Статьи

Методами просвечивающей дифракционной электронной микроскопии на тонких фольгах проведены исследования влияния металла наплавки, выполненной сварочной проволокой типа 35Х5ГФНВМ, на структуру подложки из стали 20. Выполнен количественный анализ изменения тонкой структуры материалов подложки и наплавки на различном расстоянии (0,5 и 3,0 мм) от линии сплавления. Определены морфологические составляющие структуры, их объемная доля и фазовый состав. Установлено, что в исходном состоянии сталь 20 представлена пластинчатым перлитом и ферритом. Наплавка сварочной проволокой привела к существенному разрушению пластинчатого перлита, полной фрагментации феррита, выделению мелких частиц цементита на границах и в стыках фрагментов феррита, созданию упруго-напряженного состояния матрицы стали и упрочнению подложки в 1,5 раза.

Поиск и расчетное обоснование новых материалов для ответственных элементов измерительных приборов ведется в современных условиях с применением методов компьютерного моделирования. В статье представлены результаты разработки компьютерной модели для оценки неравномерного температурного поля в поверхностном слое электрического контакта, возникающего из-за выделения Джоулева тепла в предположении неровной поверхности соприкосновения. Предложена концепция микроконтактных точек, пиковое повышение температуры в которых приводят к деградации контактных материалов за счет изменения фазового состава и эффектов упорядочения атомов в кристаллической решетке. Выполнены вычислительные эксперименты с использованием авторской программы, процессор которой использует метод конечных элементов.

В работе представлены результаты исследований свойств покрытий, формируемых в дисперсных электролитах с наночастицами пентаоксида тантала. Полученные данные свидетельствуют о биоактивности и биосовместимости исследуемых покрытий. Наночастицы пентаоксида тантала действуют как центры зародышеобразования фосфатов кальция и существенно ускоряют образование гидроксиапатита и его предшественников на поверхности покрытия. Более высокая шероховатость поверхности образцов и наличие агломератов частиц пентаоксида тантала способствуют повышению скорости формирования слоя апатитов вокруг агломератов по сравнению с базовым ПЭО-покрытием. Подобные свойства делают данные покрытия перспективными для защиты биорезорбируемых имплантатов на основе магниевых сплавов. Согласно in vivo исследованиям на покрытиях содержащих наночастицы Ta2O5, морфология клеток, аналогична контрольным образцам, что свидетельствует о хорошей биосовместимости покрытий. Результаты как СЭМ, так и гистологического анализа демонстрируют высокую биосовместимость образцов с пентаоксидом тантала. Морфология таких покрытий облегчает адсорбцию белков плазмы крови, что способствует врастанию ткани по сравнению с чистым сплавом магния. Покрытия предотвращают непосредственный контакт магниевого сплава с коррозионной средой, существенно снижая интенсивность коррозионного разрушения, что предохраняет прилегающие ткани от повреждений и отслоений, вызванных скоплением газов и чрезмерным подщелачиванием окружающей имплантат среды, и обеспечивает положительный иммунный ответ. Исследования антибактериальных свойств покрытий с наночастицами Ta2O5 не выявили наличия зоны подавления роста бактерий в чашках Петри. Однако пентаоксид тантала мешает образоваться бактериальной пленке на поверхности имплантата, предотвращая бактериальную адгезию, значительно снижая риск развития имплантат-ассоциированных инфекций.

Методами, просвечивающие электронный микроскопии выполнен анализ субструктуры цемента в головке длинномерных рельсов специального назначения категории ДТ400ИК из заэвтектоидной стали после длительной эксплуатации на экспериментально на кольце РЖД (пропущенный тоннаж 187 млн. тонн). Показано, что после эксплуатации пластины цементита искривляются и разделяются ферритными мостиками. В пластинах феррита и цементита формируется дислокационная субструктура: хаотически распределенного и сеченого типа в феррите и упорядоченная в цементе. Отмечена повышенная плотность дислокаций на межфазных границах феррит-цементит по сравнению с объемом ферритных пластин. Указаны два возможных механизма деформационного преобразования зерен пластинчатого перлита: разрушение пластин цементита и вытягивание углерода из решетки карбидной фазы. Указано, что вынос углерода из цементитных пластин происходит наиболее интенсивно вблизи дефектов феррите и цементите. Образованные наноразмерные частицы третичного цементита распределены в ферритных пластинах неравномерно, большая их часть наблюдается в местах расположения ферритных субзерен и межфазных границ. Это приводит к неоднородному дифракционному контрасту на темнопольных изображениях цементных пластин. Выявлена фрагментация пластин феррита и цементита и оценены азимутальные составляющие углов полной разориентации. По всем установленным закономерностям преобразования субструктуры цементита осуществлено сравнение с результатами для рельсов из доэвтектоидной стали.

