CC BY
47
ГЕОМЕХАНИКА
УДК 669.715
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОКСИДА КРЕМНИЯ (IV) С АЛЮМИНИЕМ И ЕГО СПЛАВАМИ
Р.А. Апакашев, Н.Г. Валиев, С.А. Красиков, М.Л. Хазин
Исследовано взаимодействие оксида кремния (IV) с расплавами первичного алюминия марки А0, алюминиевого сплава АМг6 и литейной бронзы БрА9ЖЗЛ. Установлено, что контакт металлических расплавов и кварца сопровождается восстановлением кремния из соответствующего оксида с образованием металломатричного композиционного материала. Отмечено, что образование композиционного материала коррелирует с результатами термодинамического анализа химических процессов в изученных системах «цветной металл / сплав - диоксид кремния», выполненного с помощью пакета прикладных программ HSC Chemistry.
Ключевые слова: алюминий, алюминиевые сплавы, диоксид кремния, высокотемпературное взаимодействие, восстановительный процесс, термодинамические параметры, микрочастицы кремния, матричный металл, дисперсное армирование.
Введение. Введение функциональных дисперсных частиц в металлическую матрицу позволяет получать композиционные материалы с улучшенными физико-механическими свойствами [1 - 7]. Дискретные наполнители могут быть введены в матрицу композиционного материала различными способами, включая методы порошковой металлургии и механического замешивания наполнителя в расплаве. Другим известным и перспективным методом получения композиционных структур является метод синтеза in situ. В этом методе наполнитель образуется в результате химического превращения используемых компонентов - прекурсоров непосредственно в процессе формирования композиционного материала. Существенную часть таких материалов составляют металломатричные композиты на основе алюминия [8 - 13]. При этом значительный научный и практический интерес представляют исследования прямого восстановле-
ния кремния из его оксида расплавленным алюминием в процессе синтеза силуминов.
Термодинамический анализ системы Al-SiO2 свидетельствует о протекании высокотемпературной реакции восстановления оксида кремния (IV) алюминием [14 - 15]. Практическая реализация данного взаимодействия используется для получения алюминий - кремниевых сплавов за счет растворения в расплавленном алюминии кремния, восстановленного из кремнезема. Основное внимание уделяется получению сплавов с определенным содержанием растворенного и дисперсного кремния, т.к. варьирование данных величин, размер частиц и объемная доля имеют решающее влияние на эксплуатационные свойства, прежде всего физико-механические свойства образующегося металлического материала [16 -18].
Аналогичные исследования для сплавов алюминия в научной литературе представлены ограниченно, но также представляют интерес и являются актуальными. Наличие подобной информации важно для расширения научной базы инженерного применения алюмоматричных материалов, часто обладающих высоким уровнем физических и механических свойств при приемлемой себестоимости [19 - 21].
Цель работы. Экспериментальное исследование и термодинамическое моделирование высокотемпературного взаимодействия оксида кремния (IV) с алюминием и его сплавами.
Материалы и инструменты. Для исследований использовали первичный алюминий марки А0, алюминиевый сплав АМг6 и литейную бронзу БрА9ЖЗЛ. Масса образцов составляла 60 г. Плавку металла и сплавов проводили в тиглях из диоксида циркония в восстановительной атмосфере электрической печи сопротивления с графитовым нагревателем. Контактное взаимодействие обеспечивали, погружая в металлический расплав нагретую до температуры расплава цилиндрическую трубку из оптического кварца. Площадь контакта составляла 40 см , время контакта - 1,5 мин. при температуре на 50 К выше температуры плавления металла / сплава. После извлечения кварца расплав перемешивали алундовой трубкой, также нагретой до температуры расплава.
Структуру и химический состав полученных при последующем охлаждении на воздухе образцов алюминия и его сплавов регистрировали с помощью растрового электронного микроскопа Quanta 200, интегрированного с рентгеноспектральным энергодисперсионным анализатором. Точность измерения концентраций элементов соответствует техническим характеристикам Quanta 200. Также применяли амплитудно -модуляционную атомно-силовую микроскопию (АСМ), используя сканирующий зондовый микроскоп NEXT с кантилевером NSG30. Поверхность металлических материалов для микроскопических исследований готовили механическим полированием.
