ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

ФОРМИРОВАНИЕ ЗОН УСТОЙЧИВОЙ ЛОКАЛИЗАЦИИ ДЕФОРМАЦИИ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ, ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕРАЗРУШАЮЩИХ ИСПЫТАНИЙ

Николай Викторович Абабков — 2023-03-31

В работе выявлены особенности формирования и развития полос Чернова-Людерса (ПЧЛ), а также зон устойчивой локализации деформации в образцах малоуглеродистой стали 20, в том числе и со структурно-фазовой неоднородностью в виде сварных швов, выполненных дуговой сваркой. В последнее время возрос интерес к исследованию формирования и распространения ПЧЛ как начальной стадии деформации. В самом деле, невозможно обойтись без исследований физической природы упругопластического перехода в металлах и сплавах, так как многие инженерные конструкции (особенно со сварными швами), используемые в технике, работают в области упругопластических деформаций и в них накапливаются значительные остаточные деформации. Анализировалась микроструктура и механические свойства материала при одноосном растяжении, были проведены механические испытания с регистрацией картин локализации деформации и металлографические исследования. Исследования проводились на двух партиях плоских образцов с головками из стали 20. Размеры рабочей части образцов 40×4×3 мм. Вторая партия была изготовлена из стали 20 (труба Ø159×18 со сварным швом). Изделие в эксплуатации не было (исходное состояние). Третья партия образцов вырезана из пароотводящей трубы теплоэнергетического оборудования также со сварным швом. Типоразмер трубы Ø159×18, срок наработки 198 тыс. часов (после эксплуатации). Механические испытания проводились на испытательной машине Walter+Bai AG LFM-125 при комнатной температуре. Скорость перемещения подвижного захвата составляла 0,4 мм/мин., что при использованной рабочей длине образцов соответствовало скорости деформирования 1,67×10^-4 с^-1 (квазистатические испытания). Установлено, что в металле сварных швов деформационные критерии разрушения ниже, чем в основном металле.

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ХРОМИСТОГО НИЗКОЛЕГИРОВАННОГО ИЗНОСОСТОЙКОГО ЧУГУНА ЧХ3

Сергей Геннадьевич Иванов — 2023-03-31

В работе представлены исследования влияния термической обработки на микроструктуру, микротвердость и структурно-фазовое состояние образцов хромистого низколегированного износостойкого чугуна марки ЧХ3. Металлографический анализ осуществляли при помощи металлографического микроскопа «Carl Zeiss Axio Observer Z1m» и программного комплекса «ThixoMet PRO». Термическую обработку образцов проводили в камерной термической печи типа СНОЛ, оборудованной ПИД-контроллером «Термодат 16-Е3». Температура нагрева под закалку составляла 890 °С, выдержка при этой температуре – 2 ч, после чего образцы извлекали из печи и подвергали остыванию на спокойном воздухе. После остывания до температуры 40-50 °С, образцы подвергали отпуску при температуре 180-200 °С в течение 2 ч. Остывшие после отпуска образцы демонстрировали твердость 54-56 HRC по сравнению с твердостью 320-340 НВ в литом состоянии. Проведенные исследования показали, что при термической обработке основной вклад в повышение твердости износостойкого хромистого чугуна ЧХ3 вносит значительное повышение (в 2-2,5 раза) твердости металлической матрицы в результате твердорастворного упрочнения и частичного выделения мелкодисперсных включений в ней карбидных частиц. Испытания термически обработанных лопаток дробеметной установки, изготовленных из чугуна ЧХ3 показали повышение ресурса работы в 8-11 раз по сравнению с литыми лопатками, не подвергнутыми термической обработке, и в 1,5-2 раза выше по сравнению с серийными лопатками дробеметной установки, изготовленными из чугуна 510Cr2, поставляемыми из КНР.

