ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2007, том 104, № 5, с. 517-524
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.71'3'1:539.89:5594.015
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ А1/КВАЗИКРИСТАЛЛ А1-Си^е
© 2007 г. В. В. Чердынцев*, С. Д. Калошкин*, И. А. Томилин*, Е. В. Шелехов*, А. И. Лаптев*, А. А. Степашкин**, В. Д. Данилов***
*ГОУ ВПО МиСиС, 119049 Москва, Ленинский просп., 4 ** ФГУП НИИ конструкционных материалов на основе графита, 111524 Москва, ул. Электродная, 2 *** Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, 101990 Москва, Малый Харитоньевский пер., 4 Поступила в редакцию 07.11.2006 г.; в окончательном варианте - 13.03.2007 г.
Исследовали структуру и свойства металломатричных композитов А1/квазикристалл А1-Си-Ре, полученных компактированием механоактивированных порошков. Было обнаружено, что увеличение времени механоактивации ведет к росту значений микротвердости. Испытания на сжатие показали, что разрушение образцов происходит путем интенсивного образования трещин в направлении, параллельном прикладываемой нагрузке, значение предела прочности увеличивается с продолжительностью механоактивации. С ростом температуры компактирования предел прочности остается неизменным до температур 300-400°С, при более высоких температурах наблюдается заметный рост предела прочности при сжатии. Увеличение температуры компактирования ведет к улучшению триботехнических характеристик образцов.
PACS: 61.44.Вг,81.20Е
введение
На протяжении последних пятнадцати лет работы по исследованию квазикристаллических материалов активно ведутся как в России, так и за рубежом. К настоящему времени как стабильные, так и метастабильные квазикристаллические фазы обнаружены в значительном числе двойных и многокомпонентных металлических систем [1-5]. В последнее время квазикристаллы все чаще рассматриваются как перспективный материал для использования в композиционных материалах в качестве упрочняющей фазы. Так, в работе [6] квазикристаллы предлагались в качестве упрочняющей фазы для чисто алюминиевой матрицы. Разработана [7] модифицированная квазикристаллами высокопрочная мартенситностареющая сталь, которую предлагается использовать для изготовления хирургических инструментов. В работе [8, 9] квазикристаллы системы А1-Си^е предложено использовать в композиционных материалах на основе высокомолекулярных полимеров, которые могут найти применение при изготовлении медицинских имплантантов.
Существует ряд факторов, сдерживающих широкое применение квазикристаллических материалов. Эти факторы обусловлены прежде всего трудностями, связанными с приготовлением квазикристаллических фаз. Достаточно жесткие требования к точному химическому составу определяют
требования к технологии производства и к возможной рабочей среде. Необходимость преодоления зональной ликвации и высокотемпературные фазовые превращения делают применение "классических" металлургических технологий для получения квазикристаллических фаз весьма затруднительным. Использование механоактиваци-онных методов получения сплавов дает ряд преимуществ, особенно важных для синтеза квазикристаллических фаз. Механоактивация приводит к значительному расширению концентрационных интервалов существования фаз [10, 11], что особенно важно для получения химических соединений. Кроме того, все реакции при механоактивации протекают в твердой фазе, что позволяет избежать возникающих при использовании технологии переплава проблем, связанных с возникновением концентрационных неоднородностей при охлаждении расплава.
Применение механоактивационных методов для получения композиционных материалов является новым направлением материаловедения [12-15]. Информация о механоактивационном получении композиционных материалов на основе квазикристаллов представлена несколькими публикациями [16-18], в которых приводятся данные о структуре и механических свойствах полученных образцов. В частности, на композиционных материалах на основе А1 с квазикристаллическими наполнителями
Шарнирная Образец балка материала
Нагрузочное устройство
Образец-втулка
Индикатор износа
Рис. 1. Принципиальная схема установки для трибо-технических испытаний материалов.
* v-] гv > 1 < *
* г д. ■
^ : v- мел, *
| т ' 4
.1...
*■ } 1 ~
.4 *•
20 мкм
I_I
Рис. 2. Оптическая микрофотография компактиро-ванного образца композиционного материала А1 + + 10% вес. % квазикристаллической фазы, полученного механоактивационной обработкой в течение 10 минут.
были получены значения предела текучести при пластической деформации от 0.5 до 1 ГПа, в зависимости от химического состава упрочняющей фазы [18].
Ранее нами были подробно исследованы фазовые превращения в сплавах системы А1-Си^е при механическом сплавлении и последующих отжигах. Была показана возможность образования примитивной икосаэдрической фазы непосредственно в результате механического сплавления [19], вместе с тем комбинирование механосплавления с последующим отжигом является более удобным способом получения однофазной квазикристаллической структуры [20-24]. Подробные исследования превращений при нагреве механосплавленных образцов позволили установить основные закономерности трансформации фазовой структуры при образовании квазикристаллической фазы и разработать надежную методику получения порошкового
квазикристаллического сплава с однофазной икосаэдрической квазикристаллической структурой.
