zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2021-87-5-34-42zldm-1416Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. PHYSICAL METHODS OF TESTING AND QUALITY CONTROLЛазерно-ультразвуковое исследование локальной пористости алюмоматричных композиционных материалов, изготовленных методом реакционного литьяLaser-ultrasonic study of the local porosity of reactive cast aluminum-matrix compositesПодымоваН. Б.PodymovaN. B.

Наталья Борисовна Подымова

119991, Москва, Ленинские горы, д. 1

Natalia B. Podymova

Faculty of Physics

1, Leninskie gory, Moscow, 119991

npodymova@mail.ruКалашниковИ. Е.KalashnikovI. E.

Игорь Евгеньевич Калашников

119334, Москва, Ленинский пр., д. 49

Igor E. Kalashnikov

49, Leninsky prosp., Moscow, 119334

КобелеваЛ. И.KobelevaL. I.

Любовь Ивановна Кобелева

119334, Москва, Ленинский пр., д. 49

Lyubov I. Kobeleva

49, Leninsky prosp., Moscow, 119334

МГУ имени М. В. Ломоносова, физический факультетРоссияM. V. Lomonosov Moscow State UniversityRussian FederationИнститут металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова РАНРоссияA. A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, RASRussian Federation2021230520218753442Copyright © Подымова Н.Б., Калашников И.Е., Кобелева Л.И., 20212021Подымова Н.Б., Калашников И.Е., Кобелева Л.И.Podymova N.B., Kalashnikov I.E., Kobeleva L.I.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/1416

Один из наиболее критичных производственных дефектов литых металломатричных композиционных материалов — неравномерное распределение пористости по объему композита. Неравномерность приводит не только к локальному разупрочнению, но и играет ключевую роль в эволюции процесса повреждения при действии внешних нагрузок. В работе представлены результаты исследования локальной пористости дисперсно-упрочненных алюмоматричных композиционных материалов, изготовленных способом реакционного литья. Использовали лазерно-ультразвуковой метод, основанный на статистическом анализе распределения амплитуд обратнорассеянных широкополосных импульсов продольных ультразвуковых волн в композитах. Лазерное возбуждение и пьезоэлектрическую регистрацию ультразвука осуществляли с применением лазерно-ультразвукового преобразователя. Анализировали две серии образцов: упрочненных in situ синтезированными интерметаллидными частицами Al3Ti в различной объемной концентрации и частицами Al3Ti с добавлением наночастиц синтетического алмаза. Установлено, что для обеих серий распределение амплитуд обратнорассеянных ультразвуковых импульсов аппроксимируется Гауссовской функцией распределения, применимой для большого числа статистически независимых величин. Эмпирическая зависимость полуширины распределения от локальной пористости композитов аппроксимируется одной и той же близкой к линейной функцией независимо от размера и концентрации упрочняющих частиц. С ее помощью выведена расчетная формула для определения локальной пористости в исследуемых материалах. Полученные результаты могут быть использованы для обнаружения в литых металломатричных композитах потенциально опасных областей с повышенной пористостью.

One of the most critical manufacturing defects of cast metal-matrix composites is a non-uniform porosity distribution over the composite volume. Unevenness of the distribution leads not only to local softening, but also plays a key role in the evolution of the damage process under the external loads. The goal of the study is to apply a new laser-ultrasonic method to in-situ study of a local porosity in reactive cast aluminum-matrix composites. The proposed method is based on statistical analysis of the amplitude distribution of backscattered broadband pulses of longitudinal ultrasonic waves in the studied materials. Laser excitation and piezoelectric detection of ultrasound were carried out using a laser-ultrasonic transducer. Two series of reactive cast aluminum-matrix composites were analyzed: reinforced by in situ synthesized Al3Ti intermetallic particles in different volume concentrations and by Al3Ti added with synthetic diamond nanoparticles. It is shown that for both series of the composites, the amplitude distribution of backscattered ultrasonic pulses is approximated by the Gaussian probability distribution applicable for statistics of large number of independent random variables. The empirical dependence of the half-width of this distribution on the local porosity in composites of two series is approximated by the same nearly linear function regardless of the size and fraction of reinforcing particles. This function was used to derive the formula for calculation of the local porosity in the studied composites. The developed technique seems to be promising in revealing potentially dangerous domains with high porosity in reactive-cast metal-matrix composites.