Термодинамический анализ химических процессов в изученных системах «цветной металл / сплав - диоксид кремния» проводили с помощью пакета прикладных программ HSC Chemistry [22]. Возможность протекания процессов восстановления при взаимодействии компонентов в исследуемых системах оценивалась методом термодинамического моделирования с помощью программного пакета, работа которого основана на принципе минимизации свободной энергии Гиббса исследуемой замкнутой системы. Расчеты проводились при изменении расхода диоксида кремния по отношению к исходной массе металлического расплава в диапазоне от 0 до 100 % при температуре на 50 К выше температуры плавления металла / сплава и общем давлении 1 атм.
Обсуждение результатов. В результате проведенных исследований установлено, что высокотемпературное взаимодействие кварца как с алюминием, так и с его сплавами сопровождается интенсивным восстановлением диоксида кремния до элементарного кремния. В расплавленном алюминии данный процесс протекает наиболее типично. На рис. 1 представлен снимок структуры закристаллизованного металлического материала, полученного при контакте расплавленного алюминия и диоксида кремния. Из рисунка видно, что исследуемый материал имеет гетерогенную композиционную структуру, состоящую из металлической матрицы алюминия, наполненную дисперсными частицами кремния.
Преобладающий линейный размер частиц кремния в матрице алюминия составляет 3...5 мкм (рис. 1). По результатам рентгеноспектрально-го энергодисперсионного микроанализа содержание кремния в отдельно взятой частице соответствует 97,79 масс. % (рис. 2).
Рис. 1. Алюмоматричный композиционный материал, содержащий
частицы кремния
Рентгеноспектральный энергодисперсионный микроанализ является локальным. Тем не менее, установлено, что процесс перемешивания металлического расплава перед кристаллизацией способствует равномерному распределению частиц кремния в матрице слитка. При этом содержание алюминия в матрице достигает 98,18 %, а содержание растворенного кремния в матричном алюминии - 1,82 %.
Согласно диаграмме состояния, кремний имеет ограниченную растворимость в твердом растворе (максимум 1,65 %). Поэтому имеющее место расхождение для данной величины может быть связано с наличием на-ночастиц кремния.
Следует отметить, что в исходном алюминии марки А0 массовая доля кремния не более 0,95 %. Наблюдаемое превышение этой величины свидетельствует о происходящем частичном растворении восстановленного кремния, что повышает содержание данного элемента в матричном металле. Развитая суммарная поверхность микрочастиц кремния, образующихся в результате высокотемпературного взаимодействия компонентов системы А1-8Ю2, способствует интенсификации процесса растворения.
2.7 -.
5Й(а
2.2 -
1.6 -
КСШ
1.1 -
0.5 -
AlKa
о.о I—Т ^ Т " I I I I —Т—-Iм—* I
1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10 Energy - keV
Рис. 2. Результаты микрорентгеноспектрального энергодисперсионного анализа микрочастицы кремния в матрице алюминия
Химических соединений с кремнием (силицидов) алюминий не образует. По результатам термодинамического моделирования, выполненного для температуры 983 К, в системе Al-SiO2 возможно образование оксида
алюминия и его силикатного производного состава 3 Al2O3^2SiO2. Тем не менее, оксидных соединений в металлической матрице с помощью рентге-носпектрального микроанализа в рамках настоящей работы выявить не
Element Wt% At%
A IK 02.21 02.30
SiK 97.79 97.70
Matrix Correction ZAF
удалось. Вероятно, это обусловлено тем, что подобные соединения локализованы на поверхности кварца в виде отдельных фаз, мало растворимых в матричном металле. В работе [23] показано, что при взаимодействии с расплавленным алюминием на поверхности частиц кварцевого песка образуется переходный слой толщиной до 2.. .3 мкм с повышенной концентрацией алюминия и пониженной концентрацией кремния. В оксидной фазе вдоль границы раздела формируется зона, прилегающая к переходному слою, в которой непрерывно повышается концентрация алюминия, а кремния и кислорода соответственно снижается в направлении от оксидной фазы к алюминию.
