Изучение механизма разрушения алюмоматричного дисперсно-упрочненного композиционного материала Al–Al4C3–Al2O3 со слоистой структурой при статическом и ударном нагружениях

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 (σ_изг = 430÷500 МПа, К_1с = 14,0÷15,5 МПа·м^1/2). 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.

1. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г., Рыжов Н.М., Силаева В.И. Материаловедение. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.

2. Иванов Д.А., Ситников А.И., Шляпин С.Д. Композиционные материалы. М.: Юрайт, 2019.

3. 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.).

4. Surappa M.K. Aluminum matrix composites: Challenges and opportunities. Sadhana. 2003. Vol. 28. Pt. 1—2. P. 319—334.

5. 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.

6. Луц А.Р., Галочкина И.А. Алюминиевые композиционные сплавы — сплавы будущего. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2013.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Прусов Е.С., Панфилов А.А., Кечин В.А. Перспективы применения алюмоматричных композиционных сплавов в машиностроении. Литейщик России. 2012. No. 9. С. 16—19.

12. 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.

13. 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.

14. Кузмич Ю.В., Колесникова И.Г., Серба В.И., Фрейдин Б.М. Механическое легирование. Апатиты: Издво Кольского научного центра РАН, 2004.

15. 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.

16. 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.

17. Sundaresan R., Froes F.H. Mechanical alloying. J. Met. 1987. No. 8. P. 22—27.

18. Darrell R., Herling R., Carpenter J.A. Low-cost cast aluminum metal matrix composites. Automotive Lightweight. Mater. 2004. FY Progress Report. P. 62—67.

19. Гопиенко В.Г., Смагоринский М.Е., Григорьев А.А., Белавин А.Д. Спеченные материалы из алюминиевых порошков. М.: Металлургия, 1993.

20. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1979.

21. 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.

22. Энгель Л., Клингеле Г. Растровая электронная микроскопия. Разрушение. М.: Металлургия, 1986.