Влияние наночастиц оксида алюминия на структуру и физико-механические свойства чистого алюминия | Изв. вузов. Физика. 2020. № 5. DOI: 10.17223/00213411/63/5/167

Влияние наночастиц оксида алюминия на структуру и физико-механические свойства чистого алюминия

Influence of aluminum oxide nanoparticles on the structure and physical and mechanical properties of pure aluminum.pdf В электротехнических приложениях к сплавам алюминия предъявляются требования высоких значений электропроводности и прочности [1]. Для повышения физико-механических свойств алюминиевые сплавы подвергают дисперсному упрочнению и деформационной обработке, после чего в материале повышаются значения твердости, условного предела текучести, временного сопротивления и изменяется пластичность. Упрочненные неметаллическими частицами алюминиевые сплавы имеют ряд преимуществ, таких, как низкая стоимость, высокая коррозионная стойкость, хорошие литейные свойства и др. [2, 3]. Основная цель данного исследования - изучение влияния деформационной обработки на механические свойства и показатели электропроводности технически чистого алюминия, упрочненного наночастицами оксида алюминия. Рис. 1. Типичные деформационные кривые исследуемого сплава А0+Al2O3 0.1 мас. % (а): кр. 1 - после литья, кр. 2, 3 - после двух и четырех проходов обработки соответственно; изображение микроструктур этого же сплава в КЗ-состоянии после литья (б) и МЗ после обработки четырьмя проходами РКУП (в) Микроструктура, исследованная методом оптической микроскопии с использованием микроскопа Olympus GX 71, всех литых крупнозернистых (КЗ) сплавов марки А0, полученных методом литья с одновременной ультразвуковой обработкой [2], представлена дендритной структурой со средним размером ячейки 50 мкм. Дендритные ячейки организованы в крупные зерна со средними размерами до 200 мкм для исходного сплава А0 и 130 мкм (рис. 1, б) для упрочненного наночастицами оксида алюминия (~ 98 нм) в массовой доле 0.1 % (А0+Al2O3 0.1 мас. %). Эффект уменьшения значений среднего размера зерна после введения частиц связан с тем, что система расплав - частица находится в слабоустойчивом состоянии, поэтому любые термические воздействия, которые оказывают частицы-инокуляторы, приводят к изменению агрегатного состояния расплава на их поверхности. В результате этого начинается кристаллизация матрицы, и чем меньше размеры зародыша кристаллизации, тем мельче образовавшееся зерно. Исследование деформированных сплавов с использованием электронного сканирующего микроскопа Tescan Vega II LMU показало, что после четырех проходов равноканального углового прессования (РКУП) [4] дендритная структура литых алюминиевых сплавов изменяется на вновь сформированную ярко выраженную мелкозернистую (МЗ) структуру со средним размером зерна 3-5 мкм. Изображение микроструктуры деформированного сплава А0+Al2O3 0.1 мас. % представлено на рис. 1, в. Наряду со скоплением зерен субмикронных размеров в материале присутствуют крупные зерна до 10 мкм, вытянутые преимущественно вдоль действия сдвиговых деформаций - под углом к главной оси заготовки, направление действия сдвиговых деформаций при РКУП указано белой стрелкой на рис. 1, в. На рис 1, а приведены типичные экспериментальные диаграммы в условных координатах, полученные с использованием универсальной испытательной машины Instron 3362 со скоростью деформации 0.001 с-1 при одноосном растяжении плоских микрообразцов из сплавов А0+Al2O3 0.1 мас. % после отливки и деформационной обработки двумя и четырьмя проходами РКУП. Аналогичная закономерность изменения вида деформационных кривых после повторных обработок наблюдается и у исходного сплава А0. После введения в сплав технически чистого алюминия наночастиц Al2O3 в количестве 0.1 мас. % увеличиваются прочностные свойства сплава до 10 % с одновременным понижением на 42 % значений относительного удлинения (таблица). Данный эффект не совпадает с результатами, полученными авторами при аналогичных условиях дисперсного упрочнения других сплавов алюминия (например, исследование, описанное в [2], со сплавом АК7 в качестве основы). В исследовании [2] отмечен противоположный результат, где с одновременным увеличением предела текучести и временного сопротивления происходит увеличение на 15 % относительного удлинения. Причиной этому может стать изначальное присутствие в твердом растворе сплава атомов примесных элементов и образованных с их участием вторичных фаз в теле зерна и зернограничной области, что привносит в материал эффект увеличения пластичности. Физико-механические свойства исследуемых сплавов Сплавы Режим обработки HV, MПa σ0.2, MПa σв, MПa εp ω, МСм/м IACS, % А0 0 пр. 308 40 70 0.4 27 54 2 пр. 468 90 119 0.12 24 58 4 пр. 542 100 149 0.10 21 63 А0+Al2O3 0.1 мас. % 0 пр. 359 42 78 0.23 37 36 2 пр. 562 102 133 0.11 36 37 4 пр. 593 97 159 0.099 31 46 После деформационной обработки видно различие в протяженности стадии деформационного упрочнения, которое обеспечивает равномерную деформацию (рис. 1, а). В КЗ-материале длительность этой стадии значительно больше, чем в МЗ, и именно это обеспечивает большую пластичность. Данный эффект в [5] объясняется лучшими возможностями для накопления дислокаций между соседними границами зерен в КЗ-материале, после чего их плотность достигает критической величины с образованием стадии локализации пластической деформации, ростом шейки и разрушением. В МЗ-материале дислокации быстрее достигают противоположных границ зерна и аннигилируют. Из-за этого стадия равномерной деформации короче по протяженности [6]. После деформационной обработки методом РКУП отмечается значительное повышение микротвердости, условного предела текучести и временного сопротивления разрыву, электропроводности при значительном уменьшении значений относительного удлинения (таблица). Основной причиной изменения механических свойств являются процессы измельчения зеренной структуры материала при деформационной обработке вследствие накопления пластической деформации на каждой стадии обработки. Наличие в алюминиевой матрице наночастиц и других примесных элементов является препятствием для свободного пробега электронов [7]. Поэтому электропроводность упрочненного сплава ниже на 30 %. Однако отмечается улучшение электрофизических характеристик после деформационной обработки обоих исследуемых сплавов. По-видимому, это также связано с измельчением зеренной структуры и увеличением дислокационной плотности в обработанном материале после ИПД.

