Статья: МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОБЛАСТЕЙ РАЗОРИЕНТАЦИИ В ДЕФОРМИРОВАННОМ КРИСТАЛЛЕ ЖЕЛЕЗА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА (2024)

В работе представлены результаты микроструктурного анализа высокопрочного чугуна ВЧ 50, полученного методом литья в холодно-твердеющие смеси. Для металлографического анализа взяты образцы лопатки дробеметной установки, в составе которых достаточно много цементита (от 8,00 до 14,36 об. %). При большом увеличении явно видна структура эвтектики, представляющая собой смесь цементита и перлита. Чугуны, в составе которых наряду с графитом присутствует цементит, имеют повышенную твердость, большую хрупкость, плохо обрабатываются резанием и могут применяться только после графитизирующего отжига, который исправляет этот литейный брак. Для улучшения структуры был проведен отжиг при температуре 700 °С, который позволил гомогенизировать структурно - фазовое состояние и понизить твердость материала примерно в 2 раза. Повторная термообработка позволила получить равновесную структуру с мартенситной матрицей, повысить пластичность и ударную вязкость материала образцов на 20-27 %.

Исследование посвящено изучению влияния гафния на антирекристаллизационные свойства сплава 1570. В процессе исследования сплав 1570 и его модификации, содержащие 0,2 % и 0,5 % масс. гафния, исследовались в литом и гомогенизированном состояниях при помощи просвечивающей электронной микроскопии. В результате выявлено, что легирование гафнием 0,2 % масс. при отжиге в течение 4 часов при температуре 370 °С приводит к снижению объема выделившихся частиц по сравнению со сплавом 1570. При повышении концентрации гафния до 0,5 % количество частиц продолжает уменьшаться. Теоретические расчеты тормозящей и движущей сил рекристаллизации показывают, что в сплавах, содержащих гафний 0,5 % масс., при высоких параметрах Холомона-Зенера возможно протекание рекристаллизации. Отжиг при температуре 440 °С приводят к увеличению доли и уменьшению размера частиц в сплавах с содержанием гафния. Особенно сильно уменьшается размер частиц и растет их объем в сплаве с содержанием гафния 0,2 %. Таким образом, в сплавах, легированных гафнием, рекристаллизация блокируется при любых рассмотренных в данной работе параметрах Холломона-Зенера. В сплаве без гафния рост температуры отжига, наоборот, приводит к уменьшению количества частиц и увлечению их размера. В результате тормозящая сила несколько снижается, однако ее все равно достаточно для полного торможения процессов рекристаллизации.

Компьютерное моделирование новых методов обработки материалов носит многодисциплинарный характер и требует развития специального программного обеспечения с соответствующими математическими моделями и алгоритмами. В данной работе создана программа для конечно-элементного моделирования явлений, связанных с выделением Джоулева тепла в неоднородных системах. С использованием созданной программы исследована модельная система, имитирующая протекание электрического тока через полидисперсный порошковый материал. Модельный материал имеет матричную структуру, образован круглыми в сечении включениями и характеризуется различной проводимостью, концентрацией и взаимным расположением частиц. Показана возможность получения анизотропной структуры в результате теплового воздействия на порошковый материал при протекании электрического тока. Установлен перечень управляющих параметров технологического процесса для получения анизотропного порошкового материала. Предложен метод систематизации результатов компьютерного моделирования с использованием диаграмм, подобных фазовым диаграммам многокомпонентных соединений.

