Preview

Frontier Materials & Technologies

Расширенный поиск

Журнал Frontier Materials & Technologies является рецензируемым научным журналом и издается с 2008 года. До декабря 2021 года выходил под названием «Вектор науки Тольяттинского государственного университета» (Science Vector of Togliatti State University / Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta).

ISSN print: 2782-4039.

Периодичность выхода: 4 раза в год (31 марта, 30 июня, 30 сентября, 30 декабря).

Учредитель: ФГБОУ ВО "Тольяттинский государственный университет", Тольятти, Россия.

Издатель: ФГБОУ ВО "Тольяттинский государственный университет", Тольятти, Россия.

Подписной индекс: Е13088 (Объединенный каталог «Пресса России»).

Языки: русский, английский.

Журнал издается на средства издателя. Все публикации в журнале бесплатны. Метаданные выпусков журналов находятся в открытом доступе.

Журнал включен в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук.

Журнал включен в МНБД Scopus (с 2021 года).

Полное библиографическое описание всех статей представлено в Научной электронной библиотеке eLIBRARY.RU с целью формирования Российского индекса научного цитирования (РИНЦ).

Пятилетний импакт-фактор РИНЦ без самоцитирования за 2020 год – 0,151.

Журнал принимает к публикации оригинальные статьи по следующим научным специальностям.

Шифр

Группа специальностей, специальность (соответствующая ей отрасль науки)

05.02.00

Машиностроение и машиноведение

05.02.02

Машиноведение, системы приводов и детали машин (технические науки)

05.02.04

Трение и износ в машинах (технические науки)

05.02.05

Роботы, мехатроника и робототехнические системы (технические науки)

05.02.07

Технология и оборудование механической и физико-технической обработки (технические науки)

05.02.09

Технологии и машины обработки давлением (технические науки)

05.02.10

Сварка, родственные процессы и технологии (технические науки)

05.02.11

Методы контроля и диагностика в машиностроении (технические науки)

05.02.18

Теория механизмов и машин (технические науки)

05.16.00

Металлургия и материаловедение

05.16.01

Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов (технические науки)

05.16.02

Металлургия черных, цветных и редких металлов (технические науки)

05.16.05

Обработка металлов давлением (технические науки)

05.16.08

Нанотехнологии и наноматериалы (физико-математические науки)

05.16.09

Материаловедение (технические науки)

Текущий выпуск

№ 4 (2021)
7-16 51
Аннотация

Оксид галлия (Ga2O3) – широкозонный полупроводниковый материал, обладающий шириной запрещенной зоны Eg=4,8–5,0 эВ, высокой проводимостью (λ~10,9–27,0 Вт/(м·К)), радиационной и химической стойкостью. Ширина его запрещенной зоны и проводимость позволяют в перспективе использовать его в конструкциях силовых приборов и оптоэлектронных устройств, чтобы увеличить их энергоэффективность, т. е. уменьшить нагрев и увеличить производительность. Радиационная стойкость, высокое поле пробоя, асимметрия оптических свойств Ga2O3 делают перспективным его использование при проектировании УФ-фотоприемников и космической техники. Электрические и оптические свойства Ga2O3 изучены  достаточно полно, систематические же данные о его физико-механических свойствах (твердость, модуль Юнга, трещиностойкость) отсутствуют. В работе исследована деформация в эпитаксиальных слоях α-Ga2O3 при наноиндентировании. Для индентирования использовался твердомер NanoTest (Micro Materials Ltd.). Исследовалась поверхность (0001) кристаллических слоев α-Ga2O3, полученных в процессе хлоридной газовой эпитаксии на сапфировые (Al2O3) подложки базисной (0001) ориентации. Впервые экспериментально получены значения твердости и модуля Юнга α-Ga2O3 с использованием метода Оливера – Фарра. В зависимостях нагрузки на индентор от глубины его проникновения наблюдалось отклонение от линейного хода, в том числе релаксация напряжений, связанная с “pop-in” эффектом. Средние значения нанотвердости H и модуля Юнга E α-Ga2O3 составили 17 и 281 ГПа соответственно. Полученные значения H и E демонстрируют более высокие характеристики по сравнению с изученными ранее эпитаксиальными слоями β-Ga2O3. Это различие можно объяснить более плотной упаковкой структуры α-Ga2O3 (тип корунд), чем у моноклинного β-Ga2O3. Обнаружено, что α-Ga2O3 по своим механическим свойствам превосходит большинство полупроводниковых материалов, уступая лишь нитриду галлия (GaN) и сапфиру (Al2O3).