Восстановление кремния с образованием дисперсно армированного металломатричного композиционного материала имеет место и в случае высокотемпературного контакта кварца с металлическими расплавами, содержащими алюминий. Для сплава алюминия АМг6 восстановление и последующее частичное растворение элементарного кремния приводит к повышению его содержания в металлической матрице с 0,28 до 1,09 %. Выделяющийся в данном расплаве кремний при высокой температуре способен химически взаимодействовать с магнием, образуя силицид М^Б^ Результаты выполненного термодинамического моделирования свидетельствуют, что в высокотемпературной системе АМг6-8Ю2 кроме силицида магния также возможно образование оксидов магния, алюминия и сложного оксида MgO•Al2Oз, соответствующего по своему составу алюминату магния. Кроме этого могут образоваться силициды марганца и железа, в небольшом количестве входящих в состав исходного алюминиевого сплава (рис. 3).
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
А1
А1 203 /
А1203
^МцО*
Ма У
\Tg2Si
20
40
60
80
100 ке
Рис. 3. Зависимость равновесного состава металлической и оксидной фаз от расхода диоксида кремния (кг) при его взаимодействии со 100 кг
сплава АМг6 при температуре 893 К
Образование различных по составу частиц при высокотемпературном контакте кварца и расплавленного алюминиевого сплава АМг6 подтверждается результатами рентгеноспектрального микроанализа. Установлено, что после кристаллизации расплава в металлической матрице в преобладающем количестве присутствуют микрочастицы кремния. Также удается идентифицировать частицы, отвечающие по своему химическому составу силициду магния Mg2Si, что коррелирует с проведенными термодинамическими расчетами (см. рис. 3). В алюминии растворяется незначительная часть кремния, но по мере образования соединения Mg2Si растворяется следующая порция кремния, что происходит до насыщения расплавленных систем Al-Si и Mg-Si. Массовая доля дисперсных частиц, наблюдаемых в матрице сплава АМг6, близка к 30 %.
Меньшее количество микрочастиц кремния в сравнении с алюминием и сплавом АМг6 образуется в металлической матрице при взаимодействии с кварцем расплава литейной бронзы БрА9ЖЗЛ (рис. 4). При среднем размере частиц элементарного кремния 3.. .5 мкм их содержание в металлической матрице не превышает 7 %.
о о
Рис. 4. Изображение рельефа поверхности образца бронзы БрА9ЖЗЛ, полученного с помощью атомно-силового микроскопа.
Участок поверхности 80*80 мкм, трехмерный вид. Наблюдаются включения микрочастиц кремния
По результатам термодинамического моделирования при температуре 1363 К взаимодействие расплава бронзы и диоксида кремния может сопровождаться образованием оксида алюминия, а также образованием соединений данного оксида, имеющего амфотерный характер, с оксидом кремния (IV). В ходе настоящей работы оксидные соединения в металлической матрице бронзы БрА9ЖЗЛ рентгеноспектральным микроанализом
не выявлены. Это может быть обусловлено, как отмечалось выше, тем, что данные соединения локализованы на поверхности кварца. Вероятно, что их растворимость в матричном расплаве мала или соответствующий процесс имеет невысокие кинетические параметры. Другая возможная причина может заключаться в концентрировании оксидных фаз в поверхностном (шлаковом) слое расплава, который после кристаллизации механически удалялся и изучению не подвергался.
Модифицирование структуры бронзы БрА9ЖЗЛ и сплава АМг6 введением дисперсных частиц кремния перспективно в плане улучшения их триботехнических свойств [24 - 31].