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ НАПЛАВЛЕННЫХ ОБРАЗЦОВ В РАЗЛИЧНЫХ ВНЕШНИХ УСЛОВИЯХ ИЗ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ

Дмитрий Анатольевич Чинахов — 2023-03-31

В работе исследовано влияние формирующих ограничителей (полозьев) на структуру и твердость образов из нержавеющей стали AISI 308LSi, полученных послойной электродуговой наплавкой в среде аргона. При экспериментальной наплавке образцов с использованием графитовых ограничителей наблюдается более равномерный рост элементов структуры, без резких переходов между наплавленными слоями, в отличие от двух других типов образцов. Анализ результатов измерения твердости все трех видов образцов показал, что наибольшие значения наблюдаются у образца, полученного с использованием графитовых полозьев, за счет более активной диффузии δ-феррита в аустенит в среднем на 12 %, по сравнению с исследуемыми образцами, несмотря на общий рост размеров дендритов.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ЛИСТОВ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ22 (Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe)

Екатерина Юрьевна Классман — 2023-03-31

Термическая обработка метастабильных β-титановых сплавов включает, по существу, две стадии: обработку на твердый раствор в β- или α+β-области и старение при более низких температурах. Экспериментально показано, что оптимальный комплекс механических свойств (s_в ~1400 МПа, δ ~ 7,4 %) в листовых полуфабрикатах проявляется после закалки с температуры 780 °С и последующего старения при температуре 540 °С в течение 4 часов. Отмечена определенная нестабильность механических свойств, вероятно связанная с неравномерностью горячей деформации при прокатке в процессе изготовления листов. У образцов, вырезанных из середины листовой полосы, показатели прочности на ~ 7 % выше, чем у образцов, вырезанных из других участков. А вот показатели пластичности имеют иную закономерность: у образцов, вырезанных с края прокатанной полосы пластичность выше на ~ 35 %.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТЖИГА НА МИКРОСТРУКТУРУ И ТВЁРДОСТЬ СПЛАВА ЭП648 ПОСЛЕ ПРЯМОГО ЛАЗЕРНОГО ВЫРАЩИВАНИЯ

Екатерина Александровна Носова — 2023-03-31

Методом прямого лазерного выращивания получены образцы из жаропрочного сплава на никелевой основе ЭП648. Проведён отжиг при температуре 1180 °С в течение 4 часов. Измерена твёрдость, выполнен оптический микроструктурный анализ, рентгенографический анализ. Установлено, что прямое лазерное выращивание образцов из сплава ЭП648 приводит к формированию структуры с сильным рефлексом в области угла интерференции 2θ=51°, который может принадлежать твёрдому раствора легирующих элементов в никеле, а также фазе Ni₃Cr₂. Наблюдаются пики в области углов интерференции 2θ<40°, которые могут принадлежать соединению Ni₂Cr, частицы этой фазы слабо различимы на изображениях оптической металлографии. Проведение отжига в образах по указанному режиму приводит к повышению твёрдости от 19±4 HRC до 34±0,3 HRС. В результате проведения отжига происходит появление пиков в области угла интерференции 2θ=43° и 75°, что вероятно для твёрдого раствора на основе никеля и фазы Ni₃Cr₂. При этом сохраняется ГЦК решётка со значительным превышением периода решётки по сравнению с чистым никелем и присутствие фазы Ni₂Cr. Положение и высота пиков на малых углах интерференции 2θ<40° не изменяется.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА МАРКИ ВЧ 35

Сергей Геннадьевич Иванов — 2023-03-31

Проведены исследования влияния термической обработки на эксплуатационные свойства высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита. Отжиг проводили с целью повышения прочностных свойств материала, а так же пластичности и ударной вязкости. В работе представлены результаты микроструктурного анализа высокопрочного чугуна марки ВЧ 35 после термической обработки. Проведенные исследования показали, что термообработка, представляющая собой высокотемпературный отжиг, позволяет повысить степень глобулярности графитных включений, а также повысить степень совершенства их микроструктуры. Кроме того, проведенный отжиг привел к ликвидации колоний перлита с размерами менее 1-1,5 мкм.

