zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2026-92-5-41-46zldm-2829Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. PHYSICAL METHODS OF TESTING AND QUALITY CONTROLУльтразвуковые и микроскопические исследования алюмоматричного композита, армированного полыми керамическими микросферамиUltrasonic and microscopic studies of aluminum matrix composite reinforced with hollow ceramic microspheresКурашкинК. В.KurashkinK. V.

Константин Владимирович Курашкин

603024, г. Нижний Новгород, ул. Белинского, д. 85

Konstantin V. Kurashkin

85, ul. Belinskogo, Nizhny Novgorod, 603024

kurashkin@ipmran.ruГончарА. В.GoncharA. V.

Александр Викторович Гончар

603024, г. Нижний Новгород, ул. Белинского, д. 85

Alexander V. Gonchar

85, ul. Belinskogo, Nizhny Novgorod, 603024

СоловьевА. А.SolovyovA. A.

Александр Александрович Соловьев

603024, г. Нижний Новгород, ул. Белинского, д. 85

Alexander A. Solovyov

85, ul. Belinskogo, Nizhny Novgorod, 603024

РазовЕ. Н.RazovE. N.

Евгений Николаевич Разов

603024, г. Нижний Новгород, ул. Белинского, д. 85

Evgeny N. Razov

85, ul. Belinskogo, Nizhny Novgorod, 603024

Институт проблем машиностроения РАНРоссияMechanical Engineering Research Institute, RASRussian Federation2026270520269254146Copyright © Курашкин К.В., Гончар А.В., Соловьев А.А., Разов Е.Н., 20262026Курашкин К.В., Гончар А.В., Соловьев А.А., Разов Е.Н.Kurashkin K.V., Gonchar A.V., Solovyov A.A., Razov E.N.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/2829

Решение проблемы оперативного неразрушающего контроля литых алюмоматричных композитов имеет большое практическое значение для совершенствования технологии их производства. Цель работы — ультразвуковые и микроскопические исследования перспективного алюмоматричного композита, полученного методом литья с механическим замешиванием упрочняющих полых керамических микросфер. Для исследования образцов с разной объемной долей пор и упрочняющих микросфер использовали методы оптической и сканирующей электронной микроскопии, гидростатического взвешивания, ультразвуковой эхо-метод. Показано, что насыщение алюминиевого сплава упрочняющими полыми микросферами, состоящими в основном из оксида алюминия, позволяет получить композит менее плотный, чем исходный сплав. Определяющая характеристика структуры материала, влияющая на его свойства, — суммарная объемная доля микропор и упрочняющих микросфер. Установлено, что в анализируемых образцах неоднородность распределения и средний размер пор и упрочняющих микросфер не влияют на скорости распространения ультразвуковых волн и упругие свойства. Плотность, скорости ультразвуковых волн, модуль Юнга и коэффициент Пуассона монотонно уменьшаются с ростом суммарной объемной доли микропор и полых микросфер. Сделан вывод: коэффициент Пуассона может применяться в качестве информативного параметра для экспресс-оценки качества композита. Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования методики неразрушающего контроля качества создаваемых алюмоматричных композитов, армированных полыми керамическими микросферами.

Solving the problem of operational nondestructive evaluation of cast aluminum matrix composites is of great practical importance for improving their production technology. The purpose of the work is ultrasonic and microscopic studies of a promising aluminum matrix composite obtained by casting with mechanical mixing of reinforcing hollow ceramic microspheres. Optical and scanning electron microscopy, hydrostatic weighing, and ultrasonic echo method were used to study specimens with different volume fractions of pores and reinforcing microspheres. It is shown that saturation of aluminum matrix with reinforcing hollow microspheres consisting mainly of aluminum oxide makes it possible to obtain the composite less dense than the initial alloy. The main characteristic of the composite structure affecting its properties is the total volume fraction of micropores and reinforcing microspheres. It was found that in the studied specimens, the heterogeneity of the distribution and the average size of the pores and reinforcing microspheres do not affect the propagation velocities of ultrasonic waves and elastic properties. The density, ultrasonic wave velocities, Young’s modulus, and Poisson’s ratio decrease monotonously with an increase in the total volume fraction of micropores and hollow microspheres. It is concluded that the Poisson’s ratio can be used as an informative parameter for rapid quality control of the composite. The results obtained can be used to improve the technique of nondestructive quality control of produced aluminum matrix composites reinforced with hollow ceramic microspheres.

