автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Усовершенствование способа получения композиционного материала на основе алюминия, упрочненного наночастицами, в поле действия центробежных сил

На правах рукописи

СИМОНОВА ЕКАТЕРИНА ВАСИЛЬЕВНА

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, УПРОЧНЕННОГО НАНОЧАСТИЦАМИ, В ПОЛЕ ДЕЙСТВИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ

Специальность 05.16.09 — Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2015 005570751

005570751

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Лопатин Владимир Юрьевич

Официальные оппоненты: Арзамасов

Владимир Борисович

Михеев Роман Сергеевич

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московск государственный машиностроительный университет (МАМИ)», профессор кандидат технических наук, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московски государственный технический университет им. Н. Э. Баумана», доцент федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН)

Защита диссертации состоится 18 июня 2015 года в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.110.04 при ФГБОУ ВПО «МАТИ -Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» по адресу: г. Москва, ул. Оршанская, 3, ауд. 220А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАТИ и на сайте http://rnati.ru/index.php/18-nauka/819-simonova-ekaterina-vasilevna.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, 3, МАТИ, ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан 28 апреля 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

С.В. Скворцова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Создание недефицитных дисперсно-упрочненных алюмоматричных композиционных материалов (КМ) для массового применения является весьма актуальной задачей материаловедения, и на сегодняшний день существуют три основных направления работ в указанной сфере: упрочнение материала матрицы за счет легирования, силовое воздействие на кристаллизующийся расплав и введение упрочняющих частиц наноразмера. Также остается актуальной тенденция к снижению количества легирующих элементов и упрочняющих частиц.

Очевидно, что при кристаллизации матриц КМ неизбежен ряд проблем, присущих литым материалам: ликвация, усадочные раковины, трещины, микрохимическая и микрофизическая неоднородность и т.д. Основным методом борьбы с этими недостатками является модифицирование расплава, однако оно связано с существенным изменением исходного состава и соответствующих свойств. Теоретически возможно бороться с дефектами литья и за счет изменения скорости охлаждения жидкого металла, но существующие методы достаточно трудоемки и требуют сложного аппаратурного оформления.

Стационарное давление, применяемое в промышленных процессах, повышает технологичность, но не оказывает существенного влияния на физические свойства металла. В последние годы значительный интерес проявляется к воздействию на кристаллизующийся расплав нестационарных силовых полей, в частности поля центробежных сил. Давление, прикладываемое к кристаллизующемуся расплаву под действием центробежных сил, оказывает серьезное влияние на основные теплофизические параметры жидкости: температуру плавления, коэффициент теплопроводности, удельную теплоемкость, скрытую теплоту кристаллизации, поверхностное натяжение, плотность, вязкость и др. Центробежное литье с целью улучшения заполнения формы расплавом нашло широкое применение в технологии литья с середины XX века.

Введение упрочняющих частиц наноразмера позволяет придать КМ особую структуру, уникальные механические, электронные, тепловые свойства, значительно превосходящие характеристики КМ, упрочненных частицами с размерами более 0,1 мкм. Учитывая сложности, возникающие при попытке добиться равномерного распределения в расплаве частиц наноразмера, обладающих высокой поверхностной энергией, в первую очередь из-за образования агломератов, технологии введения наночастиц в расплав для массового производства требуют существенного усовершенствования.

Введение упрочняющих частиц наноразмера (в малом количестве) при одновременном силовом воздействии на расплав с целью повышения их прочностных свойств КМ ранее не рассматривалось.

В связи с вышеизложенным, повышение прочностных свойств дисперсно-упрочненного алюмоматричного КМ за счет введения малого количества (до 0,5 %) упрочняющих наночастиц при воздействии поля центробежных сил, является актуальной задачей исследований в области материаловедения.

Цель работы

Цель работы - усовершенствование способа получения дисперсно-упрочненного КМ на основе алюминия в нестационарном силовом поле для повышения прочности на растяжение и изгиб.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать способы подготовки порошковой шихты с целью достижения гомогенного распределения упрочняющих частиц в расплаве.

2. Исследовать закономерности влияния параметров нестационарного силового поля и содержании упрочняющей фазы на формирование структуры и фазового состава КМ для оптимизации процесса.

3. Исследовать взаимосвязь между механическими свойствами и структурой КМ, полученных при различных условиях.

4. Провести сравнительные испытания для оценки механических свойств КМ, изготовленных по оптимальным режимам.