Заключение. Исследовано взаимодействие диоксида кремния с расплавами первичного алюминия марки А0, алюминиевого сплава АМг6 и литейной бронзы БрА9ЖЗЛ. Установлено, что высокотемпературный контакт кварца и отмеченных металлических расплавов сопровождается восстановлением элементарного кремния из соответствующего оксида. Для сплава АМг6 также удается идентифицировать образование частиц, соответствующих по химическому составу силициду магния Mg2Si. После кристаллизации расплавов массовая доля гетерогенных частиц в матрице алюминия, а также в матрице сплава АМг6 близка к 30 %. В литейной бронзе БрА9ЖЗЛ соответствующая величина не превышает 7 %, что может быть обусловлено невысоким содержанием алюминия в составе бронзы и полным отсутствием магния, являющегося более активным восстановителем кремния, чем алюминий.
Развитая суммарная поверхность микрочастиц кремния, образующихся в результате взаимодействия кварца и металлического расплава, способствует процессу растворения кремния в матричном металле. Наблюдаемое образование металломатричных композитов, дисперсно армированных микрочастицами кремния, коррелирует с результатами термодинамического анализа химических процессов в изученных системах «цветной металл / сплав - диоксид кремния», выполненного с помощью пакета прикладных программ HSC Chemistry.
Полученные результаты дополняют объем фактических данных о комплексе физико-химических свойств алюминия и его сплавов и предполагают возможность расширения их инженерного применения в качестве триботехнических металломатричных композиционных материалов.
Результаты настоящей работы получены в рамках базовой части Государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, тема № 0833-2020-0007.
Список литературы
1. Al-Salihi H. A., Mahmood A. A., Alalkawi H. J. Mechanical and wear behavior of AA7075 aluminum matrix composites reinforced by Al2O3 na-noparticles // Journal Nanocomposites. 2019. Vol. 5. No. 3. Р. 67-73.
2. Божко Г. Г., Володина П. А., Абузин Ю. А. Исследование струк-турообразования и свойств алюмоматричного композиционного материала системы Al - B4C - W и Al - B4C - WO3. Цветные металлы. 2019. No. 4. С. 41-46.
3. Bozhko G. G., Volodina P. A., Abuzin Yu. A. Understanding the structure and properties of composite aluminium matrix Al - B4C - W and Al -B4C - WO3 materials // Journal Tsvetnye Metally. 2019. No. 4. Р. 41-46 (In Russ.).
4. Wear resistance analysis of the aluminum 7075 alloy and the nanostructured aluminum 7075: Silver nanoparticles composites / R. H. Estrada-Ruiz [et al.] // Journal of Mining and Metallurgy B: Metallurgy. 2016. Vol. 52. No. 2. Р. 163-170.
5. Фазообразование при спекании композиционного материала системы Ti - Al - SiC / И. А. Астапов, Н. М. Власова, Т. Б. Ершова, Е. А. Кириченко // Цветные металлы. 2018. No. 8. С. 75-79.
6. Phase formation during the sintering of a Ti - Al - SiC composite material / I. A. Astapov, N. M. Vlasova, T. B. Ershova, E. A. Kirichenko // Journal Tsvetnye Metally. 2018. No. 8. P. 75-79 (In Russ.).
7. Synthesis and Characterization of the Mechanical Properties of Ti3SiC2/Mg and Cr2AlC/Mg Alloy Composites / M. Nelson [et al.] // Materials Science and Engineering: A. 2017. Vol. 705. Р. 182-188.
8. Mohamed M. El-Sayed Seleman, Mohamed M. Z. Ahmed, Sabbah Ataya. Microstructure and mechanical properties of hot extruded 6016 aluminum alloy/graphite composites // Journal of Materials Science & Technology. 2018.Vol. 34. No. 9. P. 1580-1591.
9. Ahmoum H., Boughrara M., Kerouad M. Electronic and magnetic properties of Al doped (w-BN) with intrinsic vacancy // Journal Super lattices and Microstructures. 2019. No. 1. P. 186-190.
10. You G. L., Ho N.J., Kao P.W. The microstructure and mechanical properties of an Al-CuO in situ composite produced using friction stir processing // Materials Letters. 2013. Vol. 90. P. 26-29.
