ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА ПУАССОНА АЛЮМОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИТА, УПРОЧНЕННОГО ПОЛЫМИ АЛЮМОСИЛИКАТНЫМИ МИКРОСФЕРАМИ

К.В. Курашкин Kurashkin; А.В. Гончар Gonchar; А.А. Соловьев Solovyov

doi:10.32326/1814-9146-2026-88-1-68-77

К.В. Курашкин Kurashkin Институт проблем машиностроения РАН – филиал Федерального исследовательского центра «Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН», Нижний Новгород
А.В. Гончар Gonchar Институт проблем машиностроения РАН – филиал Федерального исследовательского центра «Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН», Нижний Новгород
А.А. Соловьев Solovyov Институт проблем машиностроения РАН – филиал Федерального исследовательского центра «Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН», Нижний Новгород

DOI: https://doi.org/10.32326/1814-9146-2026-88-1-68-77

Ключевые слова: алюмоматричный композит, ультразвуковой контроль, предел прочности, коэффициент Пуассона

Аннотация

Рассматривается актуальная проблема неразрушающей оценки прочностных свойств литых алюмоматричных композитов по данным ультразвукового контроля. Представлены результаты ультразвуковых исследований перспективного литого изотропного композиционного материала на основе алюминиевого сплава А6, упрочненного полыми алюмосиликатными микросферами. С помощью эхо-импульсного метода определены скорости продольных и сдвиговых ультразвуковых волн в образцах, содержащих фракции микросфер размерами 40–80 мкм и 100–200 мкм, со степенью насыщения 5, 10 и 15%. На основе измерений времен распространения ультразвуковых волн рассчитаны значения коэффициента Пуассона. Установлено, что как скорости распространения продольных и сдвиговых волн, так и коэффициент Пуассона уменьшаются прямо пропорционально степени насыщения сплава полыми алюмосиликатными микросферами, при этом углы наклона прямых существенно различаются в зависимости от размера микросфер. Для образцов композита, содержащих микросферы размерами 40–80 мкм, соответствующие углы наклона линейных зависимостей меньше, чем для образцов композита, содержащих микросферы размерами 100–200 мкм. Также получено, что при одинаковой степени насыщения скорости ультразвуковых волн и коэффициент Пуассона в образцах, содержащих микросферы меньшего размера, больше, чем в образцах, содержащих микросферы большего размера. Установлена отрицательная линейная корреляция коэффициента Пуассона и предела прочности для исследованной выборки. Показано, что определяемый с помощью ультразвуковых волн коэффициент Пуассона может использоваться как информативный параметр неразрушающего контроля алюмоматричного композита, упрочненного полыми алюмосиликатными микросферами. Предложены эмпирические формулы для оценки предела прочности композита и степени насыщения полыми микросферами по данным ультразвуковых измерений.

