Физики выяснили, почему снижается прочность авиационных сплавов

Российские и норвежские физики обнаружили, что жаропрочные алюминиевые сплавы постепенно теряют прочность при длительном нагреве и физических нагрузках в результате слияния особых пластинок внутри этих материалов. Об этом сообщила пресс-служба Российского научного фонда (РНФ). Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Materials Science and Engineering: A.

«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», — заявил старший научный сотрудник Белгородского государственного национального исследовательского университета Марат Газизов.

Газизов и его коллеги изучали свойства жаропрочных материалов на базе алюминия, меди, магния и серебра, которые широко применяются в авиационной промышленности. Для создания таких материалов исходные компоненты сплавляют, закаливают, и затем выдерживают длительное время при температуре около 200 градусов Цельсия.

Как объясняют исследователи, прочность сплава при этом повышается благодаря возникновению внутри него тонких пластин из соединений двух и более металлов. Они служат барьером для роста мелких линейных дефектов (трещин), которые могут привести к разрушению материала.

Образец сплава после нагружения до разрушения при 150°С в течение около 3000 часов. Источник: Gazizov et al. / Materials Science and Engineering: A, 2023

Авторы работы заинтересовались тем, как меняется структура и свойства этих пластин по мере износа деталей. Учёные на протяжении четырёх месяцев подвергали материалы действию температур 150 и 165 градусов Цельсия и разных механических нагрузок и отслеживали то, как меняется внутренняя структура сплава.

С течением времени пластины внутри деталей постепенно становились более толстыми и объёмными. Это было связано с тем, что на них «оседали» атомы меди, магния и серебра из соседних с ними регионов сплава, а также с тем, что некоторые мелкие пластины сливались и формировали более крупные элементы. Снижение числа пластин вело к тому, что внутри сплава становилось меньше барьеров для роста дефектов, что способствовало их ускоренному формированию.

Процесс слияния пластин, по словам исследователей, протекал значительно быстрее при одновременном нагреве и нагружении изделий, что ещё больше ускоряло износ материала. Повышение температур также ускоряло слияние пластин и снижение прочности деталей.

Как надеются учёные, собранные ими сведения помогут в разработке новых жаропрочных сплавов, менее подверженных такой форме износа. Это поможет сделать конструкции на их базе более долговечными и надёжными, считают исследователи.