11. Karbalaei Akbari M., Rajabi S., Shirvanimoghaddam K., Baharvandi HR. Wear and friction behavior of nanosized and particle-reinforced casting A356 aluminum nanocomposites: A comparative study focusing on particle capture in matrix // Journal of Composite Materials. 2015. Vol. 49. P. 3665-3681.
12. Прусов Е. С., Панфилов А. А., Кечин В. А. Современные методы получения литых композиционных сплавов // Литейщик России. 2011. No. 12. С. 35-39.
13. Prusov E. S., Panfilov A. A., Kechin V. A. Sovremennye metody poluchenija lityh kompozicionnyh splavov // Litejshhik Rossii. 2011. No. 12. P. 35-39 (In Russ.).
14. Habibolahzadeh A., Hassani A., Bagherpour E., and Taheri M. Dry friction and wear behavior of in-situ Al/Al3Ti composite // Journal of Composite Materials. 2014. Vol. 48. P. 1049-1059.
15. You G. L., Ho N.J., Kao P. W. In situ formation of Al2O3 nanoparti-cles during friction stir processing of Al-SiO2 composite // Materials Characterization. 2013. Vol. 80. P. 1-8.
16. You G. L., Ho N.J., Kao P. W. Aluminum based in situ nanocompo-site produced from Al-Mg-CuO powder mixture by using friction stir processing // Materials Letters. 2013. Vol. 100. P. 219-222.
17. Zhu H., Dong K., Huang J., Li J., Wang G. and Xie Z. Reaction mechanism and mechanical properties of an aluminum-based composite fabricated in situ from Al-SiO2 system // Materials Chemistry and Physics. 2014. Vol. 145. No. 3. P. 334-341.
18. Рафальский И. В., Арабей А. В., Немененок Б. М. Производство силуминов с использованием кварцсодержащих материалов. Минск: БНТУ, 2015.
19. Rafal'skii I. V., Arabei A. V., Nemenenok B. M. Proizvodstvo silu-minov s ispol'zovaniem kvartssoderzhashchikh materialov. Minsk: BNTU, 2015 (In Russ.).
20. Марукович Е. И., Стеценко В. Ю., Гутев А. П. Производство и применение силумина с глобулярным кремнием // Литье и металлургия. 2017. No. 2. С. 15-19.
21. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Gutev A. P. Proizvodstvo i primenenie silumina s globulyarnym kremniem // Lit'e i metallurgiya. 2017. No. 2. P. 15-19 (In Russ.).
22. Bolzoni L., Nowak M., Hari Babu N. Grain refinement of Al-Si alloys by Nb-B inoculation. Part II: Applicationto commercial alloys // Materials and Design. 2015. Vol. 66. P. 376-383.
23. Миронов А. Е., Гершман И. С., Гершман Е. И. Взаимосвязь прочности и химического состава перспективных алюминиевых антифрикционных сплавов // Цветные металлы. 2018. No 1. С. 74-79.
24. Mironov A. E., Gershman I. S., Gershman E. I. Vzaimosvyaz' prochnosti i khimicheskogo sostava perspektivnykh alyuminievykh antifrik-tsionnykh splavov // Tsvetnye metally. 2018. No 1. P. 74-79 (In Russ.).
25. Bandil K., Vashisth H., Kumar S., Verma L., Jamwal A., Kumar D., Gupta P. Microstructural, mechanical and corrosion behaviour of Al-Si alloy reinforced with SiC metal matrix composite // Journal of Composite Materials. 2019. Vol. 53. No. 28-30. P. 4215-4223.
26. Fabrication, microstructural and mechanical behavior of Al-Al2O3-SiC hybrid metal matrix composites / S. Hossain [et al.] // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 21. P. 1458-1461.
27. Advance research progresses in aluminium matrix composites: manufacturing & applications / P. Garg [et al.] // Journal of Materials Research and Technology. 2019. Vol. 8. No. 5. P. 4924-4939.
28. Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical Reaction and Equilibrium Software with Extensive Thermochemical Database. Pori: Outokumpu Research OY, 2006.
29. Рафальский И. В., Неменок Б. М. Физико-химическое взаимодействие компонентов системы Al/SiO2 в металлургических процессах синтеза литейных дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов // Литье и металлургия. 2017. No. 2. С. 31-39.
