Вплив термоциклічної обробки на субструктурне зміцнення композиційних матеріалів з алюмінієвою матрицею Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 1 63 Лисий М.В.,* Білюк А. І.,** Слободяник А.Д.* * Вінницький національний технічний університет, ** Вінницький державний педагогічний університет, м. Вінниця, Україна E-mail: mykhailo-lysyi@mail.ua ВПЛИВ ТЕРМОЦИКЛІЧНОЇ ОБРОБКИ НА СУБСТРУКТУРНЕ ЗМІЦНЕННЯ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ З АЛЮМІНІЄВОЮ МАТРИЦЕЮ УДК 539.67.669.017 Встановлено можливості забезпечення високоміцного стану композиційних матеріалів на основі алюмінію та його сплавів, армованих волокнами бору, шляхом формування в матриці субструктури та її стабілізації домішко- вими атомами, комплексами таких атомів і дисперсними фазами. Запропоновано оптимальні режими їх термоциклю- вання в напруженому стані, що зумовлюють формування в матриці композитів субструктури. Ключові слова: субструктурне зміцнення, волокнисті композиційні матеріали, внутрішнє тертя, дисло- кації, термоциклювання. Вступ Науково - технічний прогрес пов’язаний зі створенням матеріалів із заданими властивостями, до яких насамперед належать композиційні матеріали, як такі, яким властиві необмежені функціональні властивості, значне зниження маси та одночасне підвищення надійності, збільшення терміну експлуата- ції в екстремальних умовах. Серед композитів особливе місце посідають упорядковано-армовані матері- али з матричною структурою. Найперспективнішими комбінованими методами зміцнення матеріалів є армування високоміцними волокнами субструктурнозміцненої матриці та комбіноване використання ефектів зміцнення шляхом виділення дисперсних фаз в армованій матриці із сформованою в ній термічно стабільною субструктурою. На користь і доцільність формування субструктури в алюмінієвій матриці волокнистих компози- ційних матеріалів (ВКМ) з однонаправленими волокнами свідчить різка анізотропія їх міцнісних власти- востей. Такий композиційний матеріал максимально міцний уздовж волокон. У поперечному напрямі мі- цність матеріалу за доброго зв’язку між волокном і матрицею визначають міцністю матриці ВКМ зага- лом. Матеріали та методика досліджень У роботі досліджено вплив термоциклічних обробок на структурні зміни ВКМ АМ 40–В та гіб- ридного композиційного матеріалу на основі боралюмінію, який додатково армованого тонкими стале- вими сітками трикотажної структури. Завдяки такій структурі вдається підвищити рівень тріщиностійко- сті й міцність під час циклічних навантажень. Саме цьому значною мірою сприяє спеціальне конструю- вання макроструктури матеріалу, під час якого шляхом регулювання послідовності чергування армую- чих шарів, об’ємному вмісту волокон, товщини матричних прошарків створюється структура, у якій під навантаженням реалізуються як мікропластичні деформації, так і конструкційне внутрішнє тертя (ВТ) (рис. 1). Рис. 1 – Поперечний переріз композиту (0 – волокна бору, х – сталева сітка) В експериментах використовували механічну спектроскопію, яка грунтується на здатності твер- дих тіл розсіювати енергію механічних коливань унаслідок внутрішнього тертя. Внутрішнє тертя перед- Вплив термоциклічної обробки на субструктурне зміцнення композиційних матеріалів з алюмінієвою матрицею Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 1 64 бачає дослідження температурних і амплітудних залежностей внутрішнього тертя (ВТ), які дозволяють розраховувати найбільш характерні параметри структурних перетворень, а відтак і висловити найімові- рніші припущення про фізичну природу, механізми й кінетику процесів, що лежать в основі цих перет- ворень. Використовували зразки прямокутного перерізу, вирізані електроіскровим методом із листа ком- позиційного матеріалу вздовж волокон. Дослідження температурної залежності внутрішнього тертя (ТЗВТ) проводили на оберненому крутильному маятнику за частоти коливань 1 Гц. Зазвичай мірою ВТ вважають відносні втрати        W W енергії, розсіяної за цикл:                W W Q 2 1 або        n AA Q n /ln1 , де nAA / – початкова і кінцева амплітуди коливань, n – кількість коливань [1] . Результати досліджень Методом механіко - термічної обробки неможливо сформувати субструктуру в КМ, тому пропо- нується формування субструктури в таких матеріалах шляхом багаторазового термоциклювання. На від- міну від стандартних методів термообробки (ТО), під час ТЦО з’являються додаткові джерела впливу на структуру, властиві тільки процесу неперервної зміни температури, основними з яких є фазові перетво- рення, градієнти