17-26 40
Аннотация

Перспективным методом повышения поверхностной прочности и износостойкости деталей и конструкций, выполненных из аустенитных нержавеющих сталей, является ионно-плазменное насыщение атомами внедрения (азотом или углеродом). В работе рассмотрено влияние метода и температуры ионно-плазменной обработки на фазовый состав, толщину и прочностные свойства (микротвердость) поверхностных слоев в образцах аустенитной нержавеющей стали 01Х17Н13М3. Стальные образцы с крупнозернистой структурой азотировали в плазме дугового и тлеющего разрядов при различных температурах (400, 550 и 700 °С). Независимо от температуры и метода обработки ионно-плазменное азотирование приводит к формированию упрочненных поверхностных слоев в стальных образцах. При этом толщина и фазовый состав упрочненного слоя зависят как от метода, так и от температуры обработки. Насыщение поверхности образцов азотом в тлеющем разряде при температуре 400 °С способствует формированию тонкого слоя S-фазы (пересыщенного азотом аустенита, толщина слоя 4 мкм). При той же температуре обработки в плазме дугового разряда происходит формирование гетерофазного (Fe-γN, Fe4N, CrN и Fe-α) поверхностного слоя существенно большей толщины (40–45 мкм). Независимо от метода обработки насыщение поверхности стальных образцов при температурах 550 и 700 °С сопровождается формированием толстых гетерофазных упрочненных слоев (40–60 мкм). При этом режим обработки слабо влияет на фазовый состав таких слоев, но существенным образом воздействует на соотношение объемного содержания фаз. В образцах, подвергнутых ионно-плазменной обработке по разным режимам, профиль распределения микротвердости всегда имеет три характерные зоны: композиционный слой (или S-фаза при ионно-плазменной обработке в тлеющем разряде при Та=400 °С), диффузионная зона и матрица. С повышением температуры насыщения толщина переходной диффузионной зоны возрастает независимо от метода ионно-плазменной обработки.

27-38 37
Аннотация

Малые металлические частицы с объемно-центрированной кристаллической решеткой (ОЦК) часто принимают форму многогранников с осями симметрии пятого порядка, таких как икосаэдр, декаэдр и пятиугольная призма. Оси симметрии пятого порядка, запрещенные законами классической кристаллографии, вызывают в таких частицах неоднородные упругие напряжения и деформации. При некоторых условиях эти напряжения и деформации могут релаксировать за счет изменения структуры частицы, а именно образования частичных и полных дислокаций, слоев несоответствия, зарождения трещин и пор. В рамках квазиравновесного энергетического подхода предложена теоретическая модель, описывающая релаксацию неоднородных упругих напряжений и деформаций в декаэдрических частицах за счет формирования центральной сферической полости. Найдены явные аналитические выражения для энергий сплошных и полых декаэдрических частиц. Упругая энергия полой декаэдрической частицы определена как работа, затраченная на зарождение в упругой сферической оболочке положительной клиновой дисклинации мощностью ω≈0,0163 рад (≈7°20') в поле ее собственных напряжений. Изменение поверхностной энергии за счет формирования поры определено с учетом влияния эффекта релаксации первой координационный сферы, окружающей вакансию, на изменение объема частицы. Определено изменение энергии декаэдрических частиц при образовании сферической поры, установлены оптимальные и критические параметры этого процесса. Показано, что существует некоторый критический радиус частицы, при достижении которого формирование центральной сферической поры становится энергетически выгодным. Кроме того, показано, что зародыш поры будет расти, пока не достигнет некоторого оптимального размера, соответствующего наибольшему изменению энергии системы. Численные расчеты согласуются с экспериментальными наблюдениями нестабильных пор в относительно малых серебряных и золотых декаэдрических частицах диаметром 30–40 нм и стабильных пор в относительно больших медных декаэдрических частицах диаметром ~1 мкм.

