Слияние упрочняющих элементов в сплаве привело к потере прочности

Жаропрочные алюминиевые сплавы, используемые в авиастроении, содержат в своей структуре частицы в виде пластин, которые, подобно каркасу, улучшают их способность сопротивляться разрушению и деформации. Ученые показали, что при нагреве и длительной нагрузке эти пластины сливаются. В результате со временем в материале количество упрочняющих «элементов» снижается на несколько порядков, и он теряет свои уникальные прочностные свойства. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Materials Science and Engineering: A.

Жаропрочные сплавы на основе алюминия, меди, магния и серебра широко используются в конструкциях современных самолетов. Поэтому они должны одновременно выдерживать большие нагрузки и высокую температуру в течение достаточно длительного времени. Чтобы добиться этого, сплавы подвергают термической обработке, включающей закалку — нагрев и быстрое охлаждение — и последующее старение — выдержку при умеренно высоких температурах (до 200°С). После старения структура материала становится неоднородной: в ней появляются тонкие пластины — интерметаллиды, то есть соединения двух и более металлов — алюминия, меди, магния и серебра, — которые становятся каркасом, повышающим прочность сплава. Такие пластины делают сплав более устойчивым к нагрузкам, поскольку служат барьером для перемещения дислокаций — линейных дефектов, которые можно сравнить с тонкими проволочками. Когда сплав испытывает нагрузки, эти «проволочки» лавинообразно возникают и перемещаются в толще любого кристаллического материала и буквально «разрезают» его. Накопление дислокаций в определенных областях приводит к образованию трещин и последующему разрушению сплава. Встречая на своем пути упрочняющие частицы-пластины, дислокации «упираются» в них, что затрудняет деформацию и разрушение материала.

Ученые из Белгородского государственного национального исследовательского университета (Белгород), Челябинского государственного университета (Челябинск) вместе с коллегами из Норвежского университета естественных и технических наук (Норвегия) исследовали, что происходит с упрочняющими пластинами в сплаве при нагрузках и высокой температуре. Авторы отлили образцы из алюминия, меди, магния и серебра и подвергли их термической обработке для повышения прочности. После этого материал нагружали до разрушения при температурах 150°С и 165°С в течение различного времени (до 3000 часов — около четырех месяцев). Выбранные исследователями температуры испытания соответствуют температурам, при которых в реальности эксплуатируются сплавы.

В сплавах, испытавших нагрузку и нагрев до 150°С, интерметаллидные пластины огрубели, то есть стали толще, а также увеличился их диаметр и объемная доля. Авторы пришли к выводу: это произошло потому, что на пластины «оседали» окружающие их элементы сплава, в частности медь, магний и серебро. Кроме того, укрупнение некоторых частиц происходило за счет сливания с ними более мелких, что привело к усилению эффекта. Следует отметить, что при нагружении сплава данные процессы из-за дислокаций шли на порядок быстрее, чем при обычном нагревании.

Казалось бы, чем крупнее частицы, придающие прочность сплаву, и чем больше их объемная доля, тем выше должна быть прочность материала. Однако на практике все иначе. Поскольку мелкие пластины исчезают, сливаясь с более крупными, общее количество и частота расположения таких опорных конструкций значительно уменьшается. Как следствие, для движения дислокаций остается меньше барьеров, и материал разрушается при меньших нагрузках.

«Полученные результаты помогают нам лучше понять факторы, ответственные за прочностные свойства сплава на основе алюминия, меди, магния и серебра. Это позволяет лучше подобрать их химический состав, а также условия получения для применения в авиастроении. Это важно, поскольку такие материалы должны быть прочными, устойчивыми к высоким температурам и пластичными. В дальнейшем мы планируем продолжить работу в данном направлении и добиться улучшения прочности и пластичности алюминиевых сплавов других составов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Марат Газизов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов Белгородского государственного национального исследовательского университета.