температури, термічні та міжфазні напруження. Авторами пропонується створити в композиційному матеріалі високу густину дислокації за до- помогою високотемпературної термоциклічної обробки в інтервалі температур 300 - 20 °С, 400 - 20 °С, 600 - 20 °С, 750 - 20 °С. За допомогою термічної активації в полях зовнішніх напружень пропонується перерозподілити дислокації у субграниці [2, 3]. Відомо, що в алюмінії та волокнистих композиційних матеріалах з алюмінієвою матрицею у процесі формування і стабілізації зміцнювальної субструктури на температурній залежності внутрішньо- го тертя проявляються три непружні ефекти [4, 3], спричинені: ефект А (220 °С) – взаємодією дислокацій у стінках із точковими дефектами, що дифундують уздовж субграниць; ефект В (260 °С) – неконсервати- вним рухом дислокацій у стінках; ефект С (310 °С) – взаємодією окремих дислокацій та їх скупчень усе- редині полігонів із дислокаціями, які утворюють малокутові границі. Результати досліджень показують: термоциклювання композиту алюміній-бор, де матрицею слу- жить сплав АМ – 40 , в інтервалі 400 - 20 °С не зумовлює формування розвинутої дислокаційної субстру- ктури, тому що наявність значної кількості домішок, їх комплексів і окремих виділень ефективно блокує утворені дислокації і перешкоджає їхньому шикуванню в дислокаційні стінки. Субструктура не отримує значного розвитку (рис. 2). 100 200 300 400 100 200 300 T,0C Q-1·104 400 2 1 Рис. 2 – Температурна залежність внутрішнього тертя композиційного матеріалу АМ40-бор після термоциклювання в інтервалі 400 – 20˚С(криві нагрівання):1 – 0 ТЦО, 2 – 30 ТЦО Подальше розширення інтервалу термоциклювання від 600° до 20 °С створює сприятливі умови для формування зміцнюючої субструктури. Про це свідчать непружні ефекти при 200 °С, 260 °С і 300 °С (рис. 3). Вплив термоциклічної обробки на субструктурне зміцнення композиційних матеріалів з алюмінієвою матрицею Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 1 65 Рис. 3 – Температурна залежність внутрішнього тертя композиційного матеріалу АМ40 – бор після термоциклювання в інтервалі 600 – 20˚С(криві нагрівання): 1 – 2 ТЦО; 2 – 5 ТЦО; 3 – 20 ТЦО; 4 – 30 ТЦО Збільшення кількості термоциклів обумовлює зростання усіх трьох ефектів. Таким чином, під- вищення температури загартування до 600 °С з одного боку зумовлює розчинення наявних виділень у матриці композиту, а з іншого боку, після загартування фіксується підвищення концентрації термічних вакансій. Підвищення концентрації вакансій полегшує неконсервативний рух дислокацій та їх перероз- поділ. Формується розвинута субструктура. У міру зростання кількості термоциклів до утворення розви- нутої субструктури відбувається зменшення високотемпературного фону внутрішнього тертя (рис. 3). Однак подальше термоциклювання, внаслідок інтенсивної хімічної взаємодії на межі волокно – матриця, може призвести до утворення крихких перехідних зон, які складаються з інтерметалідних з’єднань. Формування субструктури в матриці ВКМ забезпечує її зміцнення. Підтвердженням цього є ре- зультати вимірювання мікротвердості. Зміцнення матриці на початкових стадіях термоциклювання не є однаковим по всьому об’єму. Найменша мікротвердість – посередині між волокнами. Із наближенням до волокон мікротвердість зростає. Завершене формування субструктури майже вирівнює значення мікрот- вердості по всьому об’єму матриці. Дослідження температурної залежності внутрішнього тертя гібридного композиційного матеріа- лу алюміній – бор – сталь засвідчило, що формування розвинутої субструктури під час термоциклювання в температурному інтервалі 300 °С – 20 °С відбувається через 10 - 12 термоциклів (рис. 4). 100 200 300 400 500 600 100 200 300 T,0C Q-1·104 1 2 C B A Рис. 4 – Температурна залежність внутрішнього тертя гібридного композиційного матеріалу алюміній – бор – сталь після 12 термоциклів в інтервалі температур 3000С до 200С: 1 – нагрівання; 2 – охолодження При цьому субструктурні ефекти краще проявляються на кривих охолодження. На кривих нагрі- вання спостерігається лише перегин в районі проявлення піку, зумовленого рухом точкових дефектів уз- Вплив термоциклічної обробки на субструктурне зміцнення композиційних матеріалів з алюмінієвою матрицею Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 1 66 довж дислокацій та дислокаційних стінок. Переповзання дислокацій та дислокаційних скупчень розта- шованих усередині полігонів, заблоковано. Нагрівання під час вимірювання до 4500С і витримки за цієї температури близько 5 хвилин розблоковує