zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2020-86-9-63-69zldm-1280Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSИсследование трещиностойкости и механизма разрушения сталь-алюминиевого композиционного материалаStudy of the crack resistance and fracture mechanism of steel-aluminum composite materialИвановД. А.IvanovD. A.

Дмитрий Алексеевич Иванов

125993, Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

Dmitry A. Ivanov

4, Volokolamskoe sh., Moscow, 125993

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

Сергей Дмитриевич Шляпин

125993, Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

Sergey D. Shlyapin

4, Volokolamskoe sh., Moscow, 125993

 

ВальяноГ. Е.ValianoG. E.

Георгий Евгеньевич Вальяно

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

Georgy E. Valiano

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

АккужинН. Д.AkkuzhinN. D.

Нургиз Даянович Аккужин

125993, Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

Nurgiz D. Akkuzhin

4, Volokolamskoe sh., Moscow, 125993

ФедороваЛ. В.FedorovaL. V.

Лариса Владимировна Федорова

125993, Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

Larisa V. Fedorova

4, Volokolamskoe sh., Moscow, 125993

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) МАИРоссияMoscow Aviation Institute (National Research University) MAIRussian FederationОбъединенный институт высоких температур, РАНРоссияJoint Institute for High Temperatures, Russian Academy of SciencesRussian Federation2020130920208696369Copyright © Иванов Д.А., Шляпин С.Д., Вальяно Г.Е., Аккужин Н.Д., Федорова Л.В., 20202020Иванов Д.А., Шляпин С.Д., Вальяно Г.Е., Аккужин Н.Д., Федорова Л.В.Ivanov D.A., Shlyapin S.D., Valiano G.E., Akkuzhin N.D., Fedorova L.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1280

Сталь-алюминиевые композиционные материалы широко применяют в технике благодаря высоким показателям характеристик весовой эффективности в сочетании со значительными механическими свойствами. Используют их, например, в авиакосмической отрасли для изготовления корпусных деталей ракет, топливных баков и элементов авиационной брони. Цель данной работы — изучение трещиностойкости и механизма разрушения композиционного материала алюминий-сталь (20 % об.) плотностью 2,85 г/см3. Композит получали, используя высокодисперсную алюминиевую пудру ПАП-2 для формирования его матричного компонента. Армирующий компонент изготавливали из стальных сеток, сплетенных из троса аустенитной стали (08Х17Н13М2). Прочность полученного материала при поперечном изгибе (550 – 600 МПа) рассчитывали по максимальной нагрузке, соответствующей первому скачку трещины, зародившейся в матрице. Его трещиностойкость на стадии инициирования разрушения, оцениваемая по параметру K1c, составляла от 15 до 30 МПа · м1/2. Для описания трещиностойкости исследуемого композита на стадии развития разрушения использовали такую характеристику, как удельная эффективная работа разрушения γF = 2 · 104 – 8 · 104 Дж/м2. Для данного композита γF на порядок выше, чем для стали Ст3, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ВТ-5, что является преимуществом разработанного материала. Значительные показатели параметра γF обусловлены высокоэнергоемким механизмом разрушения. Он обеспечивается повышенными затратами энергии на разрушение перемычек между матричными алюминиевыми слоями путем их среза тросом в результате действия сдвиговых напряжений, на преодоление сил трения при вытягивании троса из матрицы и на сдвиг слоистых пакетов внутри матрицы, образованных диффузионно-связанными алюминиевыми чешуйчатыми частицами. Свойства полученного сталь-алюминиевого композита позволяют использовать его в качестве материала для легких элементов конструкций, эксплуатируемых в условиях механического нагружения.