Научная новизна:

В области малых концентраций упрочняющей фазы (до 0,5 %) обнаружен экстремальный характер зависимости прочности КМ, что явилось экспериментальным подтверждением теоретического предположения Белова-Лурье о наличие дополнительного максимума в области малых количеств упрочняющих тугоплавких добавок.

Установлена связь между параметрами центрифугирования и структурой КМ, выражающаяся в том, что в процессе кристаллизации с увеличением гравитационного коэффициента (Ьу уменьшается размер зерна матрицы КМ, при сохранении равномерного распределения упрочняющих частиц, что приводит к увеличению прочности КМ.

На основе расчетов сил, действующих на частицу в расплаве при центрифугировании с в диапазоне значений 100 - 300, и результатов экспериментов установлено, что для частиц размером до 100 нм, К„ не влияет на равномерность их распределение в объеме расплава, что позволяет применять центрифугирование с большим КЕ, обеспечивающим формирование мелкозернистой структуры и высокую прочность материала.

Практическая значимость

Определены оптимальные параметры процесса введения дисперсных упрочняющих частиц гг02. А1203, наноразмера в алюминиевую матрицу, обеспечивающие их равномерное распределение.

На основе составленного теплового баланса изложницы и расчета тепловых потерь определены оптимальные параметры кристаллизации (температура, время) для алюминия в силовом поле центрифуги.

Определена зависимость времени кристаллизации от режимов центрифугирования и геометрии изложницы, на основе которых предложена модернизация установки — увеличение размера изложницы.

На основании проведенных исследований разработаны технологические рекомендации для изготовления проставочных колец на предприятии «УралМеталлГрафит» (г. Екатеринбург).

На защиту выносятся:

1. Предложенный способ введения упрочняющих частиц 7г02. А1203, 81зКГ4 наноразмера в металлическую матрицу в виде предварительно спрессованных лигатур;

2. Установленные закономерности формирования структуры КМ при введении упрочняющих тугоплавких частиц ЪтОг, А^Оз, 813К4 наноразмера в поле действия центробежных сил;

3. Выявленные зависимости влияния количества упрочняющих частиц и параметров центрифугирования на прочностные свойства КМ.

4. Рекомендации по технологическим режимам получения КМ на основе алюминия, упрочненного наноразмерными добавками и результаты испытания.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались на: IV Всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО 2011» (Москва, 2011), 9-ой Международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности. Новые композиционные материалы. Сварка» (Минск, Беларусь, 2011), II Всероссийской молодежной школе-конференции «Современные проблемы металловедения» (Пицунда, Абхазия, 2011), 3-ей Международной конференции «HighMatTech 2011» (Киев, Украина, 2011), 10-ой Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии: Порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка» (Минск. Беларусь, 2012), Международной конференции "Порошковая металлургия: её сегодня и завтра 60-летию Института проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины посвящается» (Киев, Украина, 2012), Всероссийской молодежной конференции «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы» (Москва, 2012), 11-ой Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии: Порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка» (Минск, Беларусь, 2014).

Публикации

По материалам диссертации имеется 5 публикаций, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 9 тезисов и докладов в сборниках трудов конференций, а также 1 патент.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованных источников и 1 приложения. Диссертация изложена на 136 страницах, содержит 21 таблицу, 63 рисунка, 63 формулы. Список использованной литературы содержит 143 источника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту, обозначена научная новизна работы, показаны теоретическая и практическая значимость.

В первой главе дан аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по состоянию исследований в области получения КМ на основе алюминия, упрочненных наноразмерными частицами различной природы и получаемых методами литья, в том числе центробежного; проанализированы основные тенденции и достигнутые результаты; приведены основные механические и эксплуатационные характеристики широко применяемых на сегодняшний день КМ.

Проанализированы механизмы упрочнения материалов наночастицами: основным механизмом является сопротивление со стороны частиц движению, как единичных дислокаций, так и достаточно мощных дислокационных образований, таких как субграницы и границы зерен. Рассмотрены традиционные зависимости прочностных характеристик от количества и размеров частиц.

Рассмотрены методы силового воздействия на материал при кристаллизации в автоклавах, прессах, центрифугах, поле ультразвука или под

действием вибрации. Показана перспективность получения металломатричных КМ в нестационарных силовых полях. Подробно описан применяемый на производстве способ получения КМ в поле центробежных сил центрифуги.