дислокації і під час охолодження ці ефекти проявляються до- сить чітко. Крива охолодження розташована вище кривої нагрівання. Подальші термоциклічні обробки мало впливають на характер внутрішнього тертя. Криві нагрівання-охолодження утворюють гістерезис, площа якого за перших термоциклів зменшується в тричі , а потім її величина зростає, досягаючи наси- чення після 10 термоциклів. Площа петлі гістерезису характеризує процес накопичення дефектів у ком- позиті, дає відомість про ступінь пошкодження його під час термоциклювання, а також вказує на зміну параметра кристалічної гратки, що зумовлено виділенням додаткової фази в матриці, яка блокує дисло- кації в стінках субструктури. Великий гістерезис після ТЦО свідчить про значне закріплення дислокацій атмосферами домішок. Висновки Високоміцного стану композиційних матеріалів на основі алюмінію та його сплавів можна дося- гнути , армуючи їх волокнами бору з подальшим формуванням у матриці субструктури з її стабілізацією домішковими атомами, їх комплексами й дисперсними фазами. Сформована субструктура в матриці ВКМ підвищує їх жароміцнісні властивості, які підтвер- джуються зменшенням високотемпературного фону внутрішнього тертя й підвищенням мікротвердості. У матриці гібридних композиційних матеріалів формування субструктури відбувається за ниж- чих температур термоциклювання (300 °С - 20 °С). Субструктурні ефекти краще проявляються на кривих охолодження. Криві нагрівання – охолодження утворюють гістерезис, площа якого під час перших термоциклів зменшується в тричі , а потім її величина зростає, досягаючи насичення після 10 термоциклів, що вказує на зміцнення матеріалу. В алюмінієвій матриці потрійного композиту в окремих випадках субструктура формується вже в процесі їх виготовлення. Література 1. Даринский В. М. Внутреннее трение обусловленное движением дислокационных стенок / В. М. Даринский, Ю. А.Федоров // ФММ. – 1970. – Т.30. – Вып. 6. – С. 1279 –1286. 2. Зузяк П. М. Контроль дислокационной структуры материала методом регрессионного ана- лиза /П.М. Зузяк, А.И. Билюк, И.И. Федорчук // Материалы 7–й Российской научно-технической конференции "Демпфирующие материалы''. – Киров. – 1994. – С.142. 3. Федюкин В. К. Термоциклическая обработка деталей и машин/В.К. Федюкин, М.Е. Смаго- ринський // Ленинград. Машиностроение – 1989. – 255 с. 4. Лисий М. В. Субструктурне зміцнення волокнистих композиційних матеріалів / М. В. Лисий, П. М.Зузяк, Ю. О. Чернуха, В. М. Сайчук // Металлофизика и новейшие технологии. – 2003. – №3. – С. 279 - 285. 5. Лисий М.В. Формування зміцнюючої субструктури в композиційних матеріалах на основі алюмінію / М.В. Лисий, О.В. Мозговий, А.І. Білюк // Вісник ВПІ-ВНТУ. – 2012. – № 3. – С. 148 - 153. Поступила в редакцію 14.02.2017 Вплив термоциклічної обробки на субструктурне зміцнення композиційних матеріалів з алюмінієвою матрицею Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 1 67 Lysiy M., Biliuk A., Slobodianyk A. Impact of thermo-cycling treatment on sub-structural reinforcement of composition materials of aluminum matrix. The possibilities are revealed to ensure the high–strength state of composite materials based on aluminium and its alloys armoured with boron fibres by forming substructure in a matrix and its stabilizing with impurity atoms, complexes of such atoms, and disperse phases. Optimal modes of thermocycling in a stressed state are proposed that provide the formation of substructure Key words: sub - structural reinforcement, composite materials, internal fricnion, dislocations, thermocycling. References 1. Darynskyi V. M. Internal friction, caused by the motion of dislocation walls. Darynskyi V. M., Fe- dorov Yu. A./ FMM. 1970. Т. 30. Issue. 6. P. 1279 – 1286. 2. Zuziak P. M. Control of dislocation structure of the material, by the method of regressive analysis. Zuziak P. M., Biliuk A. I., Fedorchuk I. I. Materials of the 7-th Russian scientific – engineering conference”Demping materials’. Kirov. 1994. P. 142. 3. Fediukin V. K. Thermocycling processing of pieces and machines. Fediukin V.K., Smagorinskyi M.E. Leningrad. Machine building,1989. 255 p. 4. Lysuyi M. V. Substructural strengthening of fiber composite materials. Lysuyi M. V., Zuziak P. M., Chernukha Yu. O., Saichuk V. M. Metallophysics and modern technologies, 2003. №3. P. 279 – 285. 5. Lysuyi M. V. Formation of reinforcing substructure in composite materials on the base of aluminium. Lysuyi M. V., Mozgovyi O. V., Biliuk A. I. Bulletin of VPI-VNTU. 2012. №3. P. 148 – 153.