ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕРХПЛАСТИЧНЫХ ПРОКЛАДОК В ТЕХНОЛОГИИ ТВЕРДОФАЗНОЙ СВАРКИ

Рамиль Лутфуллин — 2025-09-30

Наивысшая эффективность применения сверхпластичности (СП) в технологии твердофаз-ной сварки определяется возможностью ее реализации в сварной зоне. При этом наиболее рационально, чтобы сверхпластической деформации подвергались не сами свариваемые заготовки, а что более техноло-гично, если ее ограничить в узкой соединяемой зоне. Такая возможность управления локальностью протека-ния сверхпластической деформации возможна в случае использования промежуточных сверхпластичных прокладок между соединяемыми заготовками. Рассмотрены результаты экспериментальных работ по твер-дофазной сварке заготовок из промышленного титанового сплава ВТ6 с использованием мелкозернистых и ультрамелкозернистых (УМЗ) прокладок из разноименных титановых сплавов. Применение мелкозернистой прокладки позволяет в режиме традиционной СП успешно сваривать крупнозернистые заготовки, неспособ-ные к сверхпластической деформации. При использовании наноструктурированных или УМЗ прокладок становится возможным успешная сварка мелкозернистых и крупнозернистых заготовок в температурных режимах проявления как традиционной, так и низкотемпературной СП при пониженных температурах. Пер-спективным представляется твердофазная сварка жаропрочных никелевых сплавов через сверхпластичную прокладку. В этом случае наряду с достижением высокого качества сварного соединения, устраняется тех-нологически сложная проблема подготовки мелкозернистой или УМЗ структуры в соединяемых крупнога-баритных заготовках.

ОБЗОР ПОСЛЕДНИХ РАБОТ ПО ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛЕЙ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ИХ СВОЙСТВ

Илья Сугоняко — 2025-09-30

Электроимпульсная обработка (ЭИО) сталей, основанная на электропластическом эффекте (ЭПЭ), нашла широкое применение в разных отраслях промышленности. ЭПЭ чаще всего объясняется сов-местным воздействием тепловых эффектов (неоднородное выделение джоулева тепла на дефектах структу-ры), атермических эффектов (действие электронного ветра, скин-эффект, взаимодействие дислокаций с ло-кальными стопорами) и воздействием магнитного поля (пинч-эффект, спиновое разупрочнение металла). ЭИО обычно применяют с целью залечивания дефектов (усталостных трещин или пор), улучшения микро-структуры (измельчения зерен, изменения фазового состава, осуществления фазовых превращений, раство-рения нежелательных частиц), повышения механических свойств (пластичности), повышения коррозионной стойкости и износостойкости, снижения остаточных напряжений и повышения эффективности методов об-работки металлов давлением (вытяжки, прокатки, и т.д.). Целью данного обзора был анализ работ и обоб-щение достижений по ЭИО сталей за последние несколько лет. Были рассмотрены работы по ЭИО различ-ных сталей для каждой из выше перечисленных целей. Кроме того, среди новых достижений в области ЭИО можно выделить применение этого метода для улучшение микроструктуры сталей, полученных технологи-ями аддитивного производства. Также в настоящее время при изучении ЭИО начинают применяться ком-пьютерное моделирование (например, метод конечных элементов) и методы машинного обучения.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИСТЕМЫ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ CoCrFeMnNi МЕТОДОМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Анна Шуберт — 2025-09-30

