Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках третьего года выполнения проекта получены следующие основные результаты: 1. Получены образцы композитной проволоки с разной сдвиговой прочностью границы. Проведено всестороннее исследование полученных образцов. В результате этого были получены экспериментальные данные, используемые в последующих разделах. Наибольшая прочность, модуль упругости, предельная деформация до разрушения и работа разрушения при изгибе композитной проволоки были получены при скорости протяжки в диапазоне от 6 до 8 мм/с и были равны 1950 МПа, 97 ГПа, 2,2%, 1,7 мДж, соответственно. 2. Разработаны и апробированы методика и алгоритмы совместной автоматизированной обработки и комплексного анализа данных электронной и конфокальной лазерной сканирующей микроскопий (СЭМ и КЛСМ) сложных поверхностей разрушения композитов, армированных параллельными волокнами, позволяющие определить большой набор важных количественных характеристик микроструктуры, полезных для оценки слагаемых работы разрушения композита и его прочности, понимания процессов разрушения и их моделирования. 3. Построена модель, описывающая зависимость работы разрушения и прочности однонаправленного композита на растяжение от средней прочности интерфейса волокон на сдвиг, выявлены основные геометрические и физико-механические характеристики композита, влияющие на работу разрушения и эту зависимость. Модель подтверждает, что очень прочный интерфейс, к которому стремятся многие материаловеды, в теории может обеспечить более высокую прочность композита. Однако нужная прочность интерфейса может оказаться слишком высокой из-за довольно высокого условного значения (на уровне нескольких ГПа) и быть технологически не достижима. Найдено оптимальное значение сдвиговой прочности интерфейса, которое оказалось меньше измеренного. Из этого следует, что прочность композита на растяжение может быть повышена до 2500-2700 МПа, если удастся еще уменьшить сдвиговую прочность границы. 4. На основе экспериментальных данных разработан способ экспресс-оценки сдвиговой прочности границы при трехточечном изгибе. Проведены испытания на трехточечный изгиб образцов углеалюминиевой проволоки с пролетами от 0,9 до 12 мм. Детально исследованы полученные кривые сила-прогиб, в рамках теории упругости предложено два подхода для определения эффективной прочности на сдвиг однонаправленного композита и (средней) сдвиговой прочности границы между матрицей и волокном. По экспериментальным данным определена эффективная прочность проволоки на сдвиг вдоль волокон и средняя сдвиговая прочность интерфейса волокон, которые равны 60±10 МПа. Определена прочность на срез проволоки, которая равна примерно 50÷60 МПа, т.е. довольно близка к прочности на сдвиг вдоль волокон. Кроме того, определены модуль упругости проволоки – 125±10 ГПа, ее деформация разрушения 2,2±0,2% и предел прочности проволоки на растяжение 2050±100 МПа. 5. Произведено моделирование выдергивания монофиламента из матрицы в программном комплексе ANSIS в трех различных постановках, в линейно упругой постановке с идеальным контактом на границе матрица волокном, с трением в месте контакта и в упруго пластичной постановке с трением в месте контакта. Построены эпюры распределения нормальных и касательных напряжений в продольном и радиальном направлениях. Произведено сопоставление длины волокна, на которой осуществляется передача нагрузки от матрицы к волокну, определенной по результатам моделирования и рассчитанной в соответствии с классическим представлением о критической длине волокна Тайсона-Келли. Результаты сопоставления показывают, что определение длины выдернутой части волокна на поверхности разрушения и определение по её величине сдвиговой прочности в соответствии с классическим представлением Тайсона–Келли, представляется не вполне корректным. Вероятнее всего такой расчет завышает величину выдернутой части примерно в 4 раза. 6. Разработан и апробирован лабораторный способ получения углеалюминиевых труб. Полученные образцы труб испытаны при растяжении и сжатии. Сформирован научно-технический задел для построения технологической схемы двухстадийного метода получения труб из углеалюминия, при разных режимах получено 19 образцов фрагментов углеалюминиевых труб. 7. Проведены серии испытаний на изгиб двух однонаправленных композитов в виде проволок диаметром 500 мкм с матрицами из технически чистого алюминия и из алюминия с добавкой 0.5ат.% висмута в диапазоне температур от 25°С до 600°С. Экспериментально доказано, что у проволоки с добавкой содержащий 0.5ат.% висмута прочность 2.1÷2.2 ГПа и модуль Юнга не ниже 70 ГПа остаются стабильными вплоть до температуры в 300°С. При 350÷500°С все базовые механические характеристики проволок с добавкой висмута убывают с ростом температуры, но и при 400 и 500°С предел прочности составляет 1.2 ГПа и 0.8 ГПа, т.е. остается весьма высоким по сравнению с абсолютным большинством алюминиевых сплавов, максимальная прочность которых при 500°С не превышает 20 МПа. 8. Опубликовано 3 научных статьи, соответствующих 5 отчетным единица. Сделано 11 докладов на научно-технических конференциях.