Рассмотрены проблемы, возникающие при введении ультрадисперсных материалов, такие как агломерация частиц и возникновение межфазного слоя (например, вокруг высокоактивных частиц 81С) и методы их решения, в частности - использование предварительно подготовленной порошковой лигатуры.

Содержание упрочняющих частиц в промышленно производимых КМ, составляет не менее 5 %, что согласуется с классической теорией упрочнения. Несколько лет назад была предложена теория Белова-Лурье о существовании двух и более максимумов на зависимости прочностных свойств от содержания армирующей наноразмерной фазы, что связано с различными механизмами упрочнения для малого (менее 0,5 %) и большого (4 - 10 %) количества добавок. Представлена технология упрочнения алюминиевой матрицы наноразмерными частицами и 2г02 с их содержанием 1 - 5 % об. Показано, что на кривой прочности имеется перегиб в интервале 1 - 3 % об., что может свидетельствовать о наличие дополнительного максимума при содержании упрочняющих частиц менее 1 %. Работ по упрочнению атюминиевой матрицы наноразмерными частицами с содержанием менее 1 % ранее не проводилось.

Во второй главе дано описание исходных материалов, методик исследования и используемого оборудования. Свойства исходных материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные материалы и их свойства.

Материал Характеристики

Матрица Алюминий особой чистоты А999 ГОСТ 11069-74 содержание примесей не более 0,001%

Упрочняющие частицы Средний размер 25 нм

гю2 Средний размер 88 нм

АЪСЬ Средний размер Збнм

Для приготовления лигатуры Алюминиевая пудра ПАГ-7 ГОСТ 5494-95 Активного алюминия не менее 90 %

В проводимых ранее работах использовали алюминий марки А99; алюминий особой чистоты использовали с целью исключения влияния примесей на прочностные свойства. Для оксидов алюминия и циркония выбран диапазон размеров, ранее не применяемый для получения КМ в центрифуге. Частицы вообще ранее не применяли в указанной технологии.

Нанопорошки изготовлены плазмохимическим методом в ООО «Плазмотерм».

Для обеспечения равномерного распределения упрочняющих частиц в объеме расплава их вводили в матричный материал в виде предварительно спрессованных брикетов из смеси алюминиевой пудры и упрочняющих частиц в соотношении 3 : 1. Впервые для определения влияния оксида алюминия, вносимого вместе с частицами пудры, на физические и технологические свойства КМ получали материал сравнения А999 - А1-пудра (без упрочняющих добавок).

Для обеспечения тщательного перемешивания порошков и дополнительного разрушения агломератов частиц использовали "мокрый" метод смешивания в изопропиловом спирте в поле ультразвука, (установка УЗДН-2Т, рабочая частота 44 кГц, время 5 минут). Ранее порошки перемешивали без применения жидкости и соответственно ультразвука.

Смесь порошков сушили в сушильном шкафу при температуре 60'С в течении 60 минут. Брикеты лигатуры формовали односторонним прессованием в стальной пресс-форме диаметром 12 мм при давлении 1,5 - 2 т/см2. Масса одного брикета 1 — 2 г.

Для обеспечения полного растворения брикетов в расплаве, перегретом на 50 "С выше температуры плавления, расплав выдерживали в течение 10 -15 минут при постоянном механическом перемешивании.

Лабораторная установка для получения литых КМ представляет собой центрифугальную машину с вертикальной осью, на которой закреплён ротор с изложницей, вращаемый электродвигателем с регулируемой скоростью. Преимущество данного метода заключается в возможности силового воздействия на расплав и варьирования прикладываемого давления в широких

пределах, что позволяет существенно влиять на структуру. В качестве недостатка следует указать ограничения по форме производимых деталей -возможно получение только кольцевой отливки, которую впоследствии можно видоизменить методами обработки металлов давлением. Схема изложницы с отливкой приведена на рисунке 1.

1 - Алюминиевое кольцо; 2 - графитовый тигель; 3 - стальной корпус Рисунок 1 - Изложница с отливкой

Расплав заливали в предварительно раскрученный до номинальных оборотов ротор с изложницей. Время центрифугирования составляло 1 минуту.

После полной остановки ротора отливку извлекали и охлаждали на воздухе до комнатной температуры. Скорость охлаждения составила в среднем 50 град/мин.

После полного охлаждения до комнатной температуры кольцевые отливки разрезали на сегменты, после чего от каждого образца отрезали темплеты на шлифы для изучения микроструктуры. Оставшиеся части сегмента разгибали без нагрева и вырезали из них образцы для определения механических свойств.