Нами исследовалась возможность получения композиционных материалов на основе алюминия с квазикристаллическими наполнителями применением технологий механохимического сплавления, исследовалась структура порошковых композиционных материалов [25-27]. В настоящей работе приведены результаты исследования структуры свойств объемных композиционных материалов А1/квазикристалл А1-Си^е, полученных компак-тированием механоактивированных порошков.
методика эксперимента
В качестве исходных материалов для исследований брали порошки алюминия, меди и железа чистотой 99.9% с размерами частиц менее 50 мкм. Для приготовления образцов использовали планетарную шаровую мельницу МПФ-1. Порошки в атомном соотношении А165Си2^е12 без предварительного смешивания загружались вместе с мелющими шарами диаметром 9 мм в герметично закрывающиеся барабаны мельницы. Масса порошковой загрузки составляла 150 г, масса шаровой загрузки - 1500 г, объем барабанов - 1000 см3, скорость вращения водила составляла 600 об/мин. Перед обработкой барабаны заполняли аргоном. Длительность обработки составляла 1 ч.
Полученный в результате механического сплавления порошок отжигали в течение 1 ч при температуре 800°С в атмосфере Аг для получения однофазной квазикристаллической структуры состава А165Си2^е12. Приготовленный таким образом сплав обрабатывали в той же мельнице совместно с порошком чистого А1 в соотношениях А1 - 10 и 20 вес. % А165Си2^е12 в атмосфере Аг, время помола варьировали от 5 до 60 мин.
Компактирование образцов проводили при высоком давлении 4.5 ГПа и требуемой температуре в гидравлическом прессе ДО-138Б, МН выдержкой под давлением от 10 с до 5 мин. Рентгеноструктур-ный анализ образцов осуществляли на автоматизированном дифрактометре ДРОН-3 на СоАа-излуче-нии. Количественный фазовый анализ проводили методом аппроксимации экспериментальной ди-фрактограммы модельным спектром. Исследования формы и размера частиц порошков проводили на оптическом микроскопе №ОРНОТ-30, фиксацию изображения осуществляли с помощью цифровой видеокамеры ВС120-Коёак. Микротвердость определяли на шлифах компактированных образцов с помощью прибора ПМТ-3. Испытания образцов на сжатие проводили с помощью серийной универсальной испытательной машины Zwick-1474.
Трибологические испытания проводили на оригинальном стенде ИМАШ РАН, позволяющем изучать работу материалов в режиме сухого
структура и свойства механоактивированных ...
519
40
60
80 П 100 28
120 40
1-г
60
80 100 28
Н-1
120
Рис. 3. Дифрактограммы (излучение Со^а) композиционных материалов А1 - 10 вес. % квазикристалла (а) и А1 -20 вес. % квазикристалла (б), компактированных прессованиеим. Продолжительность механоактивационной обработки смесей составляла 45 мин. Температура компактирования и длительность выдержки под давлением указаны на дифрактограммах.
трения скольжения, имеющем место в уплотни-тельных конструкциях машин и механизмов различного назначения. Принципиальная схема узла трения установки для триботехнических испытаний представлена на рис. 1. Исследуемые образцы материала имели цилиндрическую форму, их размер составлял 04 х 4 мм, в качестве рабочей поверхности использовались торцы образцов. Контртело представляло собой образец-втулку из стали 40Х наружным диаметром В = 0.1 м с твердостью поверхности трения ИКС > 50 и с чистотой цилиндрической поверхности, шлифуемой до среднего значения параметра шероховатости Я2 = 3.54.5 мкм. Скорость скольжения на поверхности трения образца-втулки составляла 0.6 м/с. Расчет коэффициента трения в контакте выполняется по формуле
/ Вр->
(1)
где М - момент трения, Н • м; Р - нагрузка, Н.
Интенсивность изнашивания образцов рассчитывается по формуле
1 = М L
(2)
где АН - линейный износ материала образца на каждой ступени нагружения в течение ее действия; L = пВп - путь трения за время испытания на каждой ступени нагружения, где п - частота вращения контртела.
результаты и их обсуждение
Пример изображения поверхности шлифа ком-пактированного композиционного материала представлен на рис. 2. Видимых пор в образцах не наблюдается. Разброс частиц наполнителя по размерам достаточно велик - наряду с крупными (до
Пропускание, отн. ед.
-1 0 1 Скорость, мм/с
Рис. 4. Мессбауэровские спектры композиционных образцов, полученных механоактивацией в течение 10 мин и компактированных с выдержкой 10 с: а - А1 + 10 вес. % квазикристаллической фазы, Ткомп = = 600°С; б - А1 + 10 вес. % квазикристаллической фазы, Ткомп = 300°С; в - А1 + 20 вес. % квазикристаллической фазы, Ткомп = 600°С; г - А1 + 20 вес. % квази-
кристаллической фазы, Тк
г = 300°С.
30 мкм) частицами, встречаются также и очень мелкие - менее 1 мкм.
Х
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.