ВЛИЯНИЕ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ НА ТВЕРДОФАЗНУЮ СВАРИВАЕМОСТЬ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Рамиль Яватович Лутфуллин — 2023-03-31

Классическая диффузионная сварка, осуществляемая при температуре, близкой к 0,8Т_пл кристаллического сплава, под действием напряжений ниже напряжения течения и без осуществления макро пластической деформации фактически является структурно-неконтролируемым технологическим процессом. Это обстоятельство часто приводит к невозможности достижения гарантированного качества твердофазного соединения (ТФС) после диффузионной сварки. Кардинальное решение проблемы обеспечения высокого качества твердофазного соединения достижимо при использовании эффекта структурной сверхпластичности (СП). Впервые, влияние СП на повышение технологичности сварки в твердом состоянии труднообрабатываемых титановых сплавов, обнаружили и опубликовали советские исследователи в 1975 году. На сегодняшний день твердо установлена определяющая роль сверхпластической деформации в достижении требуемого качества сварки при температурах 0,6-0,4 от Т_пл на примере целого ряда титановых, алюминиевых, жаропрочных никелевых сплавов и сталей. При этом, влияние низкотемпературной СП при температурах, составляющих 0,4 от Т_пл на твердофазную свариваемость материалов, вызывает научно-практический интерес у исследователей и инженеров, оставаясь актуальной научно-технической задачей.

ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ИХ ИСТОЧНИКИ В НИКЕЛЕ ПОСЛЕ РАВНОКАНАЛЬНОГО УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ

Наталья Анатольевна Попова — 2023-03-31

Методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии проведено исследование внутренней структуры зерен, амплитуды внутренних напряжений и их источников в ультрамелкозернистом технически чистом никеле, полученном путем деформации равноканальным угловым прессованием. При равноканальном угловом прессовании образцы подвергались сдвиговой деформации сжатием по двум пересекающимся под углом 120⁰ каналам равного диаметра при температуре Т = 400 ⁰С без промежуточных отжигов. Число проходов n = 4. Установлено, что равноканальное угловое прессование привело к образованию в ультрамелкозернистом никеле частиц вторичных фаз, обладающих нанометрическим размером и локализованных внутри, на границах и в стыках зерен. Выявлены источники внутренних напряжений и определена их амплитуда. Определение амплитуды внутренних напряжений базировалось на определении кривизны-кручения кристаллической решетки по изгибным экстинкционным контурам. Установлено, что источниками внутренних напряжений являются: стыки зерен, в которых присутствуют или отсутствуют частицы вторичных фаз; границы зерен, на которых присутствуют или отсутствуют частицы вторичных фаз; частицы, расположенные на дислокациях внутри зерен, и, наконец, дислокационная структура в зернах или части зерен, в которых отсутствуют частицы вторичных фаз. Установлено, что внутренние напряжения от всех источников охватывают все зерна независимо от их внутренней структуры и носят преимущественно упругий характер. Это означает, что равноканальнаое угловое прессование привело в основном к упругому искажению кристаллической решетки никеля.