39-47 41
Аннотация

Повышенные антикоррозионные, прочностные, трибологические и физические характеристики – особенности сталей с повышенным содержанием азота. Поиск путей упрочнения высокоазотистых сталей является перспективным направлением современного металловедения. Термические обработки – один из способов упрочнения азотистых сталей за счет дисперсионного твердения нитридными частицами. В работе исследовано влияние кратковременного высокотемпературного старения и больших пластических деформаций, реализуемых методом сдвига под давлением (СД) 8 ГПа на наковальнях Бриджмена (3 оборота наковален со скоростью вращения 0,3 об/мин) при комнатной температуре, на структурно-фазовые превращения и микромеханические свойства высокоазотистой стали 08Х22ГА1,24 со смешанной структурой металлической матрицы γ (аустенит) + a (феррит). Установлено, что старение (0,5 ч) при температуре 650 °С закаленной от 1180 °С стали приводит к формированию смешанной аустенитно-ферритной структуры металлической матрицы в пропорции 50 об. % g и 50 об. % α и выделению протяженных вторичных нитридов хрома Cr2N, образующих совместно с прослойками феррита участки с перлитоподобной структурой. Данные участки обуславливают повышенную микротвердость стали с аустенитно-ферритной структурой матрицы (385±8 HV 0,025) по сравнению с микротвердостью стали, состаренной при температуре 550 °С (0,5 ч) и имеющей аустенитную структуру матрицы, упрочненной вторичными нитридами CrN (364±8 HV 0,025). Деформация СД состаренной при 650 °С (0,5 ч) стали с исходной g+a+Cr2N структурой приводит к g→aʹ превращению и формированию сумбикро- и нанокристаллической структуры. Это вызывает эффективное повышение прочности стали (до 900±29 HV 0,025) и рост сопротивления упругопластическому деформированию по сравнению с состаренным при 550 °С (0,5 ч) состоянием.

48-56 34
Аннотация

В технических системах, в том числе в авиационной и космической технике, в частности в авиационных трансмиссиях, подшипниках, орбитальных системах, вертолетных механизмах и многих других, широко распространены комбинированные вращательные движения, и при конструировании важно представлять характер суммарного движения. Цель исследования состоит в обобщении принципа комбинации движений на круговые движения. Рассматривается координатная система x'0'y', которая вращается в координатной системе x0y без углового ускорения со скоростью ω. Радиус вращения равен ρ1. При этом 0|| 0'x', 0|| 0'y'. Объект a вращается в координатной системе x'0'y' без углового ускорения со скоростью ±ω. Радиус вращения равен ρ2. Установлено, что при вращениях в противоположные стороны траектория суммарного движения представляет собой эллипс. Определены все стандартные характеристики эллипса применительно к рассматриваемому случаю. Установлен наклон эллиптической траектории. Показано, что если траектория суммарного движения является эллиптической и полуоси равны (ρ12) и |ρ1−ρ2|, то объект a совершает круговое движение в координатной системе x'0'y' без углового ускорения со скоростью −ω. Подобно тому как результатом суперпозиции двух неускоренных прямолинейных движений является также неускоренное, т. е. равномерное и прямолинейное, движение, при вращениях в одну сторону траектория суммарного движения представляет собой окружность. При круговых движениях с кратными скоростями траектории суммарного движения представляют собой улитки. Практический аспект исследования определяется тем, что полученные формулы могут непосредственно использоваться в САПР при выполнении конструкторских работ.