Кристаллизующийся материал при вращении испытывает переменные в радиальном направлении нагрузки. Для характеристики силового толя центрифуги традиционно используют термин - гравитационньш коэффициент (КЕ), показывающий, во сколько раз по сравнению с обычными условиями, возрастают силы, действующие на вращающийся расплав.

Для традиционного центробежного литья значение К6 находится в пределах 30 - 100, использование центрифуги позволяет увеличить его

значение до 300. Режимы центрифугирования задавали такими, что значения гравитационного Кв составили 200. 150, 100 при радиусе изложницы 75 мм (скорость вращения ротора — 19, 23 и 26 об/с, соответственно).

Центробежная сила, возникающая при вращении ротора с изложницей, воздействует на частицы упрочняющей фазы, находящиеся в расплаве. Она позволяет разрушить имеющиеся агломераты и обеспечивает сегрегацию по плотности: более плотные частицы смещаются к внешнему краю изложницы, менее плотные - к внутреннему.

Давление, возникающее в расплаве за счет действия центробежной силы, оказывает в свою очередь существенное влияние на свойства материала матрицы (способствует уплотнению, снижению температуры кристаллизации). Значение давления определяли как отношение центробежной силы, возникающей в расплаве, к площади, к которой эта сила приложена.

Значения К,, на внешней и внутренней границе отливки и значение давления для используемых режимов центрифугирования приведены в таблице 2.

Таблица 2 Основные параметры центрифугирования

Скорость вращения ротора,об/сек Kg на внешней поверхности Kg на внутренней поверхности Давление в расплаве, МПа

19 100 89 20

23 150 134 30

26 200 179 40

Структуру полученных КМ на основе алюминия, упрочненных дисперсными наночастицами, характер излома и распределение упрочняющих частиц, а также влияние количества упрочняющей фазы и параметров центрифугирования на структурные показатели изучали с помощью оптической (оптический инвертированный фотомикроскоп отраженного света NEOPHOT-21) и электронной микроскопии (сканирующий электронный микроскоп Hitachi S-3400N).

Количественное содержание элементов в КМ, а также их распределение определяли с помощью растрового электронного микроскопа с рентгеновским

микроанализатором САМЕВАХ-МВХ 70. Параметры решетки рассчитывали на основе данных рентгенофазового анализа, с использованием дифрактометра ДРОН-2,0.

Механические свойства на растяжение и изгиб определяли с помощью испытательной машины Ни8-2010г системы МРЬ.

Испытания на ударную вязкость проводили на маятниковом копре модели КМ-30А с максимальной энергией удара 294 Дж.

Оценку погрешности измерений и математическую обработку полученных результатов проводили с использованием стандартных статистических методов.

В третьей главе приведены результаты исследований влияния количества вводимых наноразмерных частиц и параметров силового поля центрифуги на структуру КМ.

Установлено, что время кристаллизации отливки уменьшается с увеличением К„, что способствует измельчению зерна и достижению более однородной структуры за счет увеличения количества центров кристаллизации. Время кристаллизации оценивали как отношение теплосодержания перегретого расплава к величине потерь через стенки изложницы и излучению торцевых поверхностей и внутренней поверхности отливки на основе теплового баланса кристаллизатора, составленного для каждого режима центрифугирования. При составлении теплового баланса учтены известные зависимости температуры кристаллизации алюминия от приложенного давления.

Определено, что в диапазоне давлений в расплаве от 0 до 40 МПа, которому соответствует повышение температуры кристаллизации алюминия с 933 до 959 К, время кристаллизации снижается с 31,2 до 25,5 с.

Уменьшение времени, необходимого для кристаллизации отливки свидетельствует об увеличении скорости кристаллизации за счет увеличения количества ее центров. Металлографический анализ показал измельчение зерна отливки с увеличением Кг при одинаковом содержании упрочняющих частиц (для изучения влияния Кв на размер зерна было выбрано содержание упрочняющих части 0,5 %).

На рисунке 2 приведены структуры КМ А1-А1203, материалы с другими упрочняющими частицами имеют аналогичную структуру.

Рисунок 2 -Микроструктура КМ А1-А1203. а)К8 = 30(^; б)Кв=100ё

На образцах всех составов наблюдается градиент по размеру зерен: крупные зерна (30 -50 мкм) располагаются по внутренней границе, а более мелкие зерна (10-20 мкм) - по внешней, что объясняется зависимостью К8 от радиуса центрифуги. Примечательно, что с увеличением К8, наблюдалась более однородная структура за счет увеличения центров кристаллизации, размер всех зерен составляет 30 - 40 мкм.