Кверцетин - природный флавоноид, антиоксидант. Серотонин - один из нейромедиаторов нервной системы человека, известный как «гормон счастья». Серотонин токсичен при внутривенном введении. Используемая в фармацевтике форма серотонина - соль адипиновой кислоты - обладает меньшей токсичностью, чем чистый серотонин. С учетом наличия в структуре обоих реагентов ряда активных химических групп полезно оценить возможность образования различных по составу и строению соединений названных веществ. Проведено квантово-химическое моделирование возможных сочетаний в системе «кверцетин-серотонин» в программе Gaussian 09, B3LYP/6-31+G**, модели «газ» (без учета окружающей среды) и водного окружения. Для каждого из вариантов находились энергии Гиббса (G) реагентов, возможных продуктов реакции и изменение ∆G различных маршрутов превращения. Полученные результаты показывают, что минимум изменения энергии Гиббса реакции отмечается при взаимодействии кверцетина с серотонином по типу образования аммонийной соли. Перспективным может оказаться вариант взаимодействия кверцетина по 5 положению из активных гидроксильных групп с аминогруппой серотонина. В этом случае оказывается возможной прямая реакция в так называемой «газовой» среде, обратная реакция становится возможной при изменении среды на водную. Такой маршрут реакции может реализоваться при проведении прямого твердофазного механохимического синтеза с последующим использованием комплекса «кверцетин-серотонин» в водосодержащей среде, например, в организме человека. После попадания продукта в воду термодинамически выгодным оказывается гидролиз комплекса на исходные целевые компоненты.

Динамическая теория спонтанного (при охлаждении) γ-α мартенситного превращения используется для описания формирования стопы кристаллов пакетного мартенсита. Рост мартенситного кристалла начинается с образования начального возбужденного состояния (НВС) в упругом поле дислокационного центра зарождения (ДЦЗ). НВС порождает управляющий волновой процесс (УВП), несущий пороговую деформацию. В состав УВП входят относительно длинноволновые ℓ- и относительно коротковолновые s-волны, действующие согласованно и стимулирующие трехмерную деформацию бейновского типа. Пара ℓ-волн задает ориентацию габитусной плоскости (ГП). Пакетный мартенсит состоит из кристаллов реечной формы с ГП из семейства близкого к {557}. Рассматриваются упругие поля ДЦЗ в форме прямоугольных петель. Показано, что к снятию вырождения при записи габитуса ведет использование стандартных векторов Бюргерса b смешанной ориентации относительно сегментов <110> ДЦЗ. Приведен анализ упругого поля ДЦЗ*-дислокационной петли, обрамляющей ГП возникшего кристалла мартенсита реечного типа; в качестве направления эффективного вектора Бюргерса b* используется направление макросдвига. Показано, что ДЦЗ* создает условия для воспроизводства кристаллов с одинаковыми ориентировками по эстафетному сценарию в форме стопы определенной пространственной конфигурации. Проведено обсуждение результатов, сделан вывод о возможной инициации образования не только кристаллов с ГП типа {557}, но и {112}, которые типичны для поверхностного мартенсита.

В работе двухстадийным методом получен композиционный материал на основе волокон твердого углерода, модифицированных нанолистами дисульфида молибдена. Твердый углерод, используемый в качестве основы, получен термообработкой вискозы при 810 °С. Осаждение на волокнах наночастиц MoS2 выполнено гидротермальным способом. Структура и состав композита установлены с использованием методов рентгеновской дифракции, малоуглового рентгеновского рассеяния, спектроскопии комбинационного рассеяния света, сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии, спектрофотометрии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Исследованы электрохимические характеристики композита как анодного материала для натрий-ионных аккумуляторов. Обнаружено, что за счет эффекта синергизма композиционный материал обладает преимуществами над твердым углеродом и нанокристаллическим MoS2 в отдельности. По сравнению с твердым углеродом композит демонстрирует более высокие значения удельной емкости, в том числе при высоких плотностях тока. Так, при 1000 и 2000 мА/г композиционный материал показал удельную емкость 139 и 84 мА·ч/г, тогда как твердый углерод при тех же плотностях тока обеспечивает только 73 и 45 мА·ч/г. По отношению к MoS2 композит демонстрирует лучшую циклируемость. Для MoS2 наблюдается деградация энергозапасающих свойств уже после 90 цикла. Композиционный материал, напротив, сохраняет стабильность даже на 150 цикле с емкостью 204 мА·ч/г при 200 мА/г.

