N. B. Pugacheva , N. S. Michurov, T. M. Bykova
THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF THE 30Al-70SiC METAL MATRIX COMPOSITE MATERIAL
DOI: 10.17804/2410-9908.2015.6.006-018 The paper presents the results of studying the structure of cylindrical workpieces made of a composite material with an aluminum-alloy matrix and silicon carbide particles as a filler. It is shown that, for the material to be highly filled with a reinforcing agent, particles of two standard sizes are used, namely, 1 to 5 µm and 15 to 20 µm, the particles being shaped mainly as irregular prisms. The studied metal matrix composite is characterized by the value of the thermal coefficient of linear expansion of 11.5×10-6 K-1 in the range between 20 °C and 100 °C, heat conductivity of 193 W/m∙K, density of 2.92 g/cm3, hardness of 95 HV 0.2, and an elastic modulus of 112 GPa. Strong adhesive interaction between the metal matrix and the SiC filler particles has been revealed, which manifests itself in the nature of specimen ruptures after tensile testing.
Keywords: composite material, metal matrix, filler, hardness, heat conductivity, density, linear expansion, fracture Bibliography:
- Kreider K. Kompozitsionnye materialy s metallicheskoy matritsei. T. 4 [Metal Matrix Composite Materials, vol. 4]. Мoscow, Mashinostroenie Publ., 1978, 503 p. (In Russian).
- Evdokimov I.A., Prusov E.S., Kireev A.V. Frictional metal matrix composite materials modified with carbon nanostructures, based on aluminum and its alloys, with high mechanical and oper[1]ational properties. Polzunovskiy Almanakh, 2010, no. 2, pp. 264–268. (In Russian).
- Gulbin V., Popov V., Sevostianov I. Metal matrix composites hardened by highly consistent nanopowders. Nanoindustriya, no. 1, 2007, pp. 16–19. (In Russian).
- Popov V.A., Kobelev A.G., Chernyshev V.N. Nanoporoshki v proizvodstve kompozitov [Nanopowders in the Production of Composites]. M., Intermet Inzhiniring, 2007, 336 p. (In Russian).
- Vishnyakov L.R., Moroz V.P., Romashko I.M., Vishnyakova E.L., Yaremenko O.P. Production of composite materials with an aluminum matrix and some carbide and oxide fillers. Kompozity i nanostruktury, 2013, no. 1, pp. 37–45. (In Russian).
- Fernández R., González-Doncel G. Understanding the creep fracture behavior of aluminum alloys and aluminum alloy metal matrix composites. Materials Science and Engineering: A, 2011, vol. 528, iss. 28, pp. 8218–8225. DOI: 10.1016/j.msea.2011.07.027.
- Su Y., Ouyang Q., Zhang W., Li Zh., Guo Q., Fan G., Zhang D. Composite structure modeling and mechanical behavior of particle reinforced metal matrix composites. Materials Science and Engineering: A, 2014, vol. 597, pp. 359–369. DOI: 10.1016/j.msea.2014.01.024.
- ZHAO Long-zhi, ZHAO Ming-juan, YAN Hong, CAO Xiao-ming, ZHANG Jin-song. Mechanical behavior of SiC foam-SiC particles/Al hybrid composites. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2009, vol. 19, suppl. 3, pp. s547–s551. DOI: 10.1016/S1003-6326(10)60106-9.
- Ortega-Celaya F., Pech-Canul M.I., Lopes-Cuevars J., Rendon-Angeles J.C., Pech-Canul M.A. Microstructure and impact behavior of Al/SiCp composites fabricated by pressureless infiltration with different types of SiCp. Journal of Materials Processing Technology, 2007, vol. 183, iss. 2–3, pp. 368–373. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2006.10.029.
- Nishchev K.N., Novopoltsev M.I., Fomin N.E., Yudin V.A., Shchetanov B.V., Eliseev V.V., Emikh L.A. Studying the physical properties of an AlSiC metal matrix composite material. Izvestiya vysshykh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Fiziko-matematicheskie nauki, 2011, no. 4, pp. 78–85. (In Russian).
