ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

В работе представлены результаты исследования влияния концентрации пентаоксида тантала в покрытиях, полученных методом плазменного электролитического оксидирования (ПЭО), на их электрохимические свойства и изучена способность данных покрытий к образованию апатитов в условиях in vitro. Согласно результатам анализа электрохимического поведения покрытий в растворе, имитирующем плазму крови человека по минеральному составу (SBF-растворе), модуль импеданса Ta2O5-содержащих ПЭО-покрытий, в среднем более чем на 2 порядка выше по сравнению с модулем импеданса сплава МА8 без покрытия. Введение в состав электролита наночастиц Ta2O5 и увеличение содержания пентаоксида тантала в составе ПЭО-покрытий приводит к снижению их защитных свойств, по сравнению с базовым ПЭО-слоем. Установлено, что первые кластеры апатитов появляются на поверхности ПЭО-покрытия уже после 1 дня выдержки в SBF-растворе. Через 28 дней ПЭО-покрытие полностью покрывается слоем апатитов с пластинчатой морфологией. На 21 сутки выдержки Ta2O5-содержащего ПЭО-покрытия в SBF-растворе концентрация ионов Ca2+ в растворе стабилизируется, что обусловлено достижением равновесия окружающего раствора с образовавшимся слоем апатитов.

Используя метод проволочно-дугового аддитивного производства (WAAM-wire arc additive manufacturing) на подложке из алюминиевого сплава 5083, было сформировано покрытие из высокоэнтропийного сплава (ВЭС) Mn-Cr-Fe-Co-Ni неэквиатомного состава. Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии выполнен анализ структуры, фазового и элементного состава зоны контакта после облучения низкоэнергетическими электронными пучками с параметрами: плотность энергии пучка электронов 30 Дж/см2, длительность импульса 200 мкс, количество импульсов 3, частота следования импульсов 0,3 Гц. Выявлено образование многофазной многоэлементной субмикро- нанокристаллической структуры, сформированной преимущественно в подложке, которая имеет более низкую температуру плавления по сравнению c ВЭС. Установлено, что контактные слои, примыкающие к подложке и покрытию, имеют структуру высокоскоростной ячеистой кристаллизации. В слое, примыкающем к подложке, ячейки образованы твердым раствором магния в алюминии. По границам ячеек выявлены прослойки второй фазы, обогащенные атомами покрытия и подложки. В слое, примыкающем к покрытию, ячейки сформированы сплавом состава 0,17Mg-20,3Al-4,3Cr-16,7Fe-9,3Co-49,2Ni. По границам ячеек выявлены прослойки второй фазы, обогащенные преимущественно магнием и атомами покрытия. Центральная область зоны контакта толщиной ~ 1700 мкм сформирована кристаллитами пластинчатой формы, ее основным элементом является алюминий (≈ 77 ат. %).

Наличие остаточного аустенита нежелательно в случае изготовления из стали ШХ15 деталей прецизионного назначения в силу того, что при эксплуатации неизбежно его превращение в мартенсит, следствием которого является изменение геометрических размеров деталей, что в итоге может привести к заклиниванию прецизионных пар, либо образованию трещин и выходу из строя прецизионного узла или агрегата. В настоящем исследовании показано изменение структурно-фазового состояния и микроструктуры закаленной конструкционной стали ШХ15 в зависимости от режима температуры отпуска и обработки холодом. Установлено, что стимуляция мартенситного превращения путем обработки холодом либо криогенной обработки приводит к дроблению аустенитных включений, незначительно снижая при этом общее содержание остаточного аустенита. Размер карбидных включений в случае обработки холодом либо криогенной обработки можно считать инвариантным, при этом общее количество частиц карбидных выделений увеличивается в 6,5 и в 8,4 раза соответственно в случае обработки холодом при -60 °С и криогенной обработке при -196 °С по сравнению с традиционной термической обработкой.