Проведена адаптация термодинамических моделей неоднородных сред для их использования при изучении наноразмерных систем. Предложена аналитическая модель взаимодействия газовой фазы со стенками наноразмерных пор и вакансионных кластеров в твердых телах. Показана возможность приближенного учета межфазного взаимодействия при расчете свободной энергии системы и давления газа путем введения в уравнение состояния дополнительных слагаемых. Для приближенного расчета этих слагаемых в настоящей работе предложены простые формулы, позволяющие выполнить оценку адсорбционной поправки к свободной энергии в наноразмерных газовых пузырях аналитически. При этом взаимодействие атомов газа и стенок описывается с использованием потенциала Леннарда-Джонса. Разработанная модель использована для исследования состояния гелия, водорода и аргона в нанопорах вольфрама. Установлено, что взаимодействие со стенками дает весьма существенный вклад в свободную энергию газа, относительная доля которого сильно зависит от параметров уравнения состояния и потенциала взаимодействия молекул газа со стенками. Проведенный анализ указывает на необходимость учета “стеночных” поправок при исследовании состояния газов. Полученные результаты свидетельствуют о существенном вкладе энергии взаимодействия фаз в свободную энергию газа даже при сравнительно больших значениях радиусов пор в десятки и сотни нанометров. Влияние взаимодействия молекул газа со стенками пор на давление газа оказывается более слабым. Для всех рассмотренных случаев пренебрежение межфазным взаимодействием при расчете давления газа возможно, если радиус поры составляет не менее десяти нанометров. Полученные результаты могут быть полезны при исследовании давления газа в нанопорах твердых тел, например, в задачах плазмохимии поверхности, управляемого термоядерного синтеза, порошковой металлургии.

В настоящем исследовании продемонстрировано влияние электронно-пучковой обработкой на структуру и фазовый состав композиционного покрытия с металлической матрицей системы TiB2-Ag, нанесенное по средствам электрического взрыва. Фазовый состав и структура покрытий были исследованы при помощи методов рентгеноструктурного анализа, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Фазовый состав покрытий, полученных электровзрывным методом, варьируется от образца к образцу. Воздействие электронно-пучковой обработки привело фазовый состав покрытий к единообразию. Основными фазами после модификации покрытия электронным пучком являются Ag, TiB2 и B2O. Увеличение плотности энергии и длительности импульса приводит к уменьшению содержания легкоплавкой фазы Ag и образованию медьсодержащих фаз за счет нагрева и плавления медной подложки избыточной энергией электронного пучка. Структура покрытия представлена серебряной матрицей с включениями в виде частиц TiB2. Влияние электронно-пучковой обработки на структуру покрытия носит слабовыраженный характер. Однако под действием электронного пучка микроструктура покрытия трансформировалась в ячеистую кристаллизационную структуру. Наноструктура серебряной матрицы была преобразована в нанокристаллическую структуру со средним размером кристаллов от десятков до сотен нанометров.

В работе проанализирована физическая природа гистерезиса, его связь с процессами релаксации микронапряжений и стабилизацией мартенситной фазы, а также влияние механической нагрузки на производство энтропии и диссипацию энергии. Был исследован деформационный гистерезис в циклах мартенситных превращений в сплаве Тi50Ni49,9Mo0,1 в условиях действия механических напряжений. Деформационный гистерезис свидетельствует о том, что при накоплении и возврате деформации в цикле мартенситных превращений осуществляется диссипация энергии, указывающая на протекание необратимых процессов. Несмотря на обратимый характер накопления и возврата деформации, в термодинамическом смысле эти процессы необратимы. При охлаждении и нагреве происходит рассеяние энергии, сопровождающееся производством энтропии из-за тепловых потоков на границах раздела. Важным фактором гистерезиса является производство энтропии при обратимых мартенситных превращениях. Энтропия производится как за счет необратимых процессов внутри системы, так и на поверхности раздела со средой. При циклировании мартенситных превращений наблюдается насыщение фазового наклепа, что приводит к уменьшению площади петли гистерезиса и ее стабилизации. Таким образом, после стабилизации гистерезис обусловлен только рассеянием тепла на внутренних границах и акустической эмиссией, вклад которой в рассеяние энергии мал и может быть не учтен. Снижение площади гистерезиса при циклировании мартенситных превращений может быть связано со снижением производства энтропии за счет уменьшения числа границ в цикле превращений. Это подтверждается уменьшением объема фазы, участвующей в мартенситных превращениях, что видно по высокотемпературному возврату остаточной деформации и рентгеновским исследованиям. Рост площади стабилизированной петли гистерезиса при увеличении нагрузки объясняется усилением диссипации энергии при взаимодействии мартенситных границ с накопленными дефектами фазового наклепа.