ПОЛУЧЕНИЕ БОРИДОВ МЕТАЛЛОВ В СИСТЕМЕ С ГОРЯЧИМ АНОДОМ

Юрий Федорович Иванов — 2023-03-31

Формирование покрытий является одним из активно используемых в различных областях промышленности методов расширения спектра применения изделий различного назначения, что свидетельствует об актуальности данного направления. Целью настоящей работы является исследование вакуумного ионно-плазменного метода получения покрытий на основе боридов металлов в системе с горячим анодом, анализ их структуры, фазового состава, твердости и износостойкости. Покрытия формировали на поверхности образцов нержавеющей стали на установке «КОМПЛЕКС» (Институт сильноточной электроники СО РАН). В используемом в работе методе испарение бора происходит в несамостоятельном разряде с накалённым и полым катодом и теплоизолированным анодом-тиглем; металлы испаряются с помощью вакуумно-дугового испарителя. В результате выполненных исследований подобраны оптимальные режимы нанесения покрытий, измерены скорости их осаждения. Покрытия толщиной 1 мкм были получены при одновременном осаждении металла и бора с ассистированием аргоновой плазмой. В качестве металла использовали титан, цирконий и хром. Показано, что покрытия являются многослойными, сформированы чередующимися слоями бора (толщина слоев (2,0-7,0) нм), находящегося в аморфном состоянии, и слоями из нанокристаллических частиц борида металла (толщина слоев (2,0-2,5) нм). Установлено, что микротвердость многослойного покрытия зависит от типа металла и достигает максимальных значений (50,9 ГПа; стандартное отклонение 7,9 ГПа) для системы Ti-B. Модуль Юнга покрытия для этой системы, полученный при определении твердости, 360 ГПа.

СИСТЕМЫ ДОСТАВКИ АКТИВНОГО КОМПОНЕНТА (НОВОКАИН) НА ОСНОВЕ ZIF-8

Алексей Андреевич Красников — 2023-03-31

В работе сравнивается эффективность методов загрузки лекарственного компонента (новокаина) в пористое пространство MOF: (1) одностадийная инкапсуляция in situ, когда новокаин добавляется к раствору во время синтеза ZIF-8 и структура каркаса формируется вокруг захваченной молекулы; (2) нанесение ex situ подразумевает нанесение новокаина посредством пропитки по влагоемкости носителя ZIF-8; (3) способ нанесения лекарственного компонента подразумевает метод ex situ, при котором диффузионной пропиткой (в избытке раствора лекарства) происходит адсорбция максимального количества новокаина. Полученные материалы анализировали с помощью РФА, УФ-спектроскопии, низкотемпературной адсорбции азота, РЭМ для сравнения методов внесения лекарственного компонента. Кинетические и текстурные данные показали, что наилучшим способом синтеза систем доставки лекарств для порошковых MOF являются методы пропитки. Кроме того, двухстадийный способ внесения лекарственного компонента обеспечивает контролируемую загрузку лекарственного компонента в пористое пространство и на внешнюю поверхность, и высвобождение в течение 2-4 дней.

ВЫЧИСЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ОБРАЗОВАНИЯ КРАЕВОЙ, ВИНТОВОЙ И ДВОЙНИКУЮЩЕЙ ДИСЛОКАЦИЙ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ

Геннадий Михайлович Полетаев — 2023-03-31

Предложен метод определения с помощью молекулярной динамики энергии движущихся краевой, винтовой и двойникующей дислокаций в ГЦК металлах, заключающийся в построении и анализе графика зависимости от времени энергии расчетной области, через которую проходит дислокация. В качестве ГЦК металлов взяты никель, медь, серебро и аустенит. Для описания межатомных взаимодействий в никеле, меди и серебре использовались потенциалы Клери-Росато, для аустенита – потенциал Лау. Инициирование образования и движения дислокации проводилось за счет сдвига двух частей торца расчетной ячейки в разные стороны. Полная дислокация появлялась при моделировании сразу в виде расщепленной на пару частичных дислокаций Шокли, разделенных дефектом упаковки. Расстояние между частичными дислокациями составляло несколько нанометров. При высоких скоростях сдвига оно уменьшалось. Выяснено, что скорость сдвига влияет на энергию дислокации только до значений, равных примерно 40 м/с. При больших значениях скорости энергия дислокации повышается. Кроме этого, выяснено, что, начиная с 8 межатомных расстояний (примерно 20 Å), ширина моделируемой расчетной ячейки с периодическими условиями не влияет на получаемые значения энергии дислокации. Согласно полученным данным, энергия краевой дислокации примерно в полтора раза выше энергии винтовой дислокации. Для рассматриваемых металлов энергии дислокаций коррелируют с упругими характеристиками. Энергия двойникующей дислокации существенно меньше энергии краевой или винтовой дислокаций. Движущаяся двойникующая дислокация в модели была получена в результате расщепления винтовой дислокации на двойнике на две частичные дислокации, скользящие после расщепления вдоль двойника.

СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ ПОКРЫТИЯ ВЭС Al-Fe-Co-Cr-Ni, СФОРМИРОВАННОГО НА СПЛАВЕ 5083

Юрий Федорович Иванов — 2023-03-31

Используя технологию холодного переноса металла (проволочно-дуговое аддитивное производство (WAAM), совмещенное со сварочной наплавкой (СМТ)) на подложке из сплава 5083 сформировано покрытие высокоэнтропийным сплавом (ВЭС) Al-Fe-Cr-Co-Ni неэквиатомного состава. Методами современного физического материаловедения выполнен анализ структуры, фазового и элементного состава, дефектной субструктуры системы «покрытие-подложка». Показано, что элементный и фазовый состав, дефектная субструктура покрытия зависят от расстояния до зоны контакта покрытия и подложки. В слое толщиной до 200 мкм, примыкающем к зоне контакта, выявлено присутствие включений второй фазы на границах зерен ВЭС, обогащенной атомами хрома и железа. Микродифракционным анализом установлено, что это включения Al₈Cr₅. В зоне перемешивания покрытия и подложки выявлено формирование нанокристаллической фазы Al₂O₃ и MgAlO размером 10-20 нм и субзеренной структуры (размер субзерен 140-170 нм. Структура 1-го типа характеризуется неоднородным распределением химических элементов ВЭС, выявлены области пластинчатой формы, обогащенные атомами Cr и сферической формы, обогащенные атомами Ni, Fe, Co. По границам субзерен структуры располагаются наноразмерные частицы (NiCo)₃, Al₄ и Al₁₃Fe₄. Высказано предположение о физических механизмах повышения твердости материала в зоне контакта «покрытие-подложка».

ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ С ИНДУКЦИЕЙ ДО 0,5 Тл НА ДИНАМИКУ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВИНЦА

Анна Александровна Серебрякова — 2023-03-31

В работе отражены результаты исследований воздействия внешнего магнитного поля (МП) на деформационные характеристики диамагнитного материала свинца марки С2. Первоначально, были проведены исследования процесса ползучести и микротвердости в исходном состоянии, затем производились исследования данных характеристик с применением постоянного магнитного поля. Для более качественной оценки влияния магнитного поля на динамику микротвердости и процесс ползучести в работе варьировали индукцией магнитного поля (0,3 Тл, 0,4 Тл и 0,5 Тл). В качестве материала исследования применялся свинец С2 технически чистый (99,98 %). Результаты испытаний на ползучесть свидетельствуют о наличии неоднозначного характера влияния магнитного поля на скорость ползучести, обнаружен знакопеременный эффект при увеличении значения индукции магнитного поля до 0,4 Тл и 0,5 Тл. Также, знакопеременный характер влияния магнитного поля установлен и при исследовании микротвердости. Кроме того, было обнаружено, что применение магнитного поля в процессе ползучести образца, количественно влияет на процент относительного остаточного удлинения при разрушении и продолжительность процесса ползучести. Выявлено рациональное время выдержки в магнитном поле при испытаниях на микротвердость, обнаружено, что максимальный эффект влияния магнитного поля проявляется при выдержке в течении 1 часа, в связи с чем дополнительно исследованы 2 режима выдержки в этом диапазоне (0,25 ч и 0,5 ч).

ФОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ИОННО-ПЛАЗМЕННЫМ МЕТОДОМ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СТАЛИ, СОДЕРЖАЩИХ СИЛИЦИДЫ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ

Николай Николаевич Коваль — 2023-03-31

Результатом модификации поверхности металлов и сплавов путем комбинированной обработки (напыления тонких металлических пленок с последующим перемешиванием под действием высокоинтенсивных потоков энергии) является формирование градиентной структуры поверхностного слоя материала, характеризующейся изменяющимися по глубине концентрацией легирующих элементов, фазовым составом и состоянием дефектной субструктуры, что положительно сказывается на механических и трибологических свойствах материала. Целью настоящей работы является формирование высокопрочных силицидо- и нитридосодержащих поверхностных слоев при комплексной обработке в едином вакуумном цикле, включающей нанесение покрытий тугоплавкого металла и кремния, облучение высокоинтенсивным импульсным электронным пучком и дополнительное азотирование в плазме газового разряда низкого давления. Модифицирование, сочетающее многоцикловое (до пяти циклов облучения системы «пленка/подложка») высокоскоростное плавления системы «пленка (Si (0.2 мкм) + Nb (0.2 мкм))/(сталь 40Х) подложка» интенсивным импульсным электронным пучком осуществляли на установке «КОМПЛЕКС» (Институт сильноточной электроники СО РАН) в едином вакуумном пространстве. Часть образцов была дополнительно подвергнута азотированию в плазме газового разряда низкого давления (773-873 К, 1-5 час.). Выполнены исследования и выявлен режим комплексного модифицирования, позволивший многократно повысить износостойкость (более чем в 100 раз) и микротвердость (более чем в 5 раза) поверхностного слоя исходной стали. Высказаны предположения о физической природе повышения трибологических и прочностных свойств материала.

ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ, СУБСТРУКТУРА И РЕЛЬЕФ ПОВЕРХНОСТИ МОНОКРИСТАЛЛОВ Cu–12 АТ. %Al

Юлия Владимировна Соловьева — 2023-03-31

Методами просвечивающей электронной микроскопии проведены исследования деформационного рельефа на разных стадиях деформационного упрочнения монокристаллов Cu–12 ат. % Al. Проанализирована взаимосвязь рельефа поверхности со стадиями деформационного упрочнения и субструктурной эволюцией. Подтверждено, что стадия III деформационного упрочнения определяется процессами микродвойникования. Выявлены особенности рельефа поверхности, связанные с развитием микродвойникования в плоскостях скольжения. Показано, что деформационный рельеф на стадии IV деформации содержит короткие искривленные линии сдвига. Сформулировано условие начала процесса микродвойникования. Проведены оценки плотности дислокаций, необходимой для начала процесса микродвойникования, которые показали хорошее совпадение со средней плотностью дислокаций, измеренной экспериментально.

О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КАРБИДА МОЛИБДЕНА, ПОЛУЧЕННОГО БЕЗВАКУУМНЫМ ЭЛЕКТРОДУГОВЫМ МЕТОДОМ, ВОДОРОДНОЙ ТОПЛИВНОЙ ЯЧЕЙКЕ

Юлия Захаровна Васильева — 2023-03-31

В работе представлены результаты экспериментальных исследований порошковых материалов, полученных в плазме дугового разряда постоянного тока, инициированного в открытой воздушной среде. Согласно результатам анализа продукта методами рентгеновской дифрактометрии в составе продукта синтеза идентифицируется графитоподобная углеродная фаза, фаза кубического молибдена и две фазы карбида молибдена Mo₂C и Mo_1,2C_0,8. Согласно результатам растровой микроскопии в продукте идентифицируется микроразмерная и наноразмерная составляющие, продукт состоит из 52 ± 16 вес.% молибдена, 36 ± 18 вес. % углерода, 4 ± 1 вес. % кислорода и менее чем 1 вес. % других химических элементов. Согласно данным просвечивающей электронной микроскопии углеродная составляющая представлена графитоподобной матрицей, в которую погружены частицы молибдена и карбида молибдена. В работе проведены испытания полученного порошка карбида молибдена в качестве носителя катализатора в составе водородной топливной ячейки.