В статье рассматривается влияние циклического отжига высокоуглеродистой стали У10А на изменение её механических свойств, микроструктуры и формы графитных включений для дальнейшей оценки пригодности стали к пластической деформации. Исследована исходная горячекатаная структура стали У10А, состоящая из пластинчатого перлита и графитных включений разной формы, которая обладает недостаточной пластичностью через измеренный параметр относительного удлинения d = 3,4 %. Для увеличения пластичности разработан режим сфероидизирующего циклического отжига на зернистый перлит средним размером 2-5 мкм для снижения прочностных и увеличения пластических характеристик стали. Установлено, что выше представленный отжиг также положительно влияет на изменение формы графитных включений - показано изменение их формы на сферическую, а также уменьшение их размера до 4-8 мкм и равномерное распределение в структуре, что способствует последующей пластической деформации без разрушений. Оценка результатов механических испытаний после пластической деформации прессованием со степенью 65 % отожжённой стали У10А позволяет сделать вывод о возможности получения требуемого временного сопротивления разрыву и твёрдости по ГОСТ 21996-76 для высокопрочных холоднокатаных лент без риска повреждения прокатных валков.

Настоящая работа освещает результаты исследований, проведенных с целью определения влияния различных реагентов, используемых при обработке расплава, на температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) двойных сплавов системы Al-(11÷40)%Si специального назначения. Установлено, что использование в качестве реагента для обработки расплава водного раствора сульфата меди CuSO4 и в качестве модификатора расплава смеси карбонатов щелочноземельных металлов (CaCO3∙MgCO3) позволяет снизить значения ТКЛР всех исследуемых сплавов в рабочем интервале температур. Было показано, что использование паров карбамида для обработки расплава приводит к снижению ТКЛР доэвтектических сплавов во всем температурном интервале испытаний. Установлено, что термическая обработка, заключающаяся в нагреве от 100 до 200 °C в течение 10 часов с последующим охлаждением на воздухе, способствует дальнейшему снижению значений ТКЛР исследуемых сплавов. Было отмечено повышение физико-механических характеристик сплавов Al-Si после модифицирования, что можно объяснить улучшением усвоения водорода и кислорода, вводимых в расплав. Сделано предположение, что частицы тугоплавких оксидов Ca и Mg, содержащихся в смеси, обеспечивают дополнительные многочисленные центры кристаллизации. В результате сделан вывод о том, что экологически безопасная технология модифицирования расплава смесью карбонатов щелочноземельных металлов позволяет снизить температуру перегрева расплава с 1100-1200 °С до 900 °С и сократить продолжительность процесса выплавки с 5-6 до 1-1,5 часов.

Исследованы свойства сплава Ti-6Al-4V гидрированного (содержание водорода 0,002 масс. % и 0,23 масс. %), подвергнутому механическому разрыву (от 25 до 450 МРа), и облучению импульсной электронно-пучковой обработке потоком электронов с энергией 18 кэВ до 25 Дж/см2 и длительностью 15 мкс. В частности измерены термоэдс сплава при указанных воздействиях. Отмечена роль отдельных компонент алюминия и ванадия относительно изменения термоэлектрических свойств сплава. Представляют интерес не только стабилизация фаз, но и трансформация изучаемого сплава в слоистую среду, благодаря гидрированию и закреплению водорода в ловушках. Изменение коэффициента Зеебека S сплава Ti-6Al-4V для различных условий варьируется в интервале (от 0,003 до + 0,0011) мВ/K и сопровождается инверсией знака термоэдс, в частности для технического ванадия. Проведено сравнение значений термоэдс сплава Ti-6Al-4V со значениями термоэдс технического титана ВТ1-0 по изменение плотности состояний на уровне Ферми. Предполагается, что такого рода сплав может быть пригоден в силу стабильности и прочностных свойств для применения в системах контроля свойств имплантатов и нетрадиционной энергетики.