57-68 53
Аннотация

Показана востребованность коррозионностойких материалов для химической промышленности, а также перспективность создания слоистых металлических материалов с внутренним протектором (СММ с ВП). Предложены архитектура и состав слоев СММ с ВП, обеспечивающие устойчивую работу в высокоагрессивных средах Установлена возможность повышения коррозионной стойкости в сравнении с высоколегированными нержавеющими сталями аустенитного класса в 10 и более раз. Указана эффективность применения сварки взрывом для получения СММ с ВП. Рассмотрен пример получения четырехслойного материала с одним внутренним протектором из низколегированной, низкоуглеродистой стали следующей архитектуры: слои 12Х18Н10Т + 09Г2С + 12Х18Н10Т по 2 мм каждый и основной слой 09Г2С – 10 мм. Разработаны технологические схемы выполнения стыкового сварного соединения такого материала, определены особенности формирования его микроструктуры и свойств. Применен энергодисперсионный микроанализ для получения карт распределения характерных химических элементов в слоях и межслойных границах. Исследованы особенности коррозионного поражения сварного шва и околошовной зоны. Показана необходимость применения облицовочного слоя в сварном шве. Полученные результаты подтверждены микроструктурными, рентгенотомографическими, гравиметрическими исследованиями. Для оценки качества сварного соединения были проведены коррозионные испытания сварного шва и околошовной зоны, выполнен визуально-измерительный контроль, рентгеновская томография. Коррозионные испытания производили с применением 10%-го водного раствора хлорида железа III. Представлены результаты испытаний сварного соединения на статический изгиб. Критерием оценки служило отсутствие излома, расслоений и трещин. Установлена возможность получать бездефектное сварное соединение СММ с ВП с высокой коррозионной стойкостью и повышенными механическими свойствами.

69-79 36
Аннотация

Рассмотрены особенности выделения энергии в вольфрамовом электроде при действии дуги в аргоне обратной полярности. Обосновано положение о том, что химический состав электрода не оказывает существенного влияния на передачу ему анодной мощности. Удельная эффективная мощность в электрод обоснована и принята 6 Вт/А. Анализировали особенности горения дуги на плоский торец электрода d=3 мм по кадрам скоростной видеосъемки. Установлено, что при предельных токах, обеспечивающих расплавление торца, его нагрев достаточно равномерен по сечению. В качестве расчетной схемы выбран непрерывно действующий плоский источник тепла на поверхности полубесконечного стержня с поверхностной теплоотдачей. Получены усредненные значения объемной теплоемкости сρ=3,2 Дж/(см3∙°С), коэффициента температуропроводности а=0,3 см2/с. За предельный ток был принят такой, при котором достигается температура плавления на торце. По значениям предельного тока и времени начала расплавления торца электрода рассчитано значение коэффициента температуроотдачи электрода b. Выполненная расчетная проверка глубины расплавления для режима с током выше предельного показала хорошее совпадение с экспериментом. Произведен пересчет b для диаметров электрода d=4, 5, 6 мм и расчет предельных токов для этих диаметров. Расчетные предельные токи для этих диаметров также хорошо совпадают с экспериментальными. Показано, что увеличение коэффициента а до 0,4 см2/с не приводит к изменению температур и предельных токов, если одновременно произвести корректировку сρ из условия постоянства теплофизического комплекса сρа0,5. Получены зависимости температур в электроде во времени и по длине. Зависимость нагрева торца электрода во времени позволяет рассчитать предельные токи при уменьшении времени горения дуги.