В данной работе исследованы термические свойства высокоэнтропийного сплава системы CoCrFeMnNi методом дифференциального термического анализа (ДТА). Основной целью исследования является изучение фазовых переходов и поведения теплового потока в сплавах с различным содержанием железа (Fe) и марганца (Mn). Выбор сплава CoCrFeMnNi, известного как сплав Кантора, обусловлен его уникальной пластичностью при экстремальных температурах, что делает его перспективным для применения в тяжелонагруженных системах. Методология исследования заключалась в проведении ДТА на пяти образцах сплава с варьируемым содержанием Fe и Mn, нагретых в среде аргона до 1550 °C. В ходе эксперимента были зарегистрированы тепловые эффекты, свидетельствующие о плавлении, фазовых переходах и гомогенизации компонентов. Полученные результаты показывают, что изменение процентного содержания Fe и Mn оказывает значительное влияние на температурные характеристики и фазовые превращения сплавов. Эти данные могут быть полезны при разработке новых материалов для экстремальных условий эксплуатации, таких как аэрокосмическая и энергетическая отрасли. Выводы исследования подтверждают зависимость фазовых переходов от химического состава сплава

СТРУКТУРА И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА Ni-Ti, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ ПРОВОЛОЧНОГО ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Андрей Лучин — 2025-09-30

Получение сплавов на основе Ni и Ti методами аддитивного производства (АП) – одна из актуальных технологических задач, решение которой способствовало бы удешевлению и упрощению производства крупногабаритных функциональных изделий сложной формы. В работе методом проволочного электронно-лучевого аддитивного производства (ЭЛАП) получен образец биметаллического сплава Ni-Ti послойным нанесением слоев Ni в нижней его части, а затем слоев Ti – в верхней. Согласно данным рентгеновского дифракционного анализа и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, полученный многослойный биметаллический образец содержит в себе множество фаз, присутствие и распределение которых зависит от соотношения Ni и Ti в каждом слое. Это область с чистым никелем в нижней части образца, α-Ti с разной концентрацией растворенного никеля – в верхней, и интерметаллиды Ni₃Ti, NiTi, NiTi₂ – в центральной «переходной» области между Ni и Ti. Микротвердость в «переходной» области изменяется в широком диапазоне значений 3,5 – 5,5 ГПа. Она определяется соотношением и распределением интерметаллидных фаз, формирующихся вследствие разного соотношения элементов и «термической истории» каждого последующего слоя. Анализ металлографических изображений и изображений, полученных методом сканирующей электронной микроскопии, показал, что в полученном материале отсутствуют макроскопические и микроскопические поры или трещины, и материал в пределах каждого слоя является сплошным. Полученные данные подтверждают перспективность использования метода ЭЛАП для производства функциональных интерметаллических сплавов на основе Ni-Ti и биметаллических материалов на их основе.

ПЕРСПЕКТИВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОЙ ПАМЯТИ: ФЕРРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И РЕЗИСТИВНЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Юрий Гафнер — 2025-09-30

Существующие в настоящее время ограничения традиционной микроэлектроники в решении множества сложных технических задач являются одной из причин развития нанотехнологий. К числу таких задач можно отнести потребность в улучшении характеристик долговременных запоминающих устройств. Если рассматривать эволюцию систем хранения информации, то особый интерес вызывают электрические, магнитные, оптические и фазово-структурные свойства материалов, применяемых для записи данных. Мы рассмотрим два способа из перечисленных, а именно метод хранения информации с использованием систем, принцип действия которых основан на поляризации сегнетоэлектрического слоя (FRAM) и управлении электрическим сопротивлением рабочего слоя с помощью электрического поля (RRAM). Во FRAM запись данных осуществляется путем приложения электрического поля, которое меняет направление вектора поляризации определяющего состояние бита. Затем информация может многократно считываться без разрушения состояния ячейки, а также восстанавливаться путем обратного переключения поляризационного состояния. Работа RRAM предполагает, что изменяется сопротивление материала, тем самым происходит быстрые запись и считывание информации. Оба метода демонстрируют значительные преимущества перед традиционными видами энергонезависимыми запоминающими устройствами, однако существует необходимость дальнейших исследований, которые позволят снизить потребляемую мощность, повысить надежность и соответствовать требованиям технических задач настоящего времени.