Исходя из зависимости формы и размера зерна от К8, можно сделать вывод, что оптимальным является гравитационный коэффициент 300, при котором достигается наиболее равномерная структура зерен отливки.

Известно, что на частицу в расплаве действуют следующие силы: центробежная сила, перемещающая частицу от оси изложницы к её краю и противоположная ей сила сопротивления вязкой среды. Очевидно, что скорость перемещения упрочняющих частиц в расплаве будет определяться соотношением действующих на частицу сил. Расстояние пройденное частицей будет зависеть от времени, в течение которого частица находилась в движении, т.е. времени от начала вращения изложницы с расплавом, до начала кристаллизации расплава, т.е. до момента, когда температура расплава достигнет значения температуры плавления при данной скорости вращения ротора. Скорость движения частиц определяли по закону Стокса для расчета

ламинарного движения частицы в вязкой среде.

Результаты расчетов показали, что в диапазоне значений КЁ от 100 до 300 расстояние, пройденное частицами до момента кристаллизации матрицы, изменилось от 1,2 до 1,5 мкм, что в масштабах рассматриваемой кольцевой отливки является несущественным. Т.е. при обеспечении равномерного распределения упрочняющих частиц в исходном расплаве гарантировано равномерное распределение частиц по объему кольцевой отливки.

По известной формуле провели оценку размеров критического зародыша для использованных режимов кристаллизации. Расчетные данные приведены в таблице 3.

Таблица 3 Влияние параметров центрифугирования на радиус критического зародыша при кристаллзации

Давление, МПа Температура кристаллизации, К Переохлаждение расплава, К Радиус критического зародыша, нм

0 933 50 100

20,1 946 37 87

30,1 952 31 81

40,1 959 24 97

Результаты расчета свидетельствуют о том, что радиус критического зародыша близок к радиусу упрочняющих наночастиц. Следует отметить, что при увеличении скорости вращения ротора размер критического зародыша существенно увеличивается. При кристаллизации по описанным режимам радиус критического зародыша несущественно больше размера упрочняющих частиц, следовательно, кристаллизация может начинаться как на частицах, так и в объеме расплава

Методом просвечивающей электронной микроскопии пленок КМ показано, что частицы упрочняющей фазы располагаются преимущественно внутри зерна, а также по границам субзерен. Для всех составов КМ характерна повышенная плотность дислокаций в области контакта частицы и матрицы. Результаты исследования микроструктуры в тонких пленках представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 - ПЭМ-структура КМ: а) дислокации вокруг частиц 813Ы4; б) дислокации вокруг частиц 1т02: в) частицы А]203 в зерне матрицы.

Исследование структуры КМ на шлифах показало наличие фрагментов оксидных пленок, распределенных преимущественно по границам зерен, которые оставалась в КМ при расплавлении частиц алюминиевой пудры в результате введения упрочняющих частиц в виде порошковых лигатур. Дополнительной серией экспериментов с введением в матрицу порошковой лигатуры без упрочняющих частиц установлено, что оксидные пленки не оказывают влияния на прочностные свойства, в силу их малого содержания и площади.

Микрофотографии изломов КМ А1-813М4 с содержанием упрочняющих частиц (0,05 и 0,5 %) приведены на рисунке 4, микроструктуры изломов КМ других составов аналогичны.

Рисунок 4 - вЕМ-структура изломов КМ АЬЭЬ^, а) доля армирующей фазы 0,5 %; б) доля армирующей фазы 0,05 %

Фрактографический анализ показал, что для всех составов КМ излом вязкий, проходящий по телу зерна, что характерно для алюминиевой матрицы.

15

Зона излома светлая, почти белая, с ямочным микрорельефом. Вводимые наночастицы располагаются внутри зерна и не охрупчивают получаемый КМ.

В четвертой главе представлены результаты исследований механических свойств и выполнены соответствующие расчеты, установлены зависимости физико-механических свойств от содержания упрочняющей фазы и даны соответствующие объяснения. Давление, приложенное к расплаву, для всех составов было выбрано равным 40 МПа.

Полученные данные согласуются с теорией Белова-Лурье о существовании дополнительного максимума свойств на малых содержаниях упрочняющих наночастиц, основанной на математических моделях пластичных сред с равномерно распределенными жесткими включениями и модельных экспериментах.

