Дисперсно упрочненные композиционные материалы на основе алюминия: методы получения, функциональные свойства, перспективные применения.

Откорректирован и модернизирован экспериментальный стенд для проведения исследований. В модернизированной установке для получения дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе алюминия разработали многоканальную газовую рампу, состоящую из каналов подачи кислорода в различных плоскостях и горизонтах. Внесенные конструктивные решения в данной установке для получения дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе алюминия позволили повысить точность и равномерность распределения упрочняющей фазы сплава по сечению отливки и оптимизировать предложенную технологию получения дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе алюминия. Получены слитки сплавов увеличенных размеров с различной степенью насыщения упрочняющих частиц. Из этих слитков фрезерованием с последующей обработкой резанием изготавливали плоские образцы. Фазовый состав уточнен при рентгеноструктурном и рентгенофазовом анализе на дифрактомере и с использованием растрового электронного микроскопа с энерго- и волнодисперсионным элементным анализаторами. Получены литые цилиндрические образцы методом по выплавляемым моделям и литьем в стальную форму, которым финишную обработку выполняли резанием на токарном станке. Установлены прибыли различных размеров для получения плотных отливок, что позволило получать литые заготовки для изготовления экспериментальных образцов без усадки получаемых отливок. Уточнены особенности жидкотекучести, кристаллизации, вязкости, окисляемости, которые подтвердили корректность относительно принятых значений по процентному содержанию упрочняющих фаз в получаемых композитах. Определены диапазоны оптимальной скорости резания с использованием сигналов акустической эмиссии, для разных условий обработки получаемых дисперсно-упрочнённых материалов при которой создаются условия, обеспечивающие минимальную интенсивность изнашивания инструмента и наилучшее качество поверхности образцов для механических испытаний. Получили шероховатость обработанной поверхности до Rа1,25. Обработанная поверхность заготовок гладкая, без наличия вырыва твердых включений. Получены расчетные формулы для определения значений составляющих силы резания с применением метода наименьших квадратов и оценки статистических характеристик в статистическом пакете Statistica6.0. Установлено, что количество тепла, выделяемого при механической обработке алюмоматричного композиционного материала, больше, чем тепло, выделяемое в алюминиевых сплавах. Выявлен предпочтительный диапазон скорости резания, на токарном станке обеспечивающие устойчивый процесс резания и качество обработанной поверхности. Определено, чем выше микротвёрдость заготовок из опытных плавок, тем меньше оптимальная скорость резания, соответствующая максимальному периоду стойкости инструмента. Проведены экспериментальные исследования по определению микротвердости при различном химическом составе заготовок дисперсно-упрочненных алюмоматричных сплавов. Наибольшую микротвердость показали образцы, которые обладали наибольшим количественным содержанием меди, средним показателем содержания магния и наименьшим по наличию кремния, железа, марганца и никеля. Проведены испытания на усталость плоских и цилиндрических образцов из дисперсно-упрочненных алюмоматричных композитов по «мягкой» и «жесткой» схемам нагружения. Установлено, что при более низком частотно-скоростном режиме нагружения образцы из экспериментального композита продемонстрировали повышенные усталостные характеристики и более высокую стабильность работы под действием циклических нагрузок, а в случае высокочастотных испытаний значительно более низкие показатели. Для расчета наибольшего напряжения с которого начинали испытания на усталость для каждой партии экспериментального материала определяли прочностные характеристики растяжением. При этом было обнаружено, что разрушение при низкой скорости деформирования (1 мм / мин) происходит по механизму отрыва, а при высокой скорости (100 мм / мин) - по механизму сдвига. Проведен расчет и получены численные значения параметров нового подхода для аттестации материалов, включающий в себя систему параметров из относительного коэффициента ограниченной выносливости, коэффициента корреляции и тангенса наклона кривой усталости, что позволяет обстоятельно отображать функциональные связи и закономерности поведения материалов при испытаниях на усталость. Контроль локального распределения состава испытанных на усталость материалов, элементный анализ и картирование элементов на поверхности разрушения и деформационной зоне сопряженной с границей разрушения производили с использованием растрового электронного микроскопа. Разработана программа для ЭВМ по расчету параметров сопротивления усталости при любой частоте нагружения в пределах заданного спектра с применением интерполяционных функций Ньютона и определителя Вандермонда. Проведена оценка деформационного поведения материала поверхности образцов композитов при развитии локализованной циклической деформации. Установлены особенности продвижения магистральной усталостной трещины при испытании образцов из различных плавок и показано, что возможен как линейный, так и ярко выраженный волновой характер. При этом участок с трещиной волнового характера сопровождается значительной зоной локальной пластической деформации, которая существенно больше аналогичной зоны на участке линейного характера распространения трещины. Такое различие связано с неравномерностью распределения упрочняющих частиц в объёме материала. Кроме этого, данная неравномерность приводит к гофрированию поверхности материала при циклической деформации в сопряженной с трещиной области. Разработаны новые методы изучения поверхности разрушения материалов, превышающих максимальное поле зрения микроскопа, которые основаны на методе целевого фокуса в виде технологии для сшивания изображений в реальном времени. Определены фрактографические особенности макро- и микроанализа разрушений образцов и выявлена стадийность разрушения. С помощью оптического, цифрового и электронного микроскопа установлены особенности разрушения на каждой стадии.