Ключевые слова

алюминий, наночастицы, микроструктура, механические свойства, электропроводность, aluminum, nanoparticles, microstructure, mechanical properties, electric conductivity

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Даутбаева Диана БахытжановнаНациональный исследовательский Томский государственный университетстудентка НИ ТГУdtbv2018@gmail.com
Хрусталёв Антон ПавловичНациональный исследовательский Томский государственный университетст. науч. сотр. НИ ТГУtofik0014@mail.ru
Кахидзе Николай ИверьевичНациональный исследовательский Томский государственный университетмагистрант НИ ТГУNick200069@yandex.ru
Валихов Владимир ДаниловичНациональный исследовательский Томский государственный университетмагистрант НИ ТГУvalihov.snobls@gmail.com
Козулин Александр АнатольевичНациональный исследовательский Томский государственный университетк.ф.-м.н., доцент НИ ТГУkozulyn@ftf.tsu.ru
Жуков Илья АлександровичНациональный исследовательский Томский государственный университетк.т.н., зав. лабораторией НИ ТГУgofra930@gmail.com
Ворожцов Александр БорисовичНациональный исследовательский Томский государственный университетд.ф.-м.н., профессор, зав. лабораторией НИ ТГУabv@mail.tomsknet.ru
Всего: 7

Ссылки

Белый Д.И. // Кабели и провода. - 2012. - № 1. - С. 8-15.
Ворожцов С.А., Хрусталёв А.П, Эскин Д.Г. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 11. - С. 31-36.
Şenel M.C., Gürbüz M., and Koç E. // J. Compos. Mater. - 2019. - V. 53. - No. 28-30. - P. 4043-4054.
Козулин А.А., Скрипняк В.А., Красновейкин В.А. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 9. - С. 98-104.
Gupta A.K., Maddukuri T.S., and Singh S.K. // Prog. Mater. Sci. - 2016. - V. 84. - Р. 403-462.
Wang Y.M. and Ma E. // Acta Mater. - 2004. - V. 52. - P. 1699-1709.
Mayadas A.F. // J. Appl. Phys. - 1968. - V. 39. - P. 4241-4245.
 Влияние наночастиц оксида алюминия на структуру и физико-механические свойства чистого алюминия | Изв. вузов. Физика. 2020. № 5. DOI: 10.17223/00213411/63/5/167

Влияние наночастиц оксида алюминия на структуру и физико-механические свойства чистого алюминия | Изв. вузов. Физика. 2020. № 5. DOI: 10.17223/00213411/63/5/167