алюмоматричный композитультразвуковой контрольпористостьструктураaluminum matrix compositeultrasonic inspectionporositystructureИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (№ 25-29-00922, https:// rscf.ru/project/25-29-00922, регистрационный номер НИОКТР 125021702350-8).ReferencesChak V., Chattopadhyay H., Dora T. A review on fabrication methods, reinforcements and mechanical properties of aluminum matrix composites / JMP. 2020. Vol. 56. P. 1059 – 1074. DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.05.042Chak V., Chattopadhyay H., Dora T. A review on fabrication methods, reinforcements and mechanical properties of aluminum matrix composites / JMP. 2020. Vol. 56. P. 1059 – 1074. DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.05.042Wang Y., Zhang J. A review of the friction and wear behavior of particle-reinforced aluminum matrix composites / Lubricants. 2023. Vol. 11. Art. 317. DOI: 10.3390/lubricants11080317Wang Y., Zhang J. A review of the friction and wear behavior of particle-reinforced aluminum matrix composites / Lubricants. 2023. Vol. 11. Art. 317. DOI: 10.3390/lubricants11080317Garg P., Jamwal A., Kumar D., et al. Advance research progresses in aluminium matrix composites: manufacturing and applications / JMR & T. 2019. Vol. 8. P. 4924 – 4939. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.06.028Garg P., Jamwal A., Kumar D., et al. Advance research progresses in aluminium matrix composites: manufacturing and applications / JMR & T. 2019. Vol. 8. P. 4924 – 4939. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.06.028Rohatgi P., Raman S., Majumdar B., Banerjee A. Ultrasonic techniques in evaluation of metal matrix particulate composites / Mat. Sci. Eng. A. 1990. Vol. 123. P. 89 – 97. DOI: 10.1016/0921-5093(90)90214-nRohatgi P., Raman S., Majumdar B., Banerjee A. Ultrasonic techniques in evaluation of metal matrix particulate composites / Mat. Sci. Eng. A. 1990. Vol. 123. P. 89 – 97. DOI: 10.1016/0921-5093(90)90214-nBindumadhavan P., Wah H., Prabhakar O. Assessment of particle-matrix debonding in particulate metal matrix composites using ultrasonic velocity measurements / Mat. Sci. Eng. A. 2002. Vol. 323. P. 42 – 51. DOI: 10.1016/s0921-5093(01)01399-5Bindumadhavan P., Wah H., Prabhakar O. Assessment of particle-matrix debonding in particulate metal matrix composites using ultrasonic velocity measurements / Mat. Sci. Eng. A. 2002. Vol. 323. P. 42 – 51. DOI: 10.1016/s0921-5093(01)01399-5Mouchtachi A., El Guerjouma R., Baboux J. Nondestructive ultrasonic evaluation of fibrous metal matrix composites / Appl. Compos. Mater. 1994. Vol. 1. P. 387 – 393. DOI: 10.1007/bf00568043Mouchtachi A., El Guerjouma R., Baboux J. Nondestructive ultrasonic evaluation of fibrous metal matrix composites / Appl. Compos. Mater. 1994. Vol. 1. P. 387 – 393. DOI: 10.1007/bf00568043Lee J.-H, Park Y.-Ch. Nondestructive characterization of metal matrix composite by ultrasonic measurement / Compos. Eng. 1995. Vol. 5. P. 1423 – 1431. DOI: 10.1016/0961-9526(95)00076-yLee J.-H, Park Y.-Ch. Nondestructive characterization of metal matrix composite by ultrasonic measurement / Compos. Eng. 1995. Vol. 5. P. 1423 – 1431. DOI: 10.1016/0961-9526(95)00076-yGür C. H., Ogel B. Nondestructive microstructural characterization of aluminium matrix composites by ultrasonic techniques / Mater. Charact. 2001. Vol. 47. P. 227 – 233. DOI: 10.1016/s1044-5803(01)00174-7Gür C. H., Ogel B. Nondestructive microstructural characterization of aluminium matrix composites by ultrasonic techniques / Mater. Charact. 2001. Vol. 47. P. 227 – 233. DOI: 10.1016/s1044-5803(01)00174-7Podymova N. B., Karabutov A. A. Combined effects of reinforcement fraction and porosity on ultrasonic velocity in SiC particulate aluminum alloy matrix composites / Compos. Part B. 2017. Vol. 113. P. 138 – 143. DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.01.017Podymova N. B., Karabutov A. A. Combined effects of reinforcement fraction and porosity on ultrasonic velocity in SiC particulate aluminum alloy matrix composites / Compos. Part B. 2017. Vol. 113. P. 138 – 143. DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.01.017Toozandehjani M., Ostovan F., Shamshirsaz M., et al. Velocity and attenuation of ultrasonic wave in Al-Al2O3 nanocomposite and their correlation to microstructural evolution during synthesizing procedure / JMR & T. 2021. Vol. 15. P. 2529 – 2542. DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.09.065Toozandehjani M., Ostovan F., Shamshirsaz M., et al. Velocity and attenuation of ultrasonic wave in Al-Al2O3 nanocomposite and their correlation to microstructural evolution