30. Rafal'skii I. V., Nemenok B. M. Fiziko-khimicheskoe vzaimodeistvie komponentov sistemy Al/SiO2 v metallurgicheskikh protsessakh sinteza liteinykh dispersno-uprochnennykh alyuminievykh splavov // Lit'e i metallurgi-ya. 2017. No. 2. P. 31-39 (In Russ.).
31. Apakashev R. A., Khazin M. L., Krasikov S. A. Effect of Nanostruc-turing of Aluminum, Copper, and Alloys on Their Basis Wear for Resistance and Hardness // Journal of Friction and Wear. 2020. Vol. 41. No. 5. P. 428-431.
Апакашев Рафаил Абдрахманович, д-р хим. наук, проф., проректор по научной работе, parknedra@yandex. com, Россия, Екатеринбург, Уральский государственный горный университет,
Валиев Нияз Гадым оглы, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, niyaz. valiev@m. ursmu.ru, Россия, Екатеринбург, Уральский государственный горный университет,
Красиков Сергей Анатольевич, д-р техн. наук, проф., sankr@mail.ru, Россия, Екатеринбург, Уральский государственный горный университет, вед. науч. сотрудник, Россия, Екатеринбург, Институт металлургии УрО РАН.
Хазин Марк Леонтьевич, д-р техн. наук, проф., khasin@ursmu.ru, Россия, Екатеринбург, Уральский государственный горный университет
RESEARCH OF HIGH-TEMPERA TURE INTERACTION SILICON (IV) OXIDE WITH
AL UMINUM AND ITS ALLOYS
R. A. Apakashev, N. G. Valiev, S. A. Krasikov, M. L. Khazin
The interaction of silicon (IV) oxide with melts of primary aluminum of grade A0, aluminum alloy AMg6 and casting bronze BrA9ZhZL has been studied. It has been established that the contact of metal melts and quartz is accompanied by the reduction of silicon from the corresponding oxide with the formation of a metal-matrix composite material. It is noted that the formation of a composite material correlates with the results of thermodynamic
analysis of chemical processes in the studied systems "non-ferrous metal / alloy - silicon dioxide", carried out using the HSC Chemistry software package.
Key words: aluminum, aluminum alloys, silicon dioxide, high-temperature interaction, reduction process, thermodynamic parameters, silicon microparticles, matrix metal, dispersed reinforcement.
Apakashev Rafail Abdrakhmanovich, doctor of chemical sciences, profesor, vice-rector for scientific work, parknedra@yandex. com, Russia, Yekaterinburg, Ural State Mining University,
Valiev Niyaz Gadym oglu, doctor of technical sciences, profesor, head of chair, ni-yaz. valiev@m. ursmu. ru, Russia, Yekaterinburg, Ural State Mining University,
Krasikov Sergey Anatolyevich, doctor of technical sciences, profesor department of chemistry, sankr@,mail.ru, Russia, Yekaterinburg, Ural State Mining University; leading researcher, Russia, Yekaterinburg, Institute of Metallurgy, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences.
Khazin Mark Leontievich, doctor of technical sciences, profesor, khasin@,ursmu. ru, Russia, Yekaterinburg, Ural State Mining University
Reference
1. Al-Salihi H. A., Mahmood A. A., Alalkawi H. J. Mechanical and wear behavior of AA7075 aluminum matrix composites reinforced by Al2O3 nanoparticles. Journal Nanocom-posites. 2019. Vol. 5. No. 3. P. 67-73.
2. Bozhko G. G., Volodina P. A., Abuzin Yu. A. Investigation of structure formation and properties of aluminum-matrix composite material of the Al - B4C - W and Al - B4C -WO3 systems. Non-ferrous metals. 2019. No. 4. S. 41-46.
3. Bozhko G. G., Volodina P. A., Abuzin Yu. A. Understanding the structure and properties of composite aluminium matrix Al - B4C - W and Al - B4C - WO3 materials. Journal Tsvetnye Metally. 2019. No. 4. R. 41-46 (In Russ.).