В работах Белова-Лурье высказано теоретическое предположение, что при малых содержаниях упрочняющих частиц каждая частица ведет себя так, как если бы она была одна в бесконечной среде матрицы, т.е. любыми взаимодействиями между частицами пренебрегают. Упрочнение КМ осуществляется за счет точечных дефектов в объеме кристалла, концентрация которых увеличивается с увеличением армирования. Также изменение свойств композита объясняется наличием промежуточной зоны на границе контакта включения и матрицы, так называемого межфазного слоя с особыми механическими свойствами. Описанные в литературе результаты исследования изменения характеристик и напряженно-деформированного состояния в межфазной зоне материала показывают, что в приближении к наночастице модули упругости матрицы существенно увеличиваются и должна увеличиваться плотность матрицы. Так же описывается существенное увеличение внутренних напряжений в области, прилегающей к частицам.

В проведенной работе обнаружено увеличение межплоскостных расстояний алюминия в КМ при введении наноразмерных упрочняющих частиц. Рентгенофазовый анализ показал увеличение периода решетки до 4,048 А при введении вЬ^ и А1203 и до 4,077 А при введении гю2 (период

решетки для чистого алюминия 4,040 А).

При исследовании прочности образцов на растяжение был обнаружен экстремум в интервале от 0,02 до 0,05 % по объему для всех нанодобавок, что позволяет говорить о действии механизма упрочнения, предсказанного теоретически Беловым-Лурье. Графики зависимости прочности КМ от содержания упрочняющих частиц приведены на рисунке 5.

Содержание армирующей фазы, % об. Рисунок 5 - Зависимость прочности на растяжение от содержания нанодобавки

Увеличение концентрации нанодобавки до 0,03 % по объему приводит к большим искажениям кристаллической решетки, что способствует торможению дислокаций и следовательно максимальному упрочнению.

При увеличении концентрации выше 0,03% по объему начинается пересыщение материала точечными дефектами, что приводит к снижению свойств материала.

До указанных концентраций частицы располагаются внутри зерна. Увеличение содержания наночастиц приводит к увеличению размеров зерна, поскольку размер частиц существенно меньше размеров критического зародыша, и зерно в процессе роста захватывает новые частицы. При увеличении концентрации, частицы начинают залегать не только внутри зерна, но и по границам (что подтверждается результатами ПЭМ), тем самым, блокируя границы зерен и субзерен.

Таким образом, в КМ, упрочненных малым количеством наноразмерных частиц, одновременно действуют два противоположных механизма упрочнения, что характеризуется сложной зависимостью свойств от их содержания: с одной стороны увеличение точечных дефектов до определенного критического значения приводит к упрочнению, а после пресыщения к разупрочнению, с другой увеличение размеров зерна снижает механические свойства, а блокировка границ зерен выделяющимися по ним частицами, соответственно, повышает прочность.

В дальнейшем повышение прочности объясняется классической теорией дисперсного упрочнения. По мере увеличения количества частиц, то есть уменьшения расстояния между ними, затрудняется движение дислокаций, что увеличивает прочность КМ. Наночастицы обволакивают зерно и не дают ему расти, что приводит к мелкозернистой структуре, следовательно, к повышению прочностных свойств.

Различный характер кривых при содержании частиц более 0,1% по об. определяется их характером, а также их влиянием на межфазный слой. Сферические частицы диоксида циркония вносят наименьшее количество дефектов в матрицу, поэтому эффект разупрочнения при пресыщении дефектами существенно меньше, чем эффект упрочнения от стабилизации границы зерна. В то же время, в случае частиц нитрида кремния неправильной формы количество вносимых дефектов существенно и соответственно влияние этого фактора также сопоставимо с влиянием размера зерна.

Что касается оксида алюминия, то его наночастицы имеют форму близкую к округлой, соответственно два механизма упрочнения действуют одновременно, поэтому при испытаниях на растяжение наблюдается спад, при испытании на изгиб наоборот прирост прочности.

Зависимость прочности на изгиб от содержания армирующих частиц представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Зависимость прочности на изгиб от содержания армирующих наночастиц

Зависимость модуля упругости при испытаниях на изгиб от содержания армирующих частиц представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Зависимость модуля упругости от содержания армирующих наночастиц

Относительное изменение модуля упругости дисперсно-упрочненных КМ по сравнению с модулем упругости алюминиевой матрицы определяется:

- объемной концентрацией включений;

- отношением модулей матрицы и включений;

- формой включений (существенно зависит от соотношения минимального и максимального размеров включений);

- ориентацией включений.

