Ученые ТГУ подтвердили в ходе экспериментов, что модифицировать литейный алюминиевый сплав АК12 можно с помощью базальтовых волокон. Добавка всего 1% материала в сочетании с ультразвуковой и вибрационной обработкой расплава увеличивает прочность композита на четверть, а также улучшает его твёрдость и пластичность.
Интерес к базальтовым волокнам в последние годы растет, так как они отличаются высокой жесткостью, термостойкостью и химической инертностью при сравнительно низкой стоимости.
«Известно, что введение базальтовых волокон в алюминиевую матрицу улучшает механические свойства композитов, однако взаимодействие волокон с расплавом и их влияние на структуру в сплавах типа АК12 изучены недостаточно», — рассказывает старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории высокоэнергетических и специальных материалов ТГУ Антон Хрусталёв.
Ученые ТГУ решили исследовать эту сферу: модификацией сплава занялись сотрудники научно-исследовательской лаборатории высокоэнергетических и специальных материалов ТГУ на базе научного центра мирового уровня «Новые материалы специального назначения» под руководством директора центра и главного научного сотрудника лаборатории Александра Ворожцова.
Алюминиевые сплавы семейства силуминов входят в число самых востребованных промышленных материалов, так как они легкие, устойчивы к коррозии, а также у них хорошая литейная способность и достаточная прочность. Автомобильная и авиационная отрасли используют их для создания деталей, корпусов приборов и различных узлов. Но у силуминов есть недостаток: в их структуре формируются хрупкие игольчатые включения из кремния и интерметаллидов. Эти включения снижают пластичность и надёжность готовых изделий. Например, сплав АК12, который содержит от 10 до 13 % кремния, а также примеси железа и магния, образует интерметаллидные фазы типа Al5FeSi и Al15(Fe,Mn)3Si2.
Проблему твёрдости и пластичности сотрудники научно-исследовательской лаборатории высокоэнергетических и специальных материалов ТГУ попробовали решить за счет базальтовых волокон.
Эксперименты томских учёных показали, что базальт меняет структуру материала в лучшую сторону. Волокна предотвращают появление игольчатых включений кремния и интерметаллидов — вместо них эти элементы выделяются в виде равноосных гранёных частиц. Исследователи предполагают, что такой эффект вызван кальцием, который входит в состав базальтовых волокон.
Механические испытания подтвердили эффективность метода. Предел прочности композита вырос со 186 до 232 мегапаскалей, то есть на 25%. Сплав стал заметно пластичнее: его относительное удлинение при разрыве увеличилось с 2,8 до 3,5%. Твёрдость материала также повысилась. При этом предел текучести — напряжение, при котором сплав начинает пластически деформироваться — остался практически без изменений.
По словам Антона Хрусталёв, есть две возможных причины таких улучшений. Первая — снижение хрупкости за счёт исчезновения игольчатых включений, которые служат местами зарождения трещин. Вторая — собственные свойства базальтовых волокон: они жёсткие и прочные, поэтому для образования и распространения трещины требуется большая нагрузка.
Результаты этой работы ученые опубликовали в «Вестнике Томского государственного университета. Математика и механика» (№ 98, 2025).
Фото: ТГУ
Lx: 3289