алюмоматричные композиционные материалылокальная пористостьлазерный оптико-акустический методобратнорассеянные ультразвуковые импульсыГауссовская функция распределенияaluminum-matrix compositeslocal porositylaser-ultrasonic methodbackscattered ultrasonic pulsesGaussian probability distributionгосударственное задание № 075-00746-19-00ReferencesClyne T. W., Withers P. J. An introduction to metal matrix composites. — Cambridge: Cambridge University Press, 1995. — 528 p.Clyne T. W., Withers P. J. An introduction to metal matrix composites. — Cambridge: Cambridge University Press, 1995. — 528 p.Mileiko S. T. Metal and ceramic based composites. — Amsterdam: Elsevier, 1997. — 691 p.Mileiko S. T. Metal and ceramic based composites. — Amsterdam: Elsevier, 1997. — 691 p.Чернышова Т. А., Курганова Ю. А., Кобелева Л. И., Болотова Л. К. Литые дисперсно-упрочненные алюмоматричные композиционные материалы: изготовление, свойства, применение. — Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2012. — 295 с.Chernyshova T. A., Kurganova Yu. A., Kobeleva L. I., Bolotova L. K. Cast particulate-reinforced aluminum-matrix composites: manufacturing, properties, application. — Ulyanovsk: UlGTU, 2012. — 295 p. [in Russian].Ibrahim I. A., Mohamed F. A., Lavernia E. J. Particulate reinforced metal matrix composites — a review / J. Mater. Sci. 1991. Vol. 26. P. 1137 – 1156. DOI: 10.1007/BF00544448Ibrahim I. A., Mohamed F. A., Lavernia E. J. Particulate reinforced metal matrix composites — a review / J. Mater. Sci. 1991. Vol. 26. P. 1137 – 1156. DOI: 10.1007/BF00544448Lloyd D. J. Particle reinforced aluminium and magnesium matrix composites / Int. Mater. Rev. 1994. Vol. 39. P. 1 – 23. DOI: 10.1179/imr.1994.39.1.1Lloyd D. J. Particle reinforced aluminium and magnesium matrix composites / Int. Mater. Rev. 1994. Vol. 39. P. 1 – 23. DOI: 10.1179/imr.1994.39.1.1Kainer K. U. Basics of metal matrix composites. In: Metal matrix composites: custom-made materials for automotive and aerospace engineering / Kainer K. U. — Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., 2006. P. 1 – 54.Kainer K. U. Basics of metal matrix composites. In: Metal matrix composites: custom-made materials for automotive and aerospace engineering / Kainer K. U. — Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., 2006. P. 1 – 54.Чернышова Т. А., Михеев Р. С., Калашников И. Е., Акимов И. В., Харламов Е. И. Разработка и апробация композиционных материалов систем Al – SiC, Al – TiC в узлах трения нефтедобывающего оборудования / ФизХОМ. 2010. № 5. С. 78 – 86.Chernyshova T. A., Mikheev R. S., Kalashnikov I. E., Akimov I. V., Kharlamov E. I. Development and approbation of Al – SiC and Al – TiC composites in friction units of oil-production equipment / FizKhOM. 2010. N 5. P. 78 – 86 [in Russian].Miranda G., Buciumeanu M., Madeira S., Carvalho O., Soares D., Silva F. Hybrid composites — metallic and ceramic reinforcements influence on mechanical and wear behavior / Compos. Part B Eng. 2015. Vol. 74. P. 153 – 165. DOI: 10.1016/j.compositesb.2015.01.007Miranda G., Buciumeanu M., Madeira S., Carvalho O., Soares D., Silva F. Hybrid composites — metallic and ceramic reinforcements influence on mechanical and wear behavior / Compos. Part B Eng. 2015. Vol. 74. P. 153 – 165. DOI: 10.1016/j.compositesb.2015.01.007Болотова Л. К., Калашников И. Е., Кобелева Л. И., Быков П. А., Катин И. В., Колмаков А. Г., Подымова Н. Б. Структура и свойства композиционных материалов на основе сплава баббита Б83, полученных методом экструзии / ФизХОМ. 