В соответствии с теорией упругости относительное изменение модуля

19

упругости КМ, армированного наночастицами, по сравнению с модулем упругости материала матрицы почти не зависит от абсолютного размера включений при одинаковой концентрации.

Введение упрочняющих нанодобавок, а также действие центробежных сил поля центрифуги значительно повышают ударную вязкость КМ на основе алюминия. Зависимость ударной вязкости от содержания армирующих наночастиц представлена на рисунке 8.

Рисунок 10 - Зависимость ударной вязкости от содержания армирующих наночастиц

Ударная вязкость в значительной мере отражает состояние поверхности образца, т.к. распределение деформации в образце неравномерно и часто бывает сосредоточенно, в основном, в поверхностных слоях. Наличие твердых поверхностных слоев понижает ударную вязкость, а мягкие поверхностные слои повышают ее. Испытания на ударную вязкость или ударный изгиб (КС) проводятся для оценки надежности и работоспособности материалов в условиях динамического нагружения и их склонности к хрупкому разрушению, которые, в свою очередь, зависят от скорости изменения нагрузки и "мягкости" напряженного состояния. Поскольку вязкость (в том числе ударная) является интегральной характеристикой, зависящей одновременно от прочности и пластичности, то она более резко реагирует на изменения структурного состояния материалов.

Таким образом, было установлено, что для всех применяемых

упрочняющих частиц возможно повышение прочности КМ при кристаллизации расплава в поле центрифуги. Для заданных размеров изложницы оптимальной скоростью вращения ротора были приняты 22 об/с, что соответствует давлению 30,1 МПа, поскольку при указанном режиме центрифугирования формируется наиболее равномерная зеренная структура КМ. Максимум прочностных свойств достигается при содержании упрочняющих частиц 0,01 - 0,03 % об., что экспериментальным доказательством теоретического предположения Белова-Лурье примере алюминиевой матрицы.

ВЫВОДЫ

1. Усовершенствован способ получения КМ на основе алюминия, упрочненного малым количеством (до 0,5 %) наноразмерных тугоплавких частиц, в поле действия центробежных сил; установлено, что для частиц размером до 100 нм, при любом значении гравитационного коэффициента достигается равномерное распределение частиц.

2. Обнаружено, что в области малых концентраций упрочняющей фазы (до 0,5 %) зависимость прочности КМ носит экстремальный характер, что является экспериментальным подтверждением теоретического предположения Белова-Лурье о наличие дополнительного максимума в области малых количеств упрочняющих тугоплавких добавок;

3. Установлена связь между параметрами центрифугирования и структурой КМ, выражающаяся в том, что в процессе кристаллизации с увеличением гравитационного коэффициента уменьшается размер зерна матрицы КМ, при сохранении равномерного распределения упрочняющих частиц, что приводит к увеличению прочности КМ.

4. На основе составленного теплового баланса изложницы и расчета тепловых потерь определены оптимальные параметры кристаллизации (температура, время) для алюминия в силовом поле центрифуги, а также зависимость указанных параметров от режимов центрифугирования, на основе которых предложена модернизация изложницы.

Основные результаты диссертационной работы представлены в публикациях:

1. Симонова, ЕВ. Структура и свойства алюмоматричных композиционных материалов, полученных в нестационарном силовом поле и упрочненных наноразмерными добавками / Е.В. Симонова, В.И. Костиков, В.Ю. Лопатин // Известия ЮЗГУ. Техника и технологии. -2014 - №6. - С. 52-60,

2. Симонова, Е.В. Влияние нестационарного силового поля на параметры кристаллизации алюминия. / Е.В. Симонова, С.И. Герцык, Ж В. Еремеева и др. // Перспективные материалы. - 2014. - №8. - С. 73-78;

3. Симонова, Е.В. Особенности упрочнения металломатричных композизионных материалов при введении малого количества наноразмерных упрочняющих добавок. / Е.В. Симонова, Ж.В. Еремеева, В.Ю. Лопатин // Известия МГТУ МАМИ - 2014 - (944) №2 -С. 49-51;

4. Чебрякова, Е.В. Поиск альтернативных методов контроля качества жаропрочных сплавов. / Е.В. Чебрякова, А.Е. Князев, М.М. Форсунова. // Технология легких сплавов-2009-№4,-С. 47-49.