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.

Представлен обзор научно-технической литературы, посвященной исследованию закалочной чувствительности деформируемых термически упрочняемых алюминиевых сплавов системы Al–Mg–Si (серия 6ХХХ). Проведен анализ современного состояния и последних достижений в данной области исследований. Рассмотрены факторы, влияющие на закалочную чувствительность данных сплавов. Изложены некоторые аспекты влияния пониженной скорости закалки на процесс старения и свойства материала. Выявлено, что важной тенденцией при изучении фазовых превращений сплавов серии 6ХХХ является применение дифференциальной сканирующей калориметрии и математического моделирования.

В настоящее время задача увеличения объемов применения литейных магниевых сплавов в перспективных изделиях авиакосмической и военной техники является актуальной. К механическим, коррозионным и технологическим характеристикам, а также условиям эксплуатации деталей из магниевых сплавов предъявляют высокие требования. Основной задачей технологов, разрабатывающих материалы и технологии производства сплавов системы Mg–Al–Zn–Mn, является получение сплавов с равноосной тонкодисперсной структурой, обеспечивающей высокий уровень свойств отливок и деталей.

Исследованы структура, твердость и триботехнические характеристики электроискрового покрытия на основе высокоазотистой конструкционной стали системы легирования Fe–C–Cr–Mn–Mo–Ni–V. Установлено, что предельная толщина покрытия на основе стали составляет 34,5 мкм. При этом в процессе нанесения снижается концентрация азота в самом покрытии. Наилучшей износостойкостью обладают образцы с однослойным покрытием толщиной 18 мкм. Нанесение покрытия способствует увеличению износостойкости стали 30ХГСН2А более чем в 3 раза.

Представлены результаты исследований шести сплавов системы Al-Ca-Zn-Mg с добавками меди, марганца, железа и кремния с целью моделирования состава сплава, приготовленного на основе вторичного алюминия. Сплавы изготавливались в виде слитков размером 140×200×20 мм, которые подвергали последующей деформационной обработке методом горячей прокатки с толщины 20 мм до толщины 1 мм, а затем получали холоднокатаные листы толщиной 0,5 мм. Также изготавливался слиток цилиндрической формы диаметром 40 мм и длиной 200 мм, из которого получали прутки диаметром 14 мм методом радиально-сдвиговой прокатки. Горячую деформационную обработку слитков проводили при температуре 450°С без предварительного гомогенизационного отжига. Литые и деформированные образцы исследовали с помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии. В микроструктуре образцов не было обнаружено грубых игольчатых частиц железо- и кремнийсодержащих фаз, а также каких-либо других грубых интерметаллидов, несмотря на высокое содержание примесей. Проведены механические испытания методом одноосного растяжения деформированных полуфабрикатов, которые не подвергались дополнительной упрочняющей термической обработке. По результатам испытаний был выбран сплав оптимального состава. Установлена возможность получения изделий из высокопрочного и высокотехнологичного алюминиево-кальциевого сплава на основе вторичного сырья без использования гомогенизации и закалки.