2017. № 2. С. 63 – 70.Bolotova L. K., Kalashnikov I. E., Kobeleva L. I., Bykov P. A., Katin I. V., Kolmakov A. G., Podymova N. B. Structure and properties of composite materials based on babbit B83 alloy obtained by extrusion / FizKhOM. 2017. N 2. P. 63 – 70 [in Russian].Колмаков А. Г., Калашников И. Е., Болотова Л. К., Подымова Н. Б., Быков П. А., Катин И. В., Кобелева Л. И. Исследование свойств композиционных материалов на основе антифрикционного сплава Б83 / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 5. С. 38 – 45. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-5-38-45Kolmakov A. G., Kalashnikov I. E., Bolotova L. K., Podymova N. B., Bykov P. A., Katin I. V., Kobeleva L. I. Study of characteristics of B83 antifriction alloy-based composite materials / Inorg. Mater. 2020. Vol. 56. N 15 (in print).Tjong S. C., Ma Z. Y. Microstructural and mechanical characteristics of in situ metal matrix composites / Mater. Sci. Eng. R. 2000. Vol. 29. P. 49 – 113. DOI: 10.1016/S0927-796X(00)00024-3Tjong S. C., Ma Z. Y. Microstructural and mechanical characteristics of in situ metal matrix composites / Mater. Sci. Eng. R. 2000. Vol. 29. P. 49 – 113. DOI: 10.1016/S0927-796X(00)00024-3Varin R. A. Intermetallic-reinforced light-metal matrix in situ composites / Metall. Mater. Trans. A. 2002. Vol. 33. P. 193 – 201. DOI: 10.1007/s11661-002-0018-4Varin R. A. Intermetallic-reinforced light-metal matrix in situ composites / Metall. Mater. Trans. A. 2002. Vol. 33. P. 193 – 201. DOI: 10.1007/s11661-002-0018-4Wang X., Jha A., Brydson R. In situ fabrication of Al3Ti particle reinforced aluminium alloy metal-matrix composites / Mater. Sci. Eng. A. 2004. Vol. 364. P. 339 – 345. DOI: 10.1016/j.msea.2003.08.049Wang X., Jha A., Brydson R. In situ fabrication of Al3Ti particle reinforced aluminium alloy metal-matrix composites / Mater. Sci. Eng. A. 2004. Vol. 364. P. 339 – 345. DOI: 10.1016/j.msea.2003.08.049Чернышова Т. А., Болотова Л. К., Калашников И. Е. Кобелева Л. И., Быков П. А. Влияние тугоплавких наночастиц на модификацию структуры металломатричных композитов / Металлы. 2007. № 3. С. 79 – 84.Chernyshova T. A., Bolotova L. K., Kalashnikov I. E., Kobeleva L. I., Bykov P. A. Effect of refractory nanoparticles on the structural modification of metal-matrix composites / Russian Metallurgy (Metally). 2007. N. 3. P. 236 – 241. DOI: 10.1134/S0036029507030123Мурашева В. В., Бурковская Н. П., Севостьянов Н. В. Способы получения высокотемпературных Nb – Si in situ композитов (обзор) / Конструкции из композиционных материалов. 2015. № 2. С. 27 – 38.Murasheva V. V., Burkovskaya N. P., Sevostyanov N. V. Manufacturing techniques of high-temperature Nb-Si in situ composites (a review) / Konstr. Komposits. Mater. 2015. N 2. P. 27 – 38 [in Russian].Gangil N., Siddiquee A. N., Maheshwari S. Aluminium based in situ composite fabrication through friction stir processing: A review / J. Alloys. Compd. 2017. Vol. 715. P. 91 – 104. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.04.309Gangil N., Siddiquee A. N., Maheshwari S. Aluminium based in situ composite fabrication through friction stir processing: A review / J. Alloys. Compd. 2017. Vol. 715. P. 91 – 104. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.04.309Campbell J. Porosity. In: Complete casting handbook. Metal casting processes, metallurgy, techniques and design. — Amsterdam: Butterworth-Heinemann, Elsevier, 2015. P. 341 – 415.Campbell J. Porosity. In: Complete casting handbook. Metal casting processes, metallurgy, techniques and design. — Amsterdam: Butterworth-Heinemann, Elsevier, 2015. P. 341 – 415.Rohatgi P., Alaraj S., Thakkar R., Daoud A. Variation in fatigue properties of cast A359-SiC composites under total strain controlled conditions: Effects of porosity and inclusions / Compos. Part A. 2007. Vol. 38. N 8. P. 1829 – 1841. DOI: 10.1016/j.compositesa.2007.04.005Rohatgi P., Alaraj S., Thakkar R., Daoud A. Variation in fatigue properties of cast A359-SiC composites under total strain controlled conditions: Effects of porosity and inclusions / Compos. Part A. 2007. Vol. 38. N 8. P. 1829 – 1841. DOI: 10.1016/j.compositesa.2007.04.005Pineau A., Benzerga A., Pardoen T. Failure of metals I: Brittle and ductile fracture / Acta Mater. 2016. Vol. 107. P. 424 – 483. DOI: 10.1016/j.actamat.2015.12.034Pineau A., Benzerga A., Pardoen T. Failure of metals I: Brittle and ductile fracture / Acta Mater. 2016. Vol. 107. P. 424 – 483. DOI: 10.1016/j.actamat.2015.12.034Vary A. Material property characterization. In: Nondestructive testing handbook. Ultrasonic testing / Moore P. O. — Columbus: ASTM, 2007. P. 365 – 431.Vary A. Material property characterization. In: Nondestructive testing handbook. Ultrasonic testing / Moore P. O. — Columbus: ASTM, 2007. P. 365 – 431.Mujica N., Cerda M., Espinoza R., Lisoni J., Lund F. Ultrasound as a probe of dislocation density in aluminum / Acta Mater. 2012. Vol. 60. P. 5828 – 5837. DOI: 10.1016/j.actamat.2012.07.023Mujica N., Cerda M., Espinoza R., Lisoni J., Lund F. Ultrasound as a probe of dislocation density in aluminum / Acta Mater. 2012. Vol. 60. P. 5828 – 5837. DOI: 10.1016/j.actamat.2012.07.023Lan B., Britton T., Jun T., Gan W., Hofmann M., Dunne F., Lowe M. Direct volumetric measurement of crystallographic texture using acoustic waves / Acta Mater. 2018. Vol. 159. P. 384 – 394. DOI: 10.1016/j.actamat.2012.07.023Lan B., Britton T., Jun T., Gan W., Hofmann M., Dunne F., Lowe M. Direct volumetric measurement of crystallographic texture using acoustic waves / Acta Mater. 2018. Vol. 159. P. 384 – 394. DOI: 10.1016/j.actamat.2012.07.023Мишакин В. В., Клюшников В. А. Исследование сварного соединения из стали 12Х18Н10Т акустическими и магнитными методами / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017. Т. 83. № 6. С. 32 – 35.Mishakin V. V., Klyushnikov V. A. Study of a welded joint of 12Kh18N10T steel using acoustic and magnetic methods / Inorg. Mater. 2018. Vol. 54. N 15. P. 1498 – 1502. DOI: 10.1134/S0020168518150153Мишакин В. В., Серебряный В. Н., Гончар А. В., Клюшников В. А. Измерение характеристик текстуры конструкционной стали 15ЮТА акустическим методом при усталостном разрушении / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 7. С. 30 – 34. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-7-30-34Mishakin V. V., Serebryany V. N., Gonchar A. V., Klyushnikov V. A. Acoustic measurement of the texture characteristics of 15YuTA construction steel under fatigue failure / Inorg. Mater. 