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НАПЛАВКИ БЫСТРОРЕЖУЩЕЙ МОЛИБДЕНОВОЙ СТАЛИ

Виктор Громов — 2025-09-30

Методами современного физического материаловедения (оптическая сканирующая элек-тронная микроскопия, измерение микротвердости) исследованы структурно-фазовые состояния и свойства плазменной наплавки токоведущей порошковой проволокой в среде азота быстрорежущей молибденовой стали типа М10 на подложку из среднеуглеродистой стали 30 ХГСА. Сформированный слой толщиной ~10 мм имеет поликристаллическую структуру дендритного типа. Методами картирования выявлена локализа-ция молибдена, хрома, алюминия, кремния в структуре наплавки. Методом микрорентгеноспектрального анализа «по точкам» показано, что в областях материала, обогащенных атомами алюминия, присутствуют углерод, азот и кислород. Это приводит к образованию оксикарбонитридов субмикронных размеров, распо-ложенных хаотически. Относительное содержание всех элементов наплавки, исключая углерод, кислород и марганец, снижается по мере приближения к зоне контакта наплавка-подложка. Построенный профиль мик-ротвердости выявил существенную ее зависимость от расстояния до подложки. Максимальной микротвер-достью (среднее значение 5,60 ГПа) обладает поверхностный слой толщиной ~1 мм. По мере удаления от поверхности микротвердость резко снижается, приближаясь к микротвердости подложки. Среднее значение микротвердости наплавки ~ в 1,8 раза превышает микротвердость стали 30ХГСА (подложка).

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ИМПУЛЬСНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ НА СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА

Алена Коржова — 2025-09-30

Представлены результаты исследования структурных и функциональных свойств политетрафторэтилена (ПТФЭ) после обработки поверхности импульсным электронным пучком. Электронно-пучковую модификацию осуществляли при длительности воздействия 100 мкс; плотности тока пучка 0,25-1,23 А/см², давлении 5-7 Па и ускоряющем напряжении 8-9 кВ. Проведена оценка смачиваемости поверхности и рассчитана свободная поверхностная энергия образцов, осуществлен анализ изменения прочности, удлинения и модуля упругости в результате модифицирования, оценена твердость материалов и кристаллические свойства. Для модифицированного ПТФЭ отмечено снижение краевого угла смачивания, которое достигает минимальных значений 64,5°, и повышение свободной поверхностной энергии, достигающее в максимальном значении 55,5 мН/м. Для большинства исследованных образцов наблюдается увеличение прочности при растяжении и снижение показателя относительного удлинения при разрыве. Модуль упругости образцов при этом значительно повышается. Кристаллическая структура ПТФЭ после модификации изменяется незначительно, при этом размер кристаллитов в материале уменьшается с 74 нм до 67-73 нм. Таким образом, обработка ПТФЭ импульсным электронным пучком позволяет существенно повысить поверхностную энергию, сохраняя при этом основные механические характеристики на уровне исходного материала. Полученные результаты подтверждают эффективность электронно-пучковой обработки для направленной модификации поверхностных свойств политетрафторэтилена без ухудшения его прочностных показателей.

СВЕРХЗВУКОВЫЕ КРАУДИН-ФОКУСОННЫЕ ТАНДЕМЫ В 3D КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ КРИСТАЛЛА Cu

Николай Медведев — 2025-09-30

В данной работе посредством метода молекулярной динамики с использованием моди-фицированного потенциала Морзе рассматривается проблема возбуждения n-краудионов в 3D моделях ГЦК кристаллов. Необходимость модификации потенциала Морзе обусловлена тем, что при моделирова-нии взаимодействия атомов с высокими скоростями он занижает их диаметры. Использовалась модель кристалла меди. Изучались результаты одновременного запуска нескольких соседних атомов, находя-щихся в плотноупакованном ряду с одинаковыми кинетическими энергиями на порядок и более превы-шающих пороговую энергию образования пары Френкеля. Обнаружено, что возникающие сверхзвуковые краудионы и n-краудионы неизбежно производят некоторое количество фокусонов. Число фокусонов может быть на единицу меньше или равно числу краудионов. Сумма количества фокусонов и краудионов всегда равна числу атомов, которым в начальный момент придали начальную скорость. Рассматривая па-ру атомов, находящихся на расстоянии в несколько межатомных расстояний друг от друга, которым со-общалась начальная кинетическая энергия выше пороговой энергии образования пар Френкеля, изучен механизм превращения краудиона в фокусон. Определены условия, при которых атомы, которым сооб-щают начальную кинетическую энергию намного превышающую энергию образования пары Френкеля, всегда образуют только краудионы.

ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ КРИСТАЛЛОВ LiMO2 (M = B, Al, Ga, In, Tl)

Екатерина Дугинова — 2025-09-30

В рамках теории функционала плотности (DFT) впервые исследована структура халькопирита гипотетических соединений LiMO₂ (M = Al, Ga, In, Tl), определены равновесные структурные параметры. Расчеты энергетической зонной структуры кристаллов LiMO₂ проведены с помощью программных кодов CRYSTAL и Quantum Espresso с использованием функционалов LDA, GGA, PBE и PBEsol. В точках высокой симметрии для халькопиритов (T, Г, N) вычислена энергетическая зонная структура и плотность состояний кристаллов LiMO₂. Все исследуемые кристаллы LiMO₂ являются широкозонными. Оценены значения ширины запрещенной зоны E_g, установлены особенности изменения E_g и полной ширины валентной зоны при замещении катиона в ряду B→Al→Ga→In→Tl. Это влияет на изменение свойств в ряду кристаллов от явных диэлектриков (первые три) до узкозонных (LiTlO₂) полупроводников. Выявлены особенности формирования края зоны проводимости в зависимости от химического состава кристаллов LiMO₂. Дно зоны проводимости в точке Г кристаллов LiMO₂ имеет симметрию Г₁_C или Г₃_C, из-за чего различаются соответственно прямозонные и псевдопрямозонные кристаллы. Выявлено, что кристаллы обладают свойствами полупроводников и диэлектриков.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА СИАЛОНА В РЕЖИМЕ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ SiO2 РАЗНЫХ ФРАКЦИЙ

Людмила Кондратьева — 2025-09-30

Представлены результаты исследований возможности получения порошка сиалона по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Получение сиалона осуществлялось при горении реакционной шихты, состоящей из азида натрия NaN₃, фторида алюминия AlF₃ и оксида кремния SiO₂. Оксид кремния использовался в виде кварцевого песка двух фракций (0,8-1,2 мм и 0,1-0,3 мм) и аэросила. Использование кварцевого песка фракции 0,1-0,3 мм привело к получению продукта с наибольшим количеством фазы сиалона (55 %). Кроме этого, сиалон состава Si_1.96Al_0.04O_1.04N_1.96 удалось синтезировать уже при температуре 1200ºС, что на несколько сотен градусов ниже температуры получения сиалонов по другим технологиям. Микроструктура целевого продукта, при использовании в шихте SiO₂-NaN₃-AlF₃ кварцевого песка с размером частиц 0,1-0,3 мм, состояла из равноосных частиц сиалона Si_1.96Al_0.04O_1.04N_1.96, гексафторалюмината натрия Na₃AlF₆ и оксида кремния SiO₂. Средний размер частиц сиалона находился в пределах от 100 до 150 нм. В продукте, который был синтезирован из шихты, в состав которой входил аэросил, обнаружены фазы сиалоны другого состава Si_1.6Al_0.4O_1.4N_1.6 (8%) и SiAlON (12%). Это говорит о том, что разные фракции SiO₂ в исходной шихте оказывают влияние на фазовый состав не только всего конечного продукта, но и на состав сиалона.