Steel-aluminum composite materials are widely used in technology due to perfect wedding of their weight efficiency and high mechanical properties. This is the reason for their wide application in the aerospace industry for manufacturing case-type parts of rockets, fuel tanks and elements of aviation armor. The goal of the study is analysis of the crack resistance and the mechanism of fracture of aluminum-steel composite material (20 vol.%) with a density of 2.85 g/cm3. The matrix component of the material was obtained using a finely dispersed aluminum powder PAP-2. The reinforcing component was made of steel meshes woven from austenitic steel cable (08Kh17N13M2). The transverse bending strength of the obtained material (550 – 600 MPa) was calculated from the maximum load corresponding to the first jump (onset) of the crack nucleating in the matrix. The crack resistance of the composite material at the stage of fracture initiation (estimated using K1c parameter) varied from 15 to 30 MPa · m1/2. The crack resistance of the composite at the stage of fracture development was described using the specific effective fracture work γF ranged from 2 × 104 to 8 × 104 J/m2. The latter parameter exceeds by the order of magnitude the value γF determined for steel St3, aluminum alloy D16T, and titanium alloy VT-5. The high value of γF (which is an advantage of the obtained composite) is attributed to high-energy-consuming mechanism of the material fracture provided by the increased energy consumption for the destruction of the bridges between the matrix aluminum layers by cutting them off with a cable resulting from the shear stresses, for overcoming the friction forces when pulling cable out of the matrix, and for shifting layered packets formed by diffusion-bonded aluminum scaly particles inside the matrix. The properties of the obtained steel-aluminum composite provide the expediency of using the material for lightweight structural elements operated under mechanical loading.