2019. Vol. 55. N 15. P. 1454 – 1457. DOI: 10.1134/S0020168519150111Fitting D., Adler L. Ultrasonic spectral analysis for nondestructive evaluation. — New York: Plenum Press, 1981. — 354 p.Fitting D., Adler L. Ultrasonic spectral analysis for nondestructive evaluation. — New York: Plenum Press, 1981. — 354 p.Гусев В. Э., Карабутов А. А. Лазерная оптоакустика. — М.: Наука, 1991. — 304 с.Gusev V. E., Karabutov A. A. Laser optoacoustics. — New York: AIP Press, 1993. — 271 p.Sundin S., Artymowicz D. Direct measurements of grain size in low-carbon steels using the laser ultrasonic technique / Metall. Mater. Trans. A. 2002. Vol. 33A. P. 687 – 691. DOI: 10.1007/s11661-002-0131-4Sundin S., Artymowicz D. Direct measurements of grain size in low-carbon steels using the laser ultrasonic technique / Metall. Mater. Trans. A. 2002. Vol. 33A. P. 687 – 691. DOI: 10.1007/s11661-002-0131-4Ивочкин А., Карабутов A., Лямшев М., Пеливанов И., Рохатги У., Субудхи М. Измерение распределения скорости продольных акустических волн в сварных соединениях лазерным оптико-акустическим методом / Акуст. журн. 2007. Т. 53. № 4. С. 540 – 547.Ivochkin A., Karabutov A., Lyamshev M., Pelivanov I., Rohatgi U., Subudhi M. Measurement of velocity distribution for longitudinal acoustic waves in welds by a laser optoacoustic technique / Acoust. Phys. 2007. Vol. 53. N 4. P. 471 – 477. DOI: 10.1134/S1063771007040070Sarkar S., Moreau A., Militzer M., Poole W. Evolution of austenite recrystallization and grain growth using laser ultrasonics / Metall. Mater. Trans. A. 2008. Vol. 39A. P. 897 – 907. DOI: 10.1007/s11661-007-9461-6Sarkar S., Moreau A., Militzer M., Poole W. Evolution of austenite recrystallization and grain growth using laser ultrasonics / Metall. Mater. Trans. A. 2008. Vol. 39A. P. 897 – 907. DOI: 10.1007/s11661-007-9461-6Кожушко В., Палтауф Г., Кренн Х. Регистрация наносекундных оптико-акустических импульсов в стали / Акуст. журн. 2013. Т. 59. № 2. С. 279 – 282.Kozhushko V., Paltauf G., Krenn H. Detection of nanosecond optoacoustic pulses in steel / Acoust. Phys. 2013. Vol. 59. N 2. P. 250 – 252. DOI: 10.1134/S1063771013020085Podymova N. B., Kalashnikov I. E., Bolotova L. K., Kobeleva L. I. Laser-ultrasonic nondestructive evaluation of porosity in particulate reinforced metal-matrix composites / Ultrasonics. 2019. Vol. 99. P. 105959. DOI: 10.1016/j.ultras.2019. 105959Podymova N. B., Kalashnikov I. E., Bolotova L. K., Kobeleva L. I. Laser-ultrasonic nondestructive evaluation of porosity in particulate reinforced metal-matrix composites / Ultrasonics. 2019. Vol. 99. P. 105959. DOI: 10.1016/j.ultras.2019.105959Karabutov A. A., Podymova N. B. Nondestructive porosity assessment of CFRP composites with spectral analysis of backscattered laser-induced ultrasonic pulses / J. Nondestruct. Eval. 2013. Vol. 32. P. 315 – 324. DOI: 10.1007/s10921-013-0184-xKarabutov A. A., Podymova N. B. Nondestructive porosity assessment of CFRP composites with spectral analysis of backscattered laser-induced ultrasonic pulses / J. Nondestruct. Eval. 2013. Vol. 32. P. 315 – 324. DOI: 10.1007/s10921-013-0184-xAdler L., Rose J., Mobley C. Ultrasonic method to determine gas porosity in aluminum alloy castings: Theory and experiment / J. Appl. Phys. 1986. Vol. 59. P. 336-0347. DOI: 10.1063/1.336689Adler L., Rose J., Mobley C. Ultrasonic method to determine gas porosity in aluminum alloy castings: Theory and experiment / J. Appl. Phys. 1986. Vol. 59. P. 336-0347. DOI: 10.1063/1.336689

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