ПОЛУЧЕНИЕ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОСТНЫХ ТКАНЕЙ НА ОСНОВЕ БИОСТЕКЛА SiO₂-CaO

Дарья Лыткина — 2025-09-30

Всемирная организация здравоохранения отмечает значительный рост доли костно-мышечных заболеваний как причины потери лет здоровой жизни, что подчеркивает необходимость разработки эффективных стратегий регенерации костной ткани. Особую актуальность приобретает проблема остеопороза, занимающего четвертое место среди неинфекционных заболеваний. Традиционные методы лечения, включая аутотрансплантацию, обладают существенными ограничениями, такими как дефицит донорского материала и риск осложнений. В связи с этим перспективным направлением является создание синтетических биоматериалов, способных воспроизводить структуру и функцию натуральной костной ткани. Ключевыми требованиями к таким материалам являются оптимальная пористость, механическая прочность и биоактивность. Особый интерес представляют композиты на основе биоактивного стекла (БС), демонстрирующие высокий остеогенный потенциал. Модификация БС аминокислотами, в частности глицином, открывает новые возможности для управления морфологией и функциональными свойствами материала. Однако механизмы взаимодействия аминокислот с поверхностью БС остаются недостаточно изученными, что ограничивает целенаправленный дизайн таких систем. В работе представлен синтез и характеристика композитных материалов на основе биоактивного стекла (БС) системы SiO₂-CaO (60/40 мол.%), модифицированного глицином. Для характеристики материалов применяли комплекс физико-химических методов: сканирующую электронную микроскопию, рентгенофазовый анализ для определения кристаллической структуры, ИК-спектроскопию для идентификации функциональных групп, низкотемературную дсорбцию азота для оценки удельной поверхности и пористости. Клеточную жизнеспособность определяли через 6 суток инкубации с образцами с помощью флуоресцентного теста Alamar Blue. Полученные результаты демонстрируют перспективность разработанных композитных материалов для применения в регенеративной медицине. Установлено, что параметры синтеза и модификация глицином существенно влияют на морфологию, пористую структуру и биологическую активность материалов. Цель настоящего исследования – разработка композитных материалов на основе системы SiO₂-CaO, модифицированных аминокислотами, и комплексное изучение их физико-химических и биомедицинских характеристик.

ОБРАБОТКА ИМПУЛЬСНЫМ ТОКОМ ПЛАСТИН ТИТАНОВОГО СПЛАВА ВТ6 ПОСЛЕ ГИБКИ ДЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ ПРУЖИНЕНИЯ

Алина Моркина — 2025-09-30

Пружинение титановых сплавов после операции гибки представляет собой серьезную тех-нологическую проблему в авиационной, медицинской и других отраслях промышленности. В данной работе исследована возможность снижения эффекта пружинения пластин из сплава ВТ6 с помощью электроим-пульсной обработки после деформации. В отличие от традиционных подходов, требующих энергоемкого нагрева заготовок, предложенная технология предполагает подачу импульсного тока через инструменталь-ную оснастку (матрицу и пуансон), что значительно упрощает процесс. Эксперименты проводились на об-разцах толщиной 0,77 и 2,1 мм и шириной 4 мм. Импульсный ток подавался от конденсаторной батареи за-ряженной до 100-180 В, количество импульсов варьировалось от 1 до 10. Результаты показали, что для тон-ких пластин (0,77 мм) правильно подобранные параметры обработки позволяют полностью устранить пру-жинение, в то время как для более толстых образцов угол восстановления уменьшается с 107-109,5° до 100°. Микроструктурный анализ методом РЭМ выявил, что снижение пружинения связано с α→β фазовым пре-вращением в зоне пластической деформации, а также с обогащением поверхностного слоя железом (до 14-16 мас.%) вследствие эрозии стального пуансона. Полученные результаты демонстрируют перспективность электроимпульсной обработки как технологического метода контроля геометрической точности изделий из титановых сплавов, сочетающего в себе подавление пружинения и модификацию химического состава по-верхностного слоя материала.