сталь-алюминиевый композиционный материалалюминиевая пудра ПАП-2сталь 08Х17Н13М2прочностьтрещиностойкостьдиаграмма деформированиямеханизм разрушенияфрактограмма поверхности разрушенияsteel-aluminum composite materialPAP-2 aluminum powder08Kh17N13M2 steelstrengthcrack resistancedeformation diagramfracture mechanismfractogram of the fracture surfaceРабота выполнена по государственному заданию № 075-00947-20-00. Авторы выражают благодарность О. А. Крымской (национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», кафедра физических проблем материаловедения) за проведение расчетов ADC-методом по программе LaboTex Исследования проведены 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)ReferencesИванов Д. А., Ситников А. И., Шляпин С. Д. Композиционные материалы. — М.: Юрайт, 2019. — 253 с.Ivanov D. A., Sitnikov A. I., Shlyapin S. D. Composite materials. — Moscow: Yurait, 2019. — 253 p. [in Russian].Трыков Ю. П., Гуревич Л. М., Шморгун В. Г. Слоистые композиты на основе алюминия и его сплавов. — М.: Металлургиздат, 2004. — 230 с.Trykov Yu. P., Gurevich L. M., Shmorgun V. G. Layered composites based on aluminum and its alloys. — Moscow: Metallurgizdat, 2004. — 230 p. [in Russian].Милейко С. Т. Микро- и макротрещины в композитах / Механика композитных материалов. 1979. № 2. С. 276 – 279.Mileiko S. T. Micro- and macrocracks in composites / Mekh. Kompozit. Mater. 1979. N 2. P. 276 – 279 [in Russian].Анищенков В. М., Милейко С. Т. Усталостное разрушение слоистого композита / Доклады Академии наук. 1978. Т. 241. № 5. С. 1068 – 1069.Anishchenkov V. M., Mileiko S. T. Fatigue failure of a layered composite / Dokl. AN SSSR. 1978. Vol. 241. N 5. P. 1068 – 1069 [in Russian].Фридляндер И. Н. Современные алюминиевые, магниевые сплавы и композиционные материалы на их основе / Металловедение и термическая обработка металлов. 2002. № 7. С. 24 – 29.Friedlyander I. N. Modern aluminum, magnesium alloys and composite materials based on them / Metalloved. Term. Obrab. Met. 2002. N 7. P. 24 – 29 [in Russian].Материаловедение и технология материалов. Ч. 1 / Под ред. Г. П. Фетисова. — М.: Юрайт, 2018. — 386 с.Material Science and Technology of Materials. Part 1 / G. P. Fetisov, Ed. — Moscow: Yurait, 2018. — 386 p. [in Russian].Композиционные материалы: разработка, динамические испытания, математическое моделирование / Под ред. А. Н. Ищенко. — Томск: изд-во НТЛ, 2016. — 408 с.Composite materials: development, dynamic testing, mathematical modeling / A. N. Ishchenko, Ed. — Tomsk: Izd. NTL, 2016. — 408 p. [in Russian].Кузмич Ю. В., Колесникова И. Г., Серба В. И., Фрейдин Б. М. Механическое легирование. — Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2004. — 179 с.Kuzmich Yu. V., Kolesnikova I. G., Serba V. I., Freidin B. M. Mechanical alloying. — Apatity: Izd. Kol’skogo nauchnogo tsentra RAN, 2004. — 179 p. [in Russian].Dinesh K., Geeta A., Rajesh P. Properties and characterization of Al – Al2O3 composites processed by casting and powder metallurgy routes (review) / Int. J. of latest trends in engineering and technology. 2013. Vol. 2. Issue 4. July. 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. of latest trends in engineering and technology. 2013. Vol. 2. Issue 4. July. P. 486 – 496.Kang Yuan-Chang, Chan Sammy Lap-Ip. Tensile properties of nanometric Al2O3 particulate — reinforced aluminum matrix composites / Materials chemistry and physics. 2004. Vol. 85. P. 438 – 443.Kang Yuan-Chang, Chan Sammy Lap-Ip. Tensile properties of nanometric Al2O3 particulate — reinforced aluminum matrix composites / Materials chemistry and physics. 2004. Vol. 85. P. 438 – 443.Razavi Hesabi Z., Simch A., Seyed Reihani S. M. Structural evolution during mechanical milling of nanometric and micrometric Al2O3 reinforced Al matrix composites / Mater. Sci. Engin. A. 2006. Vol. 428. P. 159 – 168.Razavi Hesabi Z., Simch A., Seyed Reihani S. M. Structural evolution during mechanical milling of nanometric and micrometric Al2O3 reinforced Al matrix composites / Mater. Sci. Engin. A. 2006. Vol. 428. P. 159 – 168.Razavi Hesabi Z., Hafizpour H. R., Simchi A. An investigation on the compressibility of aluminum/nano-alumina composite powder prepared by blending and mechanical milling / Mater. Sci. Engin. A. 2007. Vol. 449 – 451. P. 829 – 832.Razavi Hesabi Z., Hafizpour H. R., Simchi A. An investigation on the compressibility of aluminum/nano-alumina composite powder prepared by blending and mechanical milling / Mater. Sci. Engin. A. 2007. Vol. 449 – 451. P. 829 – 832.Tavoosi M., Karimzadeh F., Enayati M. H., Heidarpour A. Al – Zn/Al2O3 nanocomposite prepared by reactive milling and hot pressing methods / Journal of Alloys and Compounds. 