5. Симонова, Е.В. Изучение влияния добавки 7.г02 (нано) на структуру и свойства КМ на основе алюминия, полученного кристаллизацией в поле центробежных сил центрифуги / Е.В. Симонова, Л.В. Павлова, В.И. Костиков, и др. // Нанотехнологии наука и производство. -2013 - 1(22). - С. 48-57.

6. Чебрякова, Е.В. Особенности механизма упрочнения металлических матриц наночастицами тугоплавких соединений / Е.В. Чебрякова, В.И. Костиков, В.Ю. Лопатин// IV Всероссийская конференция по наноматериалам НАНО 2011: Сборник матер,- М.: ИМЕТ РАН, 2011.-С. 460.

7. Чебрякова, Е.В. Способ создания металломатричных композитов на основе алюминия, упрочненного наночастицами / Е.В. Чебрякова, В.И. Костиков, В.Ю. Лопатин, и др. // IV Всероссийская конференция по наноматериалам НАНО 2011: Сборник матер,- М.: ИМЕТ РАН, 2011.-С. 465.

8. Чебрякова, Е.В. Особенности механизма упрочнения металлических матриц наночастицами тугоплавких соединений. / Е.В. Чебрякова, В.И. Костиков, В.Ю. Лопатин, и др.// Инженерия поверхности. Новые композиционные материалы. Сварка. В 2 ч. Ч. 1 Матер, междунар. симп., провод, в рамках 13-й междунар. выставки "Порошковая металлургия -2011", 9-й междунар. выставки "Сварка и резка-2011", междунар. спец. салона "Защита от коррозии. Покрытия - 2011". - Минск: Институт порошковой металлургии ГНПО ПМ НАН Беларуси,-2011.-С. 162-168.

9. Чебрякова, Е.В. Особенности механизма упрочнения металлических матриц наночастицами тугоплавких соединений / Е.В. Чебрякова. // 66-е дни науки студентов

МИСиС: международные, межвузовские и институтские научно-технические конференции. -М.,2011.-С. 157.

10. Чебрякова, Е.В. Разработка технологии и исследование свойств композиционного материала AI-ZiC>2, полученного в поле центрифуги / Е.В. Чебрякова. // II Всероссийская молодежная школа-конференция «Современные проблемы металловедения»: Сборник трудов, Пицунда, Абхазия, 16-20 мая 2011 г. - М.: Изд.Дом МИСиС, 2011. - С. 422-429.

11. Чебрякова, Е.В. Разработка технологии получения и исследование свойств металломатричного композиционного материала Al-Zr02 / Е.В. Чебрякова, В.И. Костиков,

B.Ю. Лопатин// 3-я Международная конференция «HighMatTech 2011»: Тезисы докладов. -Киев: НТУ Украины «КПИ», 2011,- С. 365.

12. Симонова, Е.В. Технология получения композиционных материалов на основе алюминия, упрочненных дисперсными наночастицами / Е.В. Симонова, В.И. Костиков, О.В. Анисимов, и др. // 10-я Международная научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии: Порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка»: Тезисы докладов - Минск: Институт порошковой металлургии ГНПО ПМ HAH Беларуси, 2011.-С. 181-183.

13. Симонова, Е.В. Исследование технологических параметров получения дисперснонаполненных алюмоматричных композиционных материалов, влияющих на механические и трибологические свойства / Е.В. Симонова, Л.В. Викулова, Ж.В. Еремеева, и др. // Международная конференция «Порошковая металлургия: её сегодня и завтра 60-летию Института проблем материаловедения им. И.Н. Францевича HAH Украины посвящается»: Тезисы докладов,.-Киев, 2012. - С. 198-199.

14. Симонова, Е.В. Влияние технологических параметров центрифугирования на механические и трибологические свойства алюмоматричных композиционных материалов, упрочненных наночастицами / Е.В. Симонова, Л.В. Викулова, Ж.В. Еремеева, и др. // Всероссийская молодежная конференция «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы»: Материалы конференции. - М.: Изд-во МГОУ им. B.C. Черномырдина, 2012. -

C. 26-27.

15. Пат. 2499849 Российская Федерация. Способ получения композиционного материала на основе сплава алюминий-магний с содержанием нанодисперсного оксида циркония. / Симонова Е.В., Викулова Л.В. , Костиков В.И., Еремеева Ж.В., Анисимов О.В. опубл.: 27.11.2013.