Методом молекулярной динамики исследовано влияние одномерной нелинейной колебательной моды на макроскопические свойства бездефектных ГЦК кристаллов (Al, Cu и Ni). Для описания взаимодействия между атомами использовались стандартные потенциалы на основе метода погруженного атома. В трехмерной расчетной ячейке нелинейная колебательная мода возбуждается при перемещении четных и нечетных атомов в противоположные стороны атомной цепочки вдоль плотноупакованного кристаллографического направления [1,0,-1]. Амплитуды начальных смещений атомов изменялись в пределах 0,05-0,5 Å. Амплитуды атомов экспоненциально уменьшаются с увеличением расстояния от возбужденной атомной цепочки. Полученные колебательные моды в Al, Cu и Ni имеют жесткий тип нелинейности, то есть их частота увеличиваются с увеличением амплитуды. Мода способна накапливать колебательную энергию в диапазоне от 0,9 до 3,4 эВ на один атом. Теплоёмкость или возможность сохранять энергию системы уменьшается для ГЦК металлов с увеличением амплитуды. Возбуждение одномерной нелинейной колебательной моды приводит к возникновению сжимающих напряжений, что соответствует тепловому расширению кристалла. Благодаря высокой степени пространственной локализации вдоль одного направления, рассмотренную одномерную колебательную моду можно считать линейным дискретным бризером. Расчеты, проведенные для монокристалла Ni с двумя различными расчетными ячейками, показали, что изменение размеров не влияет на характеристики линейного дискретного бризера.

В работе исследованы фазовый состав и механические свойства интерметаллического сплава системы Ni-Al-Cr, полученного с использованием двухпроволочного электронно-лучевого аддитивного производства. Заготовки сплава получали при одновременной подаче в ванну расплава промышленных проволок нихромового сплава и алюминия. Показано, что полученный материал обладает неоднородной по фазовому составу дендритной микроструктурой, состоящей преимущественно из фаз на основе Ni3Al и Ni3Cr. При этом для полученного сплава характерна слабая анизотропия предела текучести и предела прочности на растяжение в интервале температур 300-1273 К и пластичности при температурах меньше 1073 К. При температурах механических испытаний более 1073 К образцы, ориентированные вдоль подложки, характеризуются большей пластичностью, чем те, ось растяжения которых совпадает с направлением роста, что связано с особенностями фазового состава и морфологии дендритов в аддитивно произведенном материале. Показано, что наилучшее сочетание прочности и пластичности в аддитивно произведенном сплаве системы Ni-Al-Cr наблюдается в интервале температур растяжения 673-873 К. Исследуемые интерметаллические сплавы разработаны для производства интерметаллических покрытий методом электронно-лучевого аддитивного производства.

Пятикомпонентные высокоэнтропийные сплавы ВЭС типа сплава CoCrFeNiMn Кантора, обладающие хорошим сочетанием прочностных и пластических свойств и имеющие благоприятные перспективы практического использования, вот уже более четверти века активно исследуются во всем мире. В статье представлен краткий обзор публикаций в основном зарубежных исследователей по поиску направлений изменения, (улучшения) свойств этих сплавов и их практическому применению. Проанализированы теоретические и экспериментальные работы, свидетельствующие о возможности электронных структур в формировании свойств высокоэнтропийных сплавов. Изучение магнитных свойств ВЭС, может дать важную дополнительную информацию об их электронной структуре. На примере ВЭС (CoCrFeMn)1- х Ni х, содержащих пять ферромагнитных элементов, прослежена эволюция магнитной природы с изменением температуры. Обращено внимание на необходимость ускорения масштабного практического применения ВЭС. Показаны трудности и сдерживающие факторы практического использования ВЭС и пути их преодоления. В этом направлении проведен анализ публикаций в зарубежной печати о путях создания ВЭС из отходов (лома) машиностроительной и металлургической промышленности. Выполнено сравнение структурно-фазовых состояний и механических свойств ВЭС, изготовленных из чистых составляющих элементов и отходов, содержащих нержавеющую сталь, нихром, кобальтовые сплавы.