ИСТИНА

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 (рис. 1), позволяющие определить большой набор важных количественных характеристик микроструктуры, полезных для оценки слагаемых работы разрушения композита и его прочности, понимания процессов разрушения и их моделирования [1]. Описаны основные этапы последовательной обработки СЭМ и КЛСМ-снимков для их сопоставления, установления попиксельной биекции между снимками, взаимообогащения и совместного анализа, возникающие трудности и пути их преодоления, особенности извлечения информации о волокнах и топографии ПР из «темных зон» снимков поверхностей разрушения со сложным рельефом с большими градиентами высот [1-4] и критерии выбора локального отсчетного уровня при определении длины (высоты над матрицей) каждого выдернутого (оголенного) волокна и площади его боковой поверхности. Ключевая идея и новизна разработанной методики обработки данных и реализующих ее программных средств – сопоставление данных двух взаимодополняющих методов микроскопии высокого разрешения и совместная обработка снимков поверхностей разрушения двух половин образца композита после его испытаний на изгиб или растяжение до разрыва. Это позволяет извлечь значительно больший объем данных, чем из отдельных снимков, восстановить по второй (комплементарной) половине образца, информацию, не доступную на первой из-за сложного рельефа поверхности разрушения и достигнуть высокой точности и надежности распознавания всех контуров структурных элементов и вычисляемых количественных характеристик. По снимкам поверхностей разрушения двух половин образца и поперечных шлифов определяются [1]: контуры всех волокон, их количество, характеристики формы их поперечных сечений (диаметр, полуоси и т.п.), распределение площадей их сечений, объемная доля волокон, плотность их распределения в поперечном сечении и характеристики его неоднородности, количество оголенных (выдернутых из матрицы) волокон на поверхности разрушения, распределение длин выдернутых волокон (рис. 2), оценки его математического ожидания и дисперсии, контуры кластеров волокон с общей плоскостью разрушения, количество кластеров в сечении образца, их площади и число волокон в них, площади рельефа матрицы и оголенных волокон на поверхности разрушения. Этапы обработки и эффективность методики и ее программной реализации продемонстрированы на примере сложных поверхностей разрушения композитной проволоки с матрицей из алюминия легированного висмутом (0.5at.%), непрерывно армированной углеродными волокнами (рис. 1) Она изготовлена на опытной установке ИФТТ РАН протяжкой нити из 1000 волокон сквозь расплав [2-5]. Диаметр проволоки 300 мкм, объемная доля волокон 60-65%. Добавка висмута в матрицу замедляет рост кристаллов карбида алюминия на границах волокон, обеспечивает уменьшение прочности и жесткости интерфейса [2-5], возрастание работы разрушения и переход к нехрупкому разрушению, и в результате – значительное повышение трещиностойкости и прочности композита CF/Al-0.5Bi во всем диапазоне температур до 400ºС [4]. Рис. 1. СЭМ-снимки поверхностей разрушения проволок CF/Al-0.5Bi (с добавкой 0.5at.% висмута в матрицу) в испытаниях на изгиб при температурах 20°С (а,б) и 150°С (в,г) [4]. Рис. 2. Частотные гистограммы распределения для поверхности разрушения образца проволоки CF/Al-0.5Bi: a – высот выдернутых волокон, б – длин выдернутых волокон Текущая работа посвящена применению разработанных алгоритмов к анализу поверхностей разрушения (построению распределения длин выдернутых волокон, вычислению средней длины и оценке неэффективной длины, детектированию кластеров волокон и числа волокон в них) конкретных композитов: 1) углеалюминиевых композитов, изготовленных при разных технологических режимах и испытанных на растяжение и изгиб до разрыва при разных температурах [2-5], 2) композитов с полимерными матрицами, 3) углерод-углеродных композитов. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 22-79-10064 Литература 1. Наконечный Е.И., Хохлов А.В., Галышев С.Н., Атанов Б.И., Орлов В.И., Жидков М.В., Гулин В.В. Математическая обработка и анализ данных электронной и лазерной сканирующей конфокальной микроскопий поверхностей разрушения однонаправленных композитов // Композиты и наноструктуры. 2025. Т.17, №2. C.83-115. 2. Galyshev S., Atanov B. Dependence of Strength of a Carbon Fiber/Aluminum Matrix Composite on the Interface Shear Strength between Matrix and Fiber // Metals. 2022, vol. 12, pp. 1753. 3. Хохлов А.В., Галышев С.Н., Атанов Б.И., Орлов В.И. Влияние расслоения материалов с низкой сдвиговой прочностью на процесс разрушения и результаты испытаний на трехточечный изгиб // Физическая мезомеханика. 2025. Т.28, №2. 4. Галышев С.Н., Хохлов А.В., Орлов В.И., Атанов Б.И. Испытания на изгиб и свойства углеволоконного композита с алюминиевой матрицей, легированной висмутом, при температурах до 500°С // Физическая мезомеханика. 2025. Т.28, №5 (в печати) 5. Atanov B., Khokhlov A., Khasanova E. Petukhov I., Ivanov A., Zaripov N., Galyshev S. The Effect of Bismuth Content on the Microstructure and Strength of Carbon Fiber / Al-Bi Alloy Matrix Composite // Mechanics of Composite Materials. 2025, vol. 61, no 3.