- Pugacheva N.B., Bykova T.M., Trushina E.B. The steel-basis structure influence on the diffuzion boride coatings structure and properties. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya, 2013, no. 4, pp. 3–7. (In Russian).
- Konovalov A.V., Smirnov A.S. Experimental base and methods for identifying the constitutive equations of elastic-viscous-plastic medium. Fiziko-khimicheskaya kinetika v gazovoy dinamike, 2010, vol. 9, pp. 1–4. (In Russian). Available at: http://chemphys.edu.ru/media/published/028.pdf (accessed 20.06.2015)
- Smirnov A.S., Konovalov A.V., Muizemnek O.Yu. Modelling and Simulation of Strain Resistance of Alloys Taking into Account Barrier Effects. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2015, iss. 1, pp. 61–72. DOI: 10.17804/2410-9908.2015.1.061-072. Available at: http://dream-journal.org/issues/2015-1/2015-1_18.html (accessed: 18.09.2015).
- Vichuzhanin D.I. Khotinov V.A. Smirnov S.V. The Effect of the Stress State on the Ultimate Plasticity of Steel X80. Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures, 2015, iss. 1, pp. 73–89. DOI: 10.17804/2410-9908.2015.1.073-089. Available at: http://dream-journal.org/issues/2015-1/2015-1_21.html.
- Portnoy K.N., Salibekov S.E., Svetlov I.L. Struktura i svoistva kompozitsionnykh materialov [The Structure and Properties of Composite Materials]. М, Mashinostroenie Publ., 1979, 255 p. (In Russian).
- Grachev S.V., Baraz V.R., Bogatov A.A., Shveikin V.P. Fizicheskoe metallovedenie [Physical Metallography]. Ekaterinburg, UGTU–UPI Publ., 2009, 448 p. (In Russian).
- Belyaev A.I. Metallurgiya legkikh metallov [Metallurgy of Light Metals]. M., Metallurgiya Publ., 1970, 368 p. (In Russian).
- Chirkin V.S. Teplofizicheskie svoistva materialov dlya yadernoy promyshlennosti [Thermalphysic Properties of Materials for Nuclear Industry]. M., Atomizdat Publ., 1978, 485 p. (In Russian).
Н. Б. Пугачева, Н. С. Мичуров, Т. М. Быкова
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 30Al-70SiC
В работе представлены результаты исследований структуры цилиндрических заготовок из композиционного материала, матрицей которого является алюминиевый сплав, а наполнителем – частицы карбида кремния. Показано, что для получения высокого наполнения материала упрочнителем использованы частицы двух типоразмеров: 1–5 мкм и
15–20 мкм, имеющие преимущественно форму неправильных призм. Исследованный металломатричный композит характеризуется значением температурного коэффициента линейного расширения в интервале температур 20–100 °С 11,5×10-6 К-1, теплопроводностью
193 Вт/м∙К, плотностью 2,92 г/см3, твердостью 95 HV 0,2, модулем упругости 112 ГПа. Обнаружено прочное адгезионное взаимодействие между металлической матрицей и частицами наполнителя SiC, которое проявилось в характере изломов образцов после испытаний на растяжение.
Ключевые слова: композиционный материал, металлическая матрица, наполнитель, твердость, теплопроводность, плотность, линейное расширение, излом Библиография:
- Крейдер К. Композиционные материалы с металлической матрицей. Т. 4. – М. : Машиностроение, 1978. – 503 с.
- Евдокимов И. А., Прусов Е. С., Киреев А. В. Модифицированные углеродными наноструктурами фрикционные металломатричные композиционные материалы на основе алю[1]миния и его сплавов с повышенными механическими и эксплуатационными свойствами // Ползуновский альманах. – 2010. – № 2. – С. 264–268.
- Гульбин В., Попов В., Севостьянов И. Металломатричные композиты, упрочненные высокотвердыми нанопорошками // Наноиндустрия. – 2007. – № 1. – P. 16–19.
