В современном машиностроении из алюминиевых сплавов изготавливают детали автомобилей, корпуса приборов, авиационные узлы и другие важные вещи. Но хрупкость и ненадежность материала сильно ограничивают его применение.
Ученые Томского государственного университета нашли способ значительно улучшить свойства литейного алюминиевого сплава АК12 (силумина), который широко используется в автомобилестроении и авиации. Добавка всего 1% базальтовых волокон в сочетании с ультразвуковой и вибрационной обработкой расплава повысила предел прочности композита на 25%, увеличила его твердость и пластичность. Исследование поддержано министерством науки и высшего образования Российской Федерации.
Алюминиевые сплавы типа силуминов — одни из самых востребованных материалов в промышленности. Они легкие, прочные, хорошо льются и не подвержены коррозии. Однако у силуминов есть недостаток: в их структуре образуются хрупкие игольчатые включения — кремний и интерметаллиды, которые снижают пластичность и надежность готовых изделий.
К примеру, один из типичных представителей таких сплавов — АК12 — содержит 10–13% кремния, а также примеси железа и магния, образующие интерметаллидные фазы типа Al5FeSi и Al15(Fe, Mn)3Si2.
Сотрудники научно-исследовательской лаборатории высокоэнергетических и специальных материалов ТГУ на базе научного центра мирового уровня «Новые материалы специального назначения» под руководством директора центра и главного научного сотрудника лаборатории Александра Ворожцова нашли способ решить проблему твердости и пластичности.
«Один из перспективных путей модификации алюминиевых сплавов — армирование неметаллическими волокнами. В последние годы растет интерес к базальтовым волокнам, они отличаются высокой жесткостью, термостойкостью и химической инертностью при сравнительно низкой стоимости. Известно, что введение базальтовых волокон в алюминиевую матрицу улучшает механические свойства композитов, однако взаимодействие волокон с расплавом и их влияние на структуру в сплавах типа АК12 изучены недостаточно», — отметил об актуальности исследования старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории высокоэнергетических и специальных материалов ТГУ Антон Хрусталёв.
Эксперименты ученых ТГУ показали, что в сплаве с базальтовыми волокнами структура материала изменилась. Использование базальта предотвращает образование игольчатых включений кремния и интерметаллидов, которые выделяются в виде равноосных граненых частиц. Предположительно, на это повлиял кальций, который содержится в базальтовых волокнах.
Механические испытания подтвердили эффективность метода. Предел прочности материала вырос на четверть — со 186 до 232 МПа. Сплав стал заметно пластичнее: его способность растягиваться до разрушения увеличилась с 2,8% до 3,5%. Твердость материала тоже повысилась. При этом напряжение, при котором сплав начинает деформироваться пластически, осталось практически на прежнем уровне.
«Причин таких изменений, как минимум, две. Во-первых, хрупкость снизилась за счет отсутствия игольчатых включений, которые и являются местом возникновения первичных очагов разрушения. Во-вторых, базальтовые волокна сами по себе жесткие и прочные, в результате чего для образования и роста трещины требуется большая нагрузка», — пояснил Антон Хрусталёв.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Результаты опубликованы в «Вестнике Томского государственного университета. Математика и механика».
.jpg)