Изучено влияние режимов отжига холоднокатаной ленты из сплавов 1580 и 1590 на формирование в них зеренной структуры и механических свойств. Сплав 1590 отличается от 1580 наличием гафниевых, эрбиевых добавок. Образцы из этих сплавов получали литьём в стальной кокиль, после чего проводили их гомогенизацию при температуре 440°С в течение 4 часов. Затем образцы отправлялись на горячую прокатку при температуре 440°С, следом проводилась холодная прокатка до 2 мм, суммарный процент обжатия при которой был равен 66%. Холоднокатаную ленту отжигали в температурных интервалах от 330 до 440°С с выдержкой в 1 час. В гомогенизированном состоянии с помощью просвечивающей микроскопии исследовались размеры и морфология упрочняющих наночастиц Al3Sc. В холоднокатаном и отожженном состоянии определялись механические свойства и зеренная структура. В ходе гомогенизирующего отжига в сплаве 1590 образуются более мелкодисперсные упрочняющие наночастицы, чем в сплаве 1580. Такие особенности микроструктуры можно объяснить наличием эрбия, способствующего формированию дополнительных зародышей наночастиц типа Al3Sc, и гафния, препятствующего их дальнейшему росту. В обоих сплавах после холодной прокатки и заключительных отжигов выявлена нерекристаллизованная структура. Механические свойства лучше у сплава 1590 вне зависимости от температуры отжига, что объясняется большим количеством и меньшими размерами упрочняющих наночастиц.

При разработке технических требований к сплавам важно применять комплексный подход. Сочетая аналитическое и имитационное моделирование, можно уменьшить технологические риски на этапе создания или изменения требований. Реализация данного подхода напрямую зависит от степени учета всех факторов, включенных в модели, а также от их влияния на изменчивость характеристик. Однако известные модели не дают удовлетворительной сходимости с реальными промышленными сплавами. На примере сложнолегированной латуни ЛМцАЖКС (CuZn13Mn8Al5Si2Fe1Pb) предложен подход, позволяющий описать изменчивость структурного состояния многокомпонентных латуней. Анализ статистических данных химического состава и микроструктуры промышленных партий позволил установить, что матричный раствор сплава представляет собой (a+β)-латунь и соответствует соотношению фаз при 700 °C на политермическом псевдобинарном разрезе диаграммы Cu–Zn–Mn5Si3. Методами рентгеноспектрального анализа исследовано распределение легирующих элементов в основных фазах. Подтверждена полная связанность железа в силицидах и равномерное распределение марганца в горячепрессованном состоянии. Предложен расчет доли кремния, входящего в твердый раствор. Измеренная плотность сплава составляет 7650 кг/м3, расчетная плотность матричного раствора – 8100 кг/м3. На основании уточненных параметров универсальной модели методом Монте-Карло оценили изменчивость микроструктуры в зависимости от требований к химическому составу. Причиной нестабильноости технологических свойств является значительная изменчивость соотношения a- и β-фаз. Содержание a-фазы в сплаве изменяется от 37,5 до 66,5 %, β-фазы – от 17,5 до 55,2 %. Имитационная модель, разработанная в рамках исследования, предоставляет возможность не только анализировать существующие сплавы, но и предсказывать поведение новых сплавов, что является критически важным для оптимизации технологических процессов и улучшения эксплуатационных свойств материалов.

Представлен новый способ равноканального углового прессования (РКУП) с использованием мощных ультразвуковых колебаний (УЗК). Разработано оригинальное устройство ультразвукового РКУП, в котором волновод с матрицей выполнены как единое целое, а элементы крепления волновода расположены в узловой плоскости механических смещений стоячей волны, возбуждение которой происходит непосредственно в матрице и заготовке в процессе прессования. Впервые предложено передавать УЗК в зону пересечения каналов матрицы, через которые перемещается заготовка, не через пуансон, а посредством возбуждения колебаний в самой матрице, т. е. матрица одновременно является волноводом продольных УЗК. Это позволило многократно повысить эффективность ультразвукового воздействия за счет снижения сил трения между поверхностью заготовки и поверхностью каналов матрицы, а также за счет снижения деформационных усилий в зоне пересечения каналов матрицы, где происходит простой сдвиг деформируемого металла. В результате по сравнению с известными способами ультразвукового РКУП, в которых снижение усилия прессования составляет менее 15 %, возбуждение УЗК непосредственно в волноводе – матрице позволило снизить усилие прессования в 1,5–4 раза. При этом существенно меняется и структура прессуемых материалов: уменьшается размер зерен и их кристаллографические ориентировки, увеличивается микротвердость. Изменения фазового состава для всех образцов, полученных РКУП с УЗК и по обычной технологии, не наблюдается.