Покрытия на основе Ti-WSi способны обеспечить жаростойкость конструкционных материалов, а также устойчивость к коррозии и изнашиванию. Методом электроискрового легирования титанового сплава Ti6Al4V в анодной смеси из титановых гранул c добавлением 2, 6 и 10 об. % порошка дисилицида вольфрама получены металлокерамические Ti-WSi покрытия. Структуру покрытий изучали методами ренгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа. Испытания на жаростойкость проводились при температуре 900 °С в течении 100 часов. Износостойкость покрытий исследовались в условиях сухого трения при нагрузке 25 Н. По данным рентгенофазового анализа в составе покрытий присутствуют низкотемпературный WSi2, αTi, Ti5Si3 и высокотемпературный WSi2. С ростом содержания WSi2 в анодной смеси микротвердость покрытий монотонно возрастала с 11,93 до 13,24 ГПа. Средние значения коэффициента трения покрытий находились в диапазоне от 0,75 до 0,86. По результатам испытаний, износостойкость покрытий была от 3 до 7 раз выше, чем у сплава Ti6Al4V. Применение электроискровых Ti-WSi покрытий позволяет повысить жаростойкость титанового сплава Ti6Al4V от 7 до 14 раз.

В статье рассматривается широкое применение инструментальных сталей AISI H12 и ASTM L6 в промышленном секторе, а также требования к обработке их поверхности. Для увеличения твердости и износостойкости инструментальных сталей, а также решения проблемы недостаточной прочности соединения боридного слоя с основным материалом, предложен метод комплексного насыщения бором и хромом. Борохромирование улучшает твердость и пластичность боридного слоя, а также решает проблему его скалывания и низкой термостойкости. С помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) были исследованы микроструктуры борохромированного слоя и его высокотемпературная устойчивость. Результаты показали, что при увеличении содержания Cr2O3 до 2 %, слой становится более плотным, толщина слоя AISI H12 и ASTM L6 увеличивается до 55,4 мкм и 33,4 мкм соответственно и увеличивает разгаростойкость поверхности. Это исследование предоставляет важные указания и рекомендации для улучшения свойств сталей для штампового инструмента горячего деформирования и увеличения его срока службы.

Комплексно-легированный титановый сплав ВТ22 является высокопрочным сплавом, из которого изготавливают ответственные изделия авиакосмического назначения. Как правило, этот сплав используют в крупнозернистом состоянии и проблемными вопросами являются низкая технологическая пластичность и высокая нестабильность механических свойств материала в изделиях. Наиболее заметно эти проблемы проявляются при изготовлении тонкостенных полых конструкций. Последние можно успешно изготовить сверхпластической формовкой из листовых заготовок с мелко- или ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой. УМЗ структура в листовых заготовках сплава ВТ22 может быть получена в результате изотермической прокатки. Однако изотермическая прокатка существенно удорожает производство, делая его экономически непривлекательным. В этой связи исследовали возможность получения УМЗ листов титанового сплав ВТ22 теплой прокаткой на холодных валках при температурах нагрева исходных заготовок в интервале температур 600-750 °С. Результаты проведенных исследований показывают, что листовая прокатка заготовок нагретых до температуры 600 °С позволяет получить УМЗ состояние в титановом сплаве ВТ22 с параметрами зеренно-субзеренной структуры менее 300 нм. Микротвердость полученных листовых заготовок выше на 20 % по сравнению с крупнозернистым сплавом ВТ22. Вытянутость зерен сплава вдоль плоскости прокатки уменьшается со снижением температуры нагрева заготовок перед прокаткой в исследованном интервале температур. Полученные данные могут быть полезными, в частности, для оптимизации условий получения тонких листов с УМЗ или нанокристаллической структурой.