4. Wear resistance analysis of the 7075 aluminum alloy and the nanostructured 7075 aluminum: Silver nanoparticles composites / R. H. Estrada-Ruiz [et al.] // Journal of Mining and Metallurgy B: Metallurgy. 2016. Vol. 52. No. 2. R. 163-170.
5. Phase formation during sintering of a composite material of the Ti Al-sic system / I. A. Astapov, N. M. Vlasova, T. B. Ershova, E. A. Kirichenko / / Non-ferrous metals. 2018. No. 8. P. 75-79.
6. Phase formation during the sintering of a Ti - Al - SiC composite material / I. A. Astapov, N. M. Vlasova, T. B. Ershova, E. A. Kirichenko // Journal Tsvetnye are metally of. 2018. No. 8. P. 75-79 (In Russ.).
7. Synthesis and Characterization of the Mechanical Properties of Ti3SiC2/Mg and Cr2AlC/Mg Alloy Composites / M. Nelson [et al.] // Materials Science and Engineering: A. 2017. Vol. 705. R. 182-188.
8. Mohamed M. El-Sayed Seleman, Mohamed M. Z. Ahmed, Sabbah Ataya. Microstructure and mechanical properties of hot extruded 6016 alumi-num alloy/graphite composites // Journal of Materials Science & Technology. 2018.Vol. 34. No. 9. P. 1580-1591.
9. Ahmoum H., Boughrara M., Kerouad M. Electronic and magnetic properties of Al doped (w-BN) with intrinsic vacancy. Journal Super lattices and Microstructures. 2019. No. 1. P. 186-190.
10. You G. L., Ho N.J., Kao P.W. The microstructure and mechanical properties of an Al-CuO in situ composite produced using friction stir pro-cessing. Materials Letters. 2013. Vol. 90. P. 26-29.
11. Karbalaei Akbari M., Rajabi S., Shirvanimoghaddam K., Baharvandi HR. Wear and friction behavior of nanosized and particle-reinforced casting A356 aluminum nanocom-posites: A comparative study focusing on particle capture in matrix. Journal of Composite Materials. 2015. Vol. 49. P. 3665-3681.
12. Prusov E. S., Panfilov A. A., Kechin V. A. Modern methods of obtaining cast composite alloys. 2011. No. 12. pp. 35-39.
13. Prusov E. S., Panfilov A. A., Kechin V. A. Sovremennye metody poluchenija lityh kompozicionnyh splavov. Litejshhik Rossii. 2011. No. 12. P. 35-39 (In Russ.).
14. Habibolahzadeh A., Hassani A., Bagherpour E., and Taheri M. Dry friction and wear behavior of in-situ Al/Al3Ti composite. Journal of Composite Materials. 2014. Vol. 48. P. 1049-1059.
15. You G. L., Ho N.J., Kao P. W. In situ formation of Al2O3 nanoparticles during friction stir processing of Al-SiO2 composite. Materials Characterization. 2013. Vol. 80. P. 18.
16. You G. L., Ho N.J., Kao P. W. Aluminum based in situ nanocomposite produced from Al-Mg-CuO powder mixture by using friction stir processing. Materials Letters. 2013. Vol. 100. P. 219-222.
17. Zhu H., Dong K., Huang J., Li J., Wang G. and Xie Z. Reaction mechanism and mechanical properties of an aluminum-based composite fabri-cated in situ from Al-SiO2 system. Materials Chemistry and Physics. 2014. Vol. 145. No. 3. P. 334 341.
18. Rafalsky I. V., Arabey A.V., Nemenenok B. M. Production of silumins using quartz-containing materials. Minsk: BNTU, 2015.
19. Rafal'skii I. V., Arabei A. V., Nemenenok B. M. Proizvodstvo silu-minov s ispol'zovaniem kvartssoderzhashchikh materialov. Minsk: BNTU, 2015 (In Russ.).
20. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Gutev A. P. Production and application of si-lumin with globular silicon. 2017. No. 2. S. 15-19.
21. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Gutev A. P. Proizvodstvo i primenenie silu-mina s globulyarnym kremniem // Lit'e i metallurgiya. 2017. No. 2. P. 15-19 (In Russ.).
22. L. Bolzoni, M. Nowak, N. Hari Babu Grain refinement of Al-Si alloys by Nb-B inoculation. Part II: Applicationto commercial alloys // Materials and Design. 2015. Vol. 66. P. 376-383.
23. Mironov A. E., Gershman I. S., Gershman E. I. Interrelation of strength and chemical composition of perspective aluminum anti-friction alloys. 2018. No 1. pp. 74-79.
24. Mironov A. E., Gershman I. S., Gershman E. I. Vzaimosvyaz' prochnosti i khimicheskogo sostava perspektivnykh alyuminievykh antifrik-tsionnykh splavov // Tsvetnye metally. 2018. No 1. P. 74-79 (In Russ.).
25. Bandil K., Vashisth H., Kumar S., Verma L., Jamwal A., Kumar D., Gupta P. Microstructural, mechanical and corrosion behaviour of Al-Si alloy reinforced with SiC metal matrix composite // Journal of Composite Materials. 2019. Vol. 53. No. 28-30. P. 4215-4223.
26. Fabrication, microstructural and mechanical behavior of Al-Al2O3-SiC hybrid metal matrix composites / S. Hossain [et al.] // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 21. P. 1458-1461.
27. Advance research progresses in aluminium matrix composites: man-ufacturing & applications / P. Garg [et al.] // Journal of Materials Research and Technology. 2019. Vol. 8. No. 5. P. 4924-4939.
28. Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical Reaction and Equilibrium Software with Extensive Thermochemical Database. Pori: Outokumpu Research OY, 2006.
29. Rafalsky I. V., Nemenok B. M. Physico-chemical interaction of components of the Al/SiO2 system in metallurgical processes of synthesis of foundry dispersed-hardened aluminum alloys. 2017. No. 2. pp. 31-39.
30. Rafal'skii I. V., Nemenok B. M. Fiziko-khimicheskoe vzaimodeistvie kompo-nentov sistemy Al/SiO2 v metallurgicheskikh protsessakh sinteza liteinykh dispersno-uprochnennykh alyuminievykh splavov // Lit'e i metallurgiya. 2017. No. 2. P. 31-39 (In Russ.).
31. Apakashev R. A., Khazin M. L., Krasikov S. A. Effect of Nanostructuring of Aluminum, Copper, and Alloys on Their Basis Wear for Resistance and Hardness // Journal of Friction and Wear. 2020. Vol. 41. No. 5. P. 428-431.
УДК 622.01
ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ВЕРОЯТНОМ ОБРАЗОВАНИИ КАРСТОВЫХ
ПОЛОСТЕЙ
В.А. Подольский, В.М. Логачева, Н.П. Панчуков
Методом математического моделирования выполнена прогнозная оценка напряжений и деформаций в районе возможного развития карстовых полостей. Вычисления основаны на применении метода конечных элементов для условий плоской деформация и профильной фильтрации. Показано, что в рассматриваемых условиях осадка земной поверхности не превышает 0,025 м.
Ключевые слова: карст, механические напряжения, деформации, метод конечных элементов, осадка земной поверхности.
Территория исследования расположена в Чусовском муниципальном районе г. Чусовой Пермского края на промплощадке. Площадка застроена, в различных направлениях проходят многочисленные подземные и надземные коммуникации. В пределах исследуемого района, где долина р. Чусовой пересекает гипсоносную толщу кунгурского яруса, наблюдаются карстопроявления в виде карстовых воронок, понижений, заполненных водой, карстовых провалов.
Структурные особенности залегания гипсо-ангидритов обуславливают выход этих пород на поверхность в пределах правого коренного склона долины р. Чусовой. Кровля гипсов весьма неровная за счет выщелачивающей деятельности подземных вод. Далее к западу, толща гипсов кунгурского яруса замещается на терригенную толщу. Гипс белый, светло -серый, крупнокристаллический, трещиноватый.
