых методом механического легирования в воздушной атмосфере. Известия вузов. Цветная металлургия. 2004. No. 4. С. 58—66.Aksenov A.A., Solonin A.N., Istomin-Kastrovskii V.V. The structure and properties of aluminum-based composite materials obtained by mechanical alloying in air atmosphere. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya (Universities’ Proceedings. Non-Ferrous Metallurgy). 2004. No. 4. P. 58— 66 (In Russ.).Самошина М.Е., Аксенов А.А., Истомин-Кастровский В.В., Гостев Ю.В. Структура и свойства дисперсно-упрочненных механически легированных композиционных материалов из алюминиевого смешанного вторичного сырья. Известия вузов. Цветная металлургия. 2006. No. 1. С. 47—54.Samoshina M.E., Aksenov A.A., Istomin-Kastrovskii V.V., Gostev Yu.V. The structure and properties of dispersionhardened mechanically alloyed composite materials from aluminum mixed secondary raw materials. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya (Universities’ Proceedings. Non-Ferrous Metallurgy). 2006. No. 1. P. 47—54 (In Russ.).Woo K.D., Lee H.B. Fabrication of Al alloy matrix composite reinforced with subsive-sized Al2O3 particles by the in situ displacement reaction using high-energy ball-milled powder. Mater. Sci. Eng. 2007. Vol. A 449— 451. P. 829—832.Woo K.D., Lee H.B. Fabrication of Al alloy matrix composite reinforced with subsive-sized Al2O3 particles by the in situ displacement reaction using high-energy ball-milled powder. Mater. Sci. Eng. 2007. Vol. A 449— 451. P. 829—832.Прусов Е.С., Панфилов А.А., Кечин В.А. Перспективы применения алюмоматричных композиционных сплавов в машиностроении. Литейщик России. 2012. No. 9. С. 16—19.Prusov E.S., Panfilov A.A., Kechin V.A. Prospects for the use of alumo-matrix composite alloys in mechanical engineering. Liteishchik Rossii. 2012. No. 9. P. 16—19 (In Russ.).Hartaj S., Sarabjit N., Jit A., Tyagi A.K. An overview of metal matrix composite: processing and SiC based mechanical properties. J. Eng. Res. Studies. 2011. Vol. II. Iss. IV. P. 72—78.Hartaj S., Sarabjit N., Jit A., Tyagi A.K. An overview of metal matrix composite: processing and SiC based mechanical properties. J. Eng. Res. Studies. 2011. Vol. II. Iss. IV. P. 72—78.Mula S., Padhi P., Panigrahi S.C., Pabi S.K. On structure and mechanical properties of ultrasonically cast Al— 2%Al2O3 nanocomposite. Mater. Res. Bull. 2009. Vol. 44. P. 154—160.Mula S., Padhi P., Panigrahi S.C., Pabi S.K. On structure and mechanical properties of ultrasonically cast Al— 2%Al2O3 nanocomposite. Mater. Res. Bull. 2009. Vol. 44. P. 154—160.Кузмич Ю.В., Колесникова И.Г., Серба В.И., Фрейдин Б.М. Механическое легирование. Апатиты: Издво Кольского научного центра РАН, 2004.Kuzmich Yu.V., Kolesnikova I.G., Serba V.I., Freidin B.M. Mechanical alloying. Apatity: Kola Scientific Center RAS, 2004 (In Russ.).Чернышова Т.А., Кобелева Л.И., Болотова Л.К. Дискретно армированные композиционные материалы с матрицами из алюминиевых сплавов и их трибологические свойства. Металлы. 2001. No. 6. С. 85—98.Chernyshova T.A., Kobeleva L.I., Bolotova L.K. Discreetly reinforced composite materials with matrices of aluminum alloys and their frictional properties. Metally. 2001. No. 6. P. 85—98 (In Russ.).Durai T.G., Das K., Das S. Wear behavior of nano structured Al(Zn)/Al2O3 and Al(Zn)—4Cu/Al2O3 composite materials synthesized by mechanical and thermal process. Mater. Sci. Eng. 2007. Vol. A 471. P. 88—94.Durai T.G., Das K., Das S. Wear behavior of nano structured Al(Zn)/Al2O3 and Al(Zn)—4Cu/Al2O3 composite materials synthesized by mechanical and thermal process. Mater. Sci. Eng. 2007. Vol. A 471. P. 88—94Sundaresan R., Froes F.H. Mechanical alloying. J. Met. 1987. No. 8. P. 22—27.Sundaresan R., Froes F.H. Mechanical alloying. J. Met. 1987. No. 8. P. 22—27.Darrell R., Herling R., Carpenter J.A. Low-cost cast aluminum metal matrix composites. Automotive Lightweight. Mater. 2004. FY Progress Report. P. 62—67.Darrell R., Herling R., Carpenter J.A. Low-cost cast aluminum metal matrix composites. Automotive Lightweight. Mater. 2004. FY Progress Report. P. 62—67.Гопиенко В.Г., Смагоринский М.Е., Григорьев А.А., Белавин А.Д. Спеченные материалы из алюминиевых порошков. М.: Металлургия, 1993.Gopienko V.G., Smagorinskii M.E., Grigor’ev A.A., Belavin A.D. Sintered materials from aluminum powders. Moscow: Metallurgiya, 1993 (In Russ.).Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1979.Mondolfo L.F. Structure and properties of aluminum alloys. Moscow: Metallurgiya, 1979 (In Russ.).Иванов Д.А., Ситников А.И., Вальяно Г.Е., Бородина Т.И., Шляпин С.Д. Получение пористой керамики на основе Al2O3 в результате зонального уплотнения при спекании порошковых заготовок из высокодисперсных продуктов сгорания алюминиевого порошка. Новые огнеупоры. 2018. No. 9. С. 28—34.Ivanov D.A., Sitnikov A.I., Val’yano G.E., Borodina T.I., Shlyapin S.D. Preparation of porous ceramics based on Al2O3 as a result of zonal compaction during sintering of powder workpieces of very fine aluminum powder PAP-2 combustion products. Refract. Ind. Ceram. 2019. Vol. 59. No. 5. P. 459—465.Энгель Л., Клингеле Г. Растровая электронная микроскопия. Разрушение. М.: Металлургия, 1986.Engel L., Klingele G. Scanning electron microscopy. Destruction. Moscow: Metallurgiya, 1986 (In Russ).

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