Мягким материям характерно существования эффекта двулучепреломления, который легко контролируется внешними факторами. Названный эффект позволяет моделировать светового излучение оптического диапазона по ряду волновых параметров, поскольку он непосредственно связан с анизотропией показателя преломления. Последний аргумент позволяет изменять ориентацию плоскости поляризации прошедшего через образец светового излучения. При введении последних в ЖК среде, анизотропия показателя преломления (∆ n ) сильно меняется. Для улучшения оптических характеристик жидкокристаллических ячеек, такие как: яркости, контраста и быстродействия, применяются специальные ориентирующие поверхности с заранее выбранной морфологии, а их объем заполняется наночастицами или поверхностно-активными веществами (ПАВ). Однако, введения таких частиц вызывает рассеянию светового излучения, сопровождающий снижения степени поляризации прошедших излучений. Поэтому с целью снижения нежелательных потерь интенсивности моделируемого светового излучения, необходимо решать задачу согласования ЖК элементов с оптической схемой устройства по положению плоскости поляризации. Нами исследовано влияние ПАВ в виде цетилтриметил аммоний бромида (ЦТАБ) в нематических жидкокристаллических ячейках типа 4-пентил-4’-цианобифенила 5СВ. В результате приложении электрического поля показали, что для исходного НЖК 5СВ и ячейки с концентрацией 0,05 % ЦТАБ-а световые излучения, прошедшие через ячейки, можно воспринимать как поляризованным, так как отношение Iox/Ioy больше 100; в ячейках, содержащие НЖК 5СВ и концентрации 0,1 и 0,3 вес. % ЦТАБ-а, световые излучения можно считать линейно поляризованным, когда выполняется условия 10< Iox/Ioy <100; а ячейка с содержанием 0,5 вес. % ПАВ-а служит средством для получения эллиптической поляризации света. В последнем случае имеет место условия Iox/Ioy меньше 100. Для интерпретации полученных результатов мы учитывали влияние ПАВ ЦТАБ на положения директора НЖК 5СВ Установлена взаимосвязь между концентрациями вводимого ПАВ и углом поворота плоскости поляризации. Указаны четкие границы линейной и эллиптической поляризации прошедшего через ячейку света в зависимости от концентрации ПАВ ЦТАБ. Предложены возможные применения таких материалов в полупроводниковой и твердотельной лазерной технике, и дисплейных технологиях.

Композиционные материалы, состоящие из различных компонентов, объединенных физико-химическими связями, привлекают все большее внимание в связи с растущими требованиями к материалам. Поиск новых углеродных материалов, которые могли бы стать составной часть композитов, в настоящее время представляет большой интерес. В данной работе методом молекулярной динамики исследована устойчивость и деформационное поведение нового композитного материала на основе ячеистой углеродной структуры, заполненной никелем. Ячеистая углеродная структура представяляет собой соты, стенки которых - это графеновые наноленты. В результате была создана атомистическая модель композита и исследованы его механические свойства при 0 K и 300 K. В частности, исследована устойчивость при сжатии и анализ прочности при растяжении. Показано как происходит перераспределение металла внутри ячеек графеновой матрицы: ГЦК решетка никеля трансформируется под действием графеновых стенок и атомы никеля укладываются слоями, повторяя «рисунок» графеновой матрицы. В процессе двухосного сжатия происходит дальнейшее изменение укладки атомов никеля внутри сотовых ячеек, что приводит к формированию слоев никеля параллельно стенкам ячеек. Одноосное растяжение проводилось для трех типов материала - чистого никеля, ячеистой структуры, заполненной никелем и композита после двухосного сжатия. Было показано, что прочность композита значительно возрастает по сравнению с чистым никелем, при этом прочность обеспечивается именно углеродной сеткой. Влияние температуры на прочность слабое, как и влияние анизотропии структуры. Полученные результаты демонстрирую новый вид композитного материала, обладающего высокой прочность.

Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии и рентгеноструктурного анализа проведен сравнительный количественный анализ изменения фазового состава, дефектной субструктуры и перераспределения атомов углерода рельсов доэвтектоидной стали после длительной эксплуатации и деформации сжатием. Исследования рельсов проводились на разном расстоянии от поверхности катания в головке по разным направлениям, а сжатие осуществлялось до степеней 15, 30, 50 %. Показано, что длительная эксплуатация рельсов и деформация сжатием сопровождаются фрагментацией, причем, при выбранных режимах этот процесс идет интенсивнее при сжатии, чем при длительном нагружении. При анализе процесса фрагментации цементитных пластин привлечены представления об одновременном протекании механизмов разрушения движущимися дислокациями и растворения. Из зависимостей изменения объемных долей углерода в цементите и на дефектах кристаллической решетки от выбранных условий нагружения сделано заключение о преимущественной роли деформации сжатием по сравнению с процессом длительной эксплуатации. Выявлены физические причины немонотонного изменения скалярной и избыточной плотности дислокаций от степени деформации при сжатии и расстояния от поверхности головки по центральной оси и радиусу скругления выкружки и более высокие значения скалярной плотности дислокаций по сравнению с избыточной плотностью.