during synthesizing procedure / JMR & T. 2021. Vol. 15. P. 2529 – 2542. DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.09.065Erol A., Bilici V., Yönetken A. Characterization of the elastic modulus of ceramic-metal composites with physical and mechanical properties by ultrasonic technique / Open Chem. 2022. Vol. 20. P. 593 – 601. DOI: 10.1515/chem-2022-0180Erol A., Bilici V., Yönetken A. Characterization of the elastic modulus of ceramic-metal composites with physical and mechanical properties by ultrasonic technique / Open Chem. 2022. Vol. 20. P. 593 – 601. DOI: 10.1515/chem-2022-0180Podymova N. B., Kalashnikov I. E., Kobeleva L. I. Laser-ultrasonic study of the local porosity of reactive cast aluminum matrix composites / Inorg. Mater. 2022. Vol. 58. P. 1512 – 1519. DOI: 10.1134/s0020168522150109Podymova N. B., Kalashnikov I. E., Kobeleva L. I. Laser-ultrasonic study of the local porosity of reactive cast aluminum matrix composites / Inorg. Mater. 2022. Vol. 58. P. 1512 – 1519. DOI: 10.1134/s0020168522150109Kurashkin K. V., Mishakin V. V. Ultrasonic estimation of the residual stresses / Inorg. Mater. 2014. Vol. 50. P. 1506 – 1510. DOI: 10.1134/s0020168514150060Kurashkin K. V., Mishakin V. V. Ultrasonic estimation of the residual stresses / Inorg. Mater. 2014. Vol. 50. P. 1506 – 1510. DOI: 10.1134/s0020168514150060Carvajal L., Artigas A., Monsalve A., et al. Acoustic birefringence and Poisson’s ratio determined by ultrasound: tools to follow-up deformation by cold rolling and recrystallization / Mater. Res. 2017. Vol. 20. P. 304 – 310. DOI: 10.1590/1980-5373-mr-2016-1082Carvajal L., Artigas A., Monsalve A., et al. Acoustic birefringence and Poisson’s ratio determined by ultrasound: tools to follow-up deformation by cold rolling and recrystallization / Mater. Res. 2017. Vol. 20. P. 304 – 310. DOI: 10.1590/1980-5373-mr-2016-1082Mishakin V. V., Gonchar A. V., Kurashkin K. V., et al. On low-cycle fatigue of austenitic steel. Part I: changes of Poisson’s ratio and elastic anisotropy / IJES. 2021. Vol. 168. Art. 103567. DOI: 10.1016/j.ijengsci.2021.103567Mishakin V. V., Gonchar A. V., Kurashkin K. V., et al. On low-cycle fatigue of austenitic steel. Part I: changes of Poisson’s ratio and elastic anisotropy / IJES. 2021. Vol. 168. Art. 103567. DOI: 10.1016/j.ijengsci.2021.103567Kirikov S. V., Mishakin V. V., Klyushnikov V. A. Influence of microcracks on Poisson’s ratio during plastic deformation of austenitics / Tech. Phys. 2023. Vol. 68. P. S449 – S456. DOI: 10.1134/s1063784223900656Kirikov S. V., Mishakin V. V., Klyushnikov V. A. Influence of microcracks on Poisson’s ratio during plastic deformation of austenitics / Tech. Phys. 2023. Vol. 68. P. S449 – S456. DOI: 10.1134/s1063784223900656Romanov A. D., Romanova E. A., Chernyshov E. A., et al. Production of aluminum matrix composite material hardened with hollow ceramic microspheres / Metallurgist. 2021. Vol. 65. P. 320 – 325. DOI: 10.1007/s11015-021-01160-7Romanov A. D., Romanova E. A., Chernyshov E. A., et al. Production of aluminum matrix composite material hardened with hollow ceramic microspheres / Metallurgist. 2021. Vol. 65. P. 320 – 325. DOI: 10.1007/s11015-021-01160-7Chernyshov E. A., Romanov A. D., Kaverin B. S., et al. Development of technology for preparing composite material based on aluminum strengthened with hollow ceramic microspheres / Metallurgist. 2019. Vol. 62. P. 1255 – 1260. DOI: 10.1007/s11015-019-00783-1Chernyshov E. A., Romanov A. D., Kaverin B. S., et al. Development of technology for preparing composite material based on aluminum strengthened with hollow ceramic microspheres / Metallurgist. 2019. Vol. 62. P. 1255 – 1260. DOI: 10.1007/s11015-019-00783-1Mays T. J. A new classification of pore sizes / Stud. Surf. Sci. Catal. 2007. Vol. 160. P. 57 – 62. DOI: 10.1016/s0167-2991(07)80009-7Mays T. J. A new classification of pore sizes / Stud. Surf. Sci. Catal. 2007. Vol. 160. P. 57 – 62. DOI: 10.1016/s0167-2991(07)80009-7Gonchar A. V., Mishakin V. V., Romanova E. A., et al. Determination of effective modules of elasticity of ceramic microsphers of aluminum matrix composite material / Mekh. Kompos. Mater. Konstr. 2023. Vol. 29. No. 3. P. 424 – 433 [in Russian]. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2023.29.03.08Gonchar A. V., Mishakin V. V., Romanova E. A., et al. Determination of effective modules of elasticity of ceramic microsphers of aluminum matrix composite material / Mekh. Kompos. Mater. Konstr. 2023. Vol. 29. No. 3. P. 424 – 433 [in Russian]. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2023.29.03.08

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