Литература

1. Garg P., Jamwal A., Kumar D., Sadasivuni K.K., Hussain Ch.M., Gupta P. Advance research progresses in aluminium matrix composites: Manufacturing and applications. Journal of Materials Research and Technology. 2019. Vol. 8. Iss. 5. P. 4924–4939. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.06.028.
2. Chak V., Chattopadhyay H., Dora T.L. A review on fabrication methods, reinforcements and mechanical properties of aluminum matrix composites. J. Manuf. Process. 2020. Vol. 56. Pt. A. P. 1059–1074. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2020.05.042.
3. Banerji A., Surappa M.K., Rohatgi P.K. Cast aluminum alloys containing dispersions of zircon particles. Metall. Mater. Trans. B. 1983. Vol. 14. P. 273–283. https://doi.org/10.1007/BF02661024.
4. Rohatgi P.K., Raman S., Majumdar B.S., Banerjee A. Ultrasonic techniques in evaluation of metal matrix particulate composites. Materials Science and Engineering: A. 1990. Vol. 123. Iss. 1. P. 89–97. https://doi.org/10.1016/0921-5093(90)90214-n.
5. Bindumadhavan P.N., Wah H.K., Prabhakar O. Assessment of particle-matrix debonding in particulate metal matrix composites using ultrasonic velocity measurements. Materials Science and Engineering: A. 2002. Vol. 323. Iss. 1-2. P. 42–51. https://doi.org/10.1016/s0921-5093 (01)01399-5.
6. Lee J.-H, Park Y.-Ch. Nondestructive characterization of metal matrix composite by ultrasonic measurement. Compos. Eng. 1995. Vol. 5. Iss. 12. P. 1423–1431. https://doi.org/10.1016/0961-9526(95)00076-y.
7. Mouchtachi A., El Guerjouma R., Baboux J.C. Non destructive ultrasonic evaluation of fibrous metal matrix composites. Appl. Compos. Mater. 1994. Vol. 1. P. 387–393. https://doi.org/10.1007/bf00568043.
8. Toozandehjani M., Ostovan F., Shamshirsaz M., Matori Kh.A., Shafiei E. Velocity and attenuation of ultrasonic wave in Al–Al2O3 nanocomposite and their correlation to micro-structural evolution during synthesizing procedure. J. Mater. Res. Technol. 2021. Vol. 15. P. 2529–2542. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.09.065.
9. Erol A., Bilici V. ?., Y?netken A. Characterization of the elastic modulus of ceramic-metal composites with physical and mechanical properties by ultrasonic technique. Open Chem. 2022. Vol. 20. P. 593–601. https://doi.org/10.1515/chem-2022-0180.
10. G?r C.H., Ogel B. Non-destructive microstructural characterization of aluminium matrix composites by ultrasonic techniques. Mater. Charact. 2001. Vol. 47. Iss. 3-4. P. 227–233. https://doi.org/10.1016/s1044-5803(01)00174-7.
11. Mukhopadhyay A.K., Phani K.K. An analysis of microstructural parameters in the minimum contact area model for ultrasonic velocity-porosity relations. J. Eur. Ceram. Soc. 2000. Vol. 20. Iss. 1. P. 29–38. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(99)00092-8.
12. Podymova N.B., Kalashnikov I.E., Bolotova L.K., Kobeleva L.I. Laser-ultrasonic nondestructive evaluation of porosity in particulate reinforced metal-matrix composites. Ultrasonics. 2019. Vol. 99. Article No 105959. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2019.105959.
13. Krishnamurthy S., Matikas T. E., Karpur P. Role of matrix microstructure in the ultrasonic characterization of fiber-reinforced metal matrix composites. Journal of Materials Research. 1997. Vol. 12. P. 754–763. https://doi.org/10.1557/jmr.1997.0110.
14. Romanov A.D., Romanova E.A., Chernyshov E.A., Ob'edkov A.M., Semenov N.M., Kaverin B.S.,Vilkov I.V. Production of aluminum matrix composite material hardened with hollow ceramic microspheres. Metallurgist. 2021. Vol. 65. P. 320–325. https://doi.org/10.1007/s11015-021-01160-7.
15. Gonchar A.V., Kurashkin K.V., Sergeeva O.A., Solovyov A.A. Vliyanie plasticheskoy deformatsii na anizotropiyu uprugikh svoystv i skorosti ultrazvukovykh voln v nizkouglerodistoy stali [Effect of strain on the elastic anisotropy and ultrasonic wave velocities in low-carbon steel]. Problemy prochnosti i plastichnosti [Problems of Strength and Plasticity]. 2022. Vol. 84. No 2. P. 259–271 (In Russian).
16. Kuliev G.G. Determination of the Poisson's ratio in stressed media. Doklady Earth Sciences. 2000. Vol. 370. P. 206–209.
17. Carvajal L., Artigas A., Monsalve A., Vargas Y. Acoustic birefringence and Poisson's ratio determined by ultrasound: tools to follow-up deformation by cold rolling and recrystallization. Mater. Res. 2017. Vol. 20. P. 304–310. https://doi.org/10.1590/1980-5373-mr-2016-1082.
18. Mishakin V.V., Gonchar A.V., Klyushnikov V.A., Kurashkin K.V. Issledovanie vliyaniya plasticheskogo deformirovaniya na kristallograficheskuyu teksturu i ultrazvukovye kharakteristiki nizkolegirovannoy stali [Study of the effect of plastic deformation on the crystallographic texture and acoustic characteristics of low-alloy steel]. Problemy prochnosti i plastichnosti [Problems of Strength and Plasticity]. 2021. Vol. 83. No 3. P. 255–264. (In Russian).
19. Kirikov S.V., Mishakin V.V., Klyushnikov V.A. Influence of microcracks on Poisson's ratio during plastic deformation of austenitic steel. Tech. Phys. 2023. Vol. 68. P. S449–S456. https://doi.org/10.1134/S1063784223900656.
20. Mishakin V.V., Klyushnikov V.A., Gonchar A.V., Sergeeva O.A. Using the Poisson's ratio and acoustic anisotropy parameter to assess damage and accumulated plastic strain during fatigue failure of austenitic steels. Russian Journal of Nondestructive Testing. 2024. Vol. 60. P. 699–708. https://doi.org/10.1134/S1061830924700712.