Мезокомпозиционный матерал Cu−TiB2: механические свойства, микроструктура, оптимизация состава Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Мезо-, нано-, биомеханика и механика природных процессов Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 451-453

УДК 539.5

МЕЗОКОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРАЛ Си-Т1В2: МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, МИКРОСТРУКТУРА, ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА

© 2011 г. Е.В. Карпов, М.П. Бондарь

Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, Новосибирск

evkarpov@mail.ru

Поступила в редакцию 16.06.2011

Исследован новый мезокомпозиционный материал (МК) на основе меди с упрочняющей фазой в виде включений-агломератов нанокомпозита Cu-TiB2. МК получен методом квазидинамического прессования и является термостабильным материалом, сочетающим высокую электропроводность с прочностными свойствами и износостойкостью, существенно превосходящими аналогичные характеристики чистой меди. Исследовано деформирование МК при однократном и малоцикловом одноосном сжатии, изменение микротвердости при различных видах нагружения. Определено изменение износостойкости МК в зависимости от процентного содержания TiB2. Проведено сравнение макромеханических свойств материала с особенностями эволюции микроструктуры. Сопоставление полученных результатов с анализом существующих теорий упрочнения гетерогенных материалов позволило определить механизм упрочнения нового МК, что дает возможность оптимизировать выбор его состава в зависимости от функционального назначения материала.

Ключевые слова: нанокомпозит, мезоструктурный композит, микроструктура, накопление повреждений, малоцикловое нагружение.

Объект и методы исследования

Объектом настоящего исследования является мезокомпозитный материал (МК), полученный методом квазидинамического прессования, представляющий собой металлическую матрицу с распределенными в ней включениями — агломератами [1—3]. На рис. 1 представлена схема технологического процесса формирования мезокомпозита.

Механические свойства МК

Исследовано деформирование МК при однократном и малоцикловом одноосном сжатии, изменение микротвердости при различных видах нагружения. Согласно теории Эшби, описывающей дисперсно-упрочненные сплавы, характеристика прочности материала может быть представлена как некоторая функция квадратного

прессование из смеси порошков брикета с относительной плотностью 0.65-0.8 от монолита

нагревание брикета и штамповка при 180-200 °С до относительной плотности

0.97-0.99

высокоскоростное индуктивное нагревание брикета до 1020-1040°С

V___________________У

л

горячая экструзия стержня в режиме импульсного нагружения

Рис. 1

В качестве основы МК использована чистая медь, включения — агломераты размером от 5 до 100 мкм, которые имеют состав: 28 об% меди (Си) и 72 об% диборида титана (TiB2). Диборид титана находится в меди в виде наночастиц («100 нм). МК является термостабильным материалом, сочетающим высокую электропроводность с высокими прочностными свойствами и износостойкостью, что делает целесообразным его применение для изготовления токопроводящих частей оборудования, подвергающихся значительным нагрузкам.

корня величины, характеризующей содержание упрочняющей фазы. Проведенные эксперименты показали, что функциями квадратного корня от величины процентного содержания диборида титана можно достаточно хорошо описать изменение таких характеристик МК, как предел текучести, микротвердость и предельная деформация до появления макроскопических трещин. Это свидетельствует о вкладе в упрочнение МК механизма деформации, характерного для дисперсно-упрочненных сплавов.

Т акже получены диаграммы зависимости прироста остаточной деформации от числа циклов нагружения, позволяющие оценить относительную сопротивляемость усталостному разрушению МК с разным процентным содержанием упрочняющей фазы. Определено изменение износостойкости МК в зависимости от процентного содержания ^В2. Прочностные характеристики МК и износостойкость существенно превосходят таковые для исходной меди и внутреннеокисленной меди (дисперсно-упрочненный сплав Си - 3.5 об% А1203), при этом сохраняется достаточно высокая пластичность материала при условии, что содержание упрочняющей фазы не превышает некоторого предельного значения.

Эволюция микроструктуры

МК во всех рассмотренных вариантах имеет характерную ячеистую микроструктуру: ячейки состоят из матричного материала, а границы между ними - из скоплений частиц упрочняющей фазы. Эти границы образуют в совокупности каркас, сообщающий МК высокие прочностные свойства. Размеры ячеек и массивность каркаса зависят от процентного содержания диборида титана. Одновременно каркас создает концентрацию напряжений, являющуюся источником накапливаемых в материале повреждений, уменьшающих конструкционную пластичность и снижающих сопротивляемость усталостному разрушению.

Проведено сравнение макромеханических свойств материала с особенностями эволюции микроструктуры при различных видах нагружения. Сопоставление полученных результатов с анализом существующих теорий упрочнения гетерогенных материалов позволило определить механизм упрочнения нового МК, что дает возможность оптимизировать выбор его состава в зависимости от функционального назначения материала.

Показано, что сопротивляемость усталостному разрушению зависит от природы релаксационных процессов, определенных микроструктурой мезокомпозита. Обнаружено, что в процессе

циклического деформирования происходит перераспределение повреждений, накапливаемых в объеме материала. Это приводит к стабилизации микроструктуры и увеличению средней микротвердости МК с процентным содержанием упрочняющей фазы меньше 13.6 об%. Установлено, что на процесс формирования микроструктуры МК оказывают влияние процентное содержание упрочняющей фазы, способ получения монолитного материала и последующая обработка. Эти факторы определяют размер зерна основы МК, который в большой мере влияет на механизм деформирования и, соответственно, на релаксационные процессы.

Заключение

На основе анализа результатов механических испытаний и характера эволюции микроструктуры установлены:

— механизм деформирования МК;

— роль концентрации диборида титана, определяющая степень релаксационных процессов;

— структурно стабилизирующая роль циклического нагружения, зависящая от содержания диборида титана.

Полученные результаты позволяют оптимизировать концентрацию упрочняющего элемента и условия его формирования.

Работа выполнена при поддержке Проекта No 2.13.6 Программы РАН, Интеграционного проекта №1 СО РАН, программы фундаментальных исследований СО РАН № III. 20.3. и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» государственный контракт 14.740. 11.0355.

Список литературы

1. Бондарь М.П. и др. // Физическая мезомехани-ка. 2008. Т. 11, №6. С. 39—44.

2. Бондарь М.П., Корчагин М. А., Ободовский Е.С. // Физика горения и взрыва. 2010. Т. 46, №1. С. 126— 131.

3. Bondar M.P et al. // Journal of Materials Science and Engineering. 2010. V. 4, No 3. P. 52—56.

AN EXPERIMENTAL-COMPUTATIONAL TECHNIQUE TO DETERMINE NATURAL FREQUENCIES OF A STRUCTURE

E V Karpov, M.P. Bondar

The new mesostructural composite (MC) is investigated. The base of the MC is copper and the reinforcing components are inclusions-aglomerates of nanocomposite Cu-TiB2 MC was obtained by quasidynamic pressing and it is thermally stable material, which combines high conductivity with the strength properties and wear resistance, significantly superior to the similar characteristics of pure copper. Deformation of the MC in single and low-cycle uniaxial compression, the microhardness for different types of loading are investigated. Changing of the wear resistance of MK as a function of TiB2 is percentage is analyzed. Comparison of macro-mechanical properties of the material features of the microstructure evolution take place. Comparison of the results with the analysis of existing theories of hardening of heterogeneous materials made it possible to determine the mechanism of hardening of the new MC. This makes it possible to optimize the choice of the MC depending on the functional purpose of the material.

Keywords: nanocomposite, mesostructural composite, microstructure, damage accumulation, low-cycle loading.