- Попов В. А., Кобелев А. Г., Чернышев В. Н. Нанопорошки в производстве композитов. – М. : Интермет Инжиниринг, 2007. – 352 с.
- Получение композиционных материалов с алюминиевой матрицей и некоторыми карбидными и оксидными наполнителями / Л. Р. Вишняков, В. П. Мороз, И. М. Ромашко, Е. Л. Вишнякова, О. П. Яременко // Композиты и наноструктуры. – 2013. – № 1. – С. 37–45.
- Fernández R., González-Doncel G. Understanding the creep fracture behavior of aluminum alloys and aluminum alloy metal matrix composites // Materials Science and Engineering: A. – 2011. – Vol. 528, iss. 28. – P. 8218–8225. – DOI: 10.1016/j.msea.2011.07.027.
- Composite structure modeling and mechanical behavior of particle reinforced metal matrix composites / Y. Su, Q. Ouyang, W. Zhang, Zh. Li, Q. Guo, G. Fan, D. Zhang // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 597. – P. 359–369. – DOI: 10.1016/j.msea.2014.01.024.
- Mechanical behavior of SiC foam-SiC particles/Al hybrid composites / Long-zhi ZHAO, Ming-juan ZHAO, Hong YAN, Xiao-ming CAO, Jin-song ZHANG // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2009. – Vol. 19, suppl. 3. – P. s547–s551. – DOI: 10.1016/S1003-6326(10)60106-9.
- Microstructure and impact behavior of Al/SiCp composites fabricated by pressureless infiltration with different types of SiCp / F. Ortega-Celaya, M. I. Pech-Canul, J. Lopes-Cuevars, J. C. Rendon-Angeles, M. A. Pech-Canul // Journal of Materials Processing Technology. – 2007. – Vol. 183, iss. 2–3. – P. 368–373. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2006.10.029.
- Исследование физических свойств металломатричного композиционного материала AlSiC / К. Н. Нищев, М. И. Новопольцев, Н. Е. Фомин, В. А. Юдин, Б. В. Щетанов, В. В. Елисеев, Л. А. Эмих // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. – 2011. – № 4. – С. 78–85.
- Пугачева Н. Б., Быкова Т. М., Трушина Е. Б. Влияние состава стали-основы на структуру и свойства диффузионных боридных покрытий // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2013. – № 4. – С. 3–7.
- Коновалов А. В., Смирнов А. С. Экспериментальная база и методика идентификации определяющих соотношений упруговязкопластической среды [Электронный ресурс] // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. – 2010. – Том 9. – P. 1–4. – URL: http://chemphys.edu.ru/media/published/028.pdf (дата обращения: 20.06.2015).
- Smirnov A. S., Konovalov A. V., Muizemnek O. Yu. Modelling and Simulation of Strain Resistance of Alloys Taking into Account Barrier Effects // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2015. – Iss. 1. – P. 61–72. – DOI: 10.17804/2410-9908.2015.1.061-072. – URL: http://dream[1]journal.org/issues/2015-1/2015-1_18.html (дата обращения: 18.09.2015).
- Vichuzhanin D. I., Khotinov V. A., Smirnov S. V. The Effect of the Stress State on the Ultimate Plasticity of Steel X80 // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2015. – Iss. 1. – P. 73–89. – URL: http://dream-journal.org/issues/2015-1/2015-1_21.html. – DOI: 10.17804/2410-9908.2015.1.073-089.
- Портной К. Н., Салибеков С. Е., Светлов И. Л. Структура и свойства композиционных материалов. – М. : Машиностроение, 1979. – 255 с.
- Физическое металловедение / С. В. Грачев, В. Р. Бараз, А. А. Богатов, В. П. Швейкин. – Екатеринбург : Изд-во УГТУ–УПИ, 2009. – 448 с.
- Беляев А. И. Металлургия легких металлов. – М. : Металлургия, 1970. – 368 с.
- Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов для ядерной промышленности. – М. : Атомиздат, 1978. – 485 с.
|