2009. Vol. 475. P. 198 – 201.Tavoosi M., Karimzadeh F., Enayati M. H., Heidarpour A. Al – Zn/Al2O3 nanocomposite prepared by reactive milling and hot pressing methods / Journal of Alloys and Compounds. 2009. Vol. 475. P. 198 – 201.Poirier D., Drew R. A. L., Trudeau M. L., Gauvin R. Fabrication and properties of mechanically milled alumina/aluminium nanocomposites / Mater. Sci. Engin. A. 2010. Vol. 527. P. 7605 – 7614.Poirier D., Drew R. A. L., Trudeau M. L., Gauvin R. Fabrication and properties of mechanically milled alumina/aluminium nanocomposites / Mater. Sci. Engin. A. 2010. Vol. 527. P. 7605 – 7614.Tabandeh Kh. M., Jenabali J. S. A., Moshksar M. M. Mechanical properties of tri-modal Al matrix composites reinforced by nano- and submicron-sized Al2O3 particulates developed by wet attrition milling and hot extrusion / Materials and Design A. 2010. Vol. 454. P. 1 – 16.Tabandeh Kh. M., Jenabali J. S. A., Moshksar M. M. Mechanical properties of tri-modal Al matrix composites reinforced by nano- and submicron-sized Al2O3 particulates developed by wet attrition milling and hot extrusion / Materials and Design A. 2010. Vol. 454. P. 1 – 16.Razavi-Tousi S. S., Yazdani-Rad R., Manafi S. A. Effect of volume fraction and particle size of alumina reinforcement on compaction and densification behavior of Al – Al2O3 nanocomposites / Mater. Sci. Engin. A. 2011. Vol. 528. P. 1105 – 1110.Razavi-Tousi S. S., Yazdani-Rad R., Manafi S. A. Effect of volume fraction and particle size of alumina reinforcement on compaction and densification behavior of Al – Al2O3 nanocomposites / Mater. Sci. Engin. A. 2011. Vol. 528. P. 1105 – 1110.Ivanov D. A., Ivanov A. V., Shljapin S. D. Investigation into physicomechanical properties and structure of the Al – Al2O3 composite material fabricated using mechanical treatment of the PAP-2 aluminum powder and reaction sintering of powder billets / Rus. J. Non-Ferrous Met. 2016. Vol. 57. N 2. P. 148 – 156.Ivanov D. A., Ivanov A. V., Shljapin S. D. Investigation into physicomechanical properties and structure of the Al – Al2O3 composite material fabricated using mechanical treatment of the PAP-2 aluminum powder and reaction sintering of powder billets / Rus. J. Non-Ferrous Met. 2016. Vol. 57. N 2. P. 148 – 156.Иванов Д. А., Шляпин С. Д., Вальяно Г. Е., Аккужин Н. Д., Федорова Л. В. Изучение влияния вакуумной термообработки порошка марки ПАП-2 на его прессуемость и свойства спеченного материала / Технология легких сплавов. 2017. № 3. С. 68 – 74.Ivanov D. A., Shlyapin S. D., Valliano G. E., Akkuzhin N. D., Fedorova L. V. Studying the influence of vacuum heat treatment of PAP-2 powder on its compressibility and properties of sintered material / Tekhnol. Legk. Splavov. 2017. N 3. P. 68 – 74 [in Russian].Баринов С. М., Шевченко В. Я. Прочность технической керамики. — М.: Наука, 1996. — 159 с.Barinov S. M., Shevchenko V. Ya. The strength of technical ceramics. — Moscow: Nauka, 1996. — 159 p. [in Russian].Абрамов А. А., Тихомиров М. Д. Технология получения качественных отливок из высокопрочных литейных алюминиевых сплавов / Литейное производство. 2007. № 5. С. 29 – 34.Abramov A. A., Tikhomirov M. D. The technology for producing high-quality castings from high-strength cast aluminum alloys / Litei. Proizv. 2007. N 5. P. 29 – 34 [in Russian].Илларионов А. Г., Попов А. А. Технология и эксплуатационные свойства титановых сплавов. — Екатеринбург: изд-во Уральского университета, 2014. — 137 с.Illarionov A. G., Popov A. A. Technology and performance properties of titanium alloys. — Yekaterinburg: Izd. Ural’skogo universiteta, 2014. — 137 p. [in Russian].Рахимкулов Р. Р. Сопоставление значений величины вязкости разрушения K1c, полученной на образцах с шевронной прорезкой и по стандартной методике для стали Ст3сп / Нефтегазовое дело. 2010. № 2. С. 59 – 69.Rakhimkulov R. R. Comparison of the values of fracture toughness K1c obtained on samples with chevron cutting and according to the standard procedure for steel St3sp / Neftegaz. Delo. 2010. N 2. P. 59 – 69 [in Russian].Шевченко В. Я., Баринов С. М. Техническая керамика. — М.: Наука, 1993. — 187 с.Shevchenko V. Ya., Barinov S. M. Technical ceramics. — Moscow: Nauka, 1993. — 187 p. [in Russian].

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