Исследование трещиностойкости и механизма разрушения сталь-алюминиевого композиционного материала

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 K_1c, составляла от 15 до 30 МПа · м^1/2. Для описания трещиностойкости исследуемого композита на стадии развития разрушения использовали такую характеристику, как удельная эффективная работа разрушения γ_F = 2 · 10⁴ – 8 · 10⁴ Дж/м². Для данного композита γ_F на порядок выше, чем для стали Ст3, алюминиевого сплава Д16Т и титанового сплава ВТ-5, что является преимуществом разработанного материала. Значительные показатели параметра γ_F 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.

1. Иванов Д. А., Ситников А. И., Шляпин С. Д. Композиционные материалы. — М.: Юрайт, 2019. — 253 с.

2. Трыков Ю. П., Гуревич Л. М., Шморгун В. Г. Слоистые композиты на основе алюминия и его сплавов. — М.: Металлургиздат, 2004. — 230 с.

3. Милейко С. Т. Микро- и макротрещины в композитах / Механика композитных материалов. 1979. № 2. С. 276 – 279.

4. Анищенков В. М., Милейко С. Т. Усталостное разрушение слоистого композита / Доклады Академии наук. 1978. Т. 241. № 5. С. 1068 – 1069.

5. Фридляндер И. Н. Современные алюминиевые, магниевые сплавы и композиционные материалы на их основе / Металловедение и термическая обработка металлов. 2002. № 7. С. 24 – 29.

6. Материаловедение и технология материалов. Ч. 1 / Под ред. Г. П. Фетисова. — М.: Юрайт, 2018. — 386 с.

7. Композиционные материалы: разработка, динамические испытания, математическое моделирование / Под ред. А. Н. Ищенко. — Томск: изд-во НТЛ, 2016. — 408 с.

8. Кузмич Ю. В., Колесникова И. Г., Серба В. И., Фрейдин Б. М. Механическое легирование. — Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2004. — 179 с.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

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.

17. 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.

18. 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.

19. Баринов С. М., Шевченко В. Я. Прочность технической керамики. — М.: Наука, 1996. — 159 с.

20. Абрамов А. А., Тихомиров М. Д. Технология получения качественных отливок из высокопрочных литейных алюминиевых сплавов / Литейное производство. 2007. № 5. С. 29 – 34.

21. Илларионов А. Г., Попов А. А. Технология и эксплуатационные свойства титановых сплавов. — Екатеринбург: изд-во Уральского университета, 2014. — 137 с.

22. 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.

23. Шевченко В. Я., Баринов С. М. Техническая керамика. — М.: Наука, 1993. — 187 с.