80-88 31
Аннотация

Фрикционная обработка является эффективным методом повышения прочности и износостойкости аустенитных хромоникелевых сталей. Ранее авторами было установлено, что высокий уровень механических свойств метастабильных аустенитных сталей достигается при интенсивном развитии деформационного γ→α′-превращения. Однако наличие мартенсита деформации в структуре аустенитной стали может отрицательно влиять на ее антикоррозионные свойства. Актуальным направлением исследований является поиск возможностей повысить прочностные характеристики стабильной аустенитной хромоникелевой стали с сохранением высокой стойкости к коррозионному разрушению. В настоящей работе для оценки механических характеристик стали 03Х16Н14М3Т в закаленном состоянии и после фрикционной обработки применяли метод измерения твердости по восстановленному отпечатку и метод инструментального микроиндентирования, позволяющий записывать диаграммы нагружения и разгружения индентора. Стойкость стали к коррозионному разрушению исследовали при испытаниях на общую коррозию. Проводили сравнение скорости коррозии аустенитной стали после шлифования, электрополирования и фрикционной обработки. С применением растровой электронной микроскопии и оптической профилометрии изучали поверхности стали, подвергнутые указанным обработкам, и определяли их шероховатость. Наноструктурирующая фрикционная обработка обеспечивает упрочнение поверхности стабильной аустенитной стали до 570 HV 0,025. Показана высокая эффективность применения фрикционной обработки для повышения характеристик прочности и сопротивления поверхностного слоя стали упругому и пластическому деформированию. Установлено, что аустенитная сталь характеризуется близкими величинами скорости коррозии km=(3,26–3,27)∙105 г/(см2∙ч) после электролитического полирования (структура крупнокристаллического аустенита) и после фрикционной обработки (субмикро/нанокристаллическая структура аустенита), в то время как механическое шлифование приводит к двукратному росту скорости коррозии стали 03Х16Н14М3Т вследствие возникновения на шлифованной поверхности микротрещин и вырывов металла. Обоснована определяющая роль качества формируемой различными обработками поверхности (шероховатость, наличие дефектов сплошности) в обеспечении коррозионной стойкости нержавеющей стали.

89-97 50
Аннотация

Лазерная наплавка все чаще применяется в различных отраслях машиностроения, так как по сравнению с традиционными методами создания покрытий она обладает такими преимуществами, как высокие скорости нагрева и охлаждения, минимальное перемешивание основного и наплавляемого материала. Нанесенные лазером покрытия обычно характеризуются мелкозернистой структурой и минимальной зоной термического влияния. Применение покрытий, сформированных из порошков системы Ni–Cr–B–Si, также очень распространено в промышленности, так как эти покрытия обладают хорошей стойкостью к износу, коррозии, эрозии и т. д. К указанной группе порошков для улучшения свойств наплавляемого покрытия добавляются различные упрочняющие частицы. В качестве таких частиц могут выступать карбиды бора, обладающие высокой твердостью и термодинамической устойчивостью, а также высокими показателями сопротивления изнашиванию. В работе исследовано влияние добавки 7 масс. % карбида бора В4С на структуру и твердость NiCrBSi покрытия, сформированного лазерной наплавкой из порошка марки ПГ-СР2 на поверхности стали 30ХРА. В работе проведены микроскопические исследования структуры NiCrBSi и NiCrBSi–В4С покрытий с использованием растрового электронного микроскопа, приведены результаты рентгеноспектрального микроанализа. Показано, что структура обоих покрытий в наплавленном состоянии характеризуется однородностью и мелкозернистостью. Выявлено, что образцы с NiCrBSi и NiCrBSi–В4С покрытиями имеют узкую переходную зону от покрытия к основному металлу. Приведены результаты измерения микротвердости покрытий, свидетельствующие о снижении микротвердости сформированных лазером никелевых покрытий при добавке карбида бора.

98-106 45
Аннотация

Лазерная термообработка является одним из эффективных методов повышения эксплуатационных характеристик металлорежущего инструмента. В практике лазерного упрочнения существует несколько методов выбора режима обработки: экспериментальный, расчетный, по справочным данным. Перспективным для оценки параметров зоны обработки является применение метода конечных элементов, использование которого наиболее востребовано для расчета температурного поля сложнопрофильного инструмента. При организации процесса упрочнения наиболее сложными являются выбор и назначение режимов обработки вершины режущего клина. В связи с этим решение многофакторной задачи оптимизации схемы упрочнения области около вершины инструмента актуально при проектировании и автоматизации процесса лазерного упрочнения лезвийного инструмента. В работе методом конечных элементов в программе ANSYS Workbench на примере инструмента с углом заострения 60° проведены численные эксперименты по оптимизации схемы упрочняющей лазерной обработки вершины режущего клина инструмента. Рассмотрено три варианта схемы упрочнения. Первый из них заключается в реализации многократной обработки области, примыкающей к вершине инструмента. Второй состоит в попеременном перемещении пятна лазерной обработки вдоль режущих кромок в области вершины инструмента. Согласно третьему варианту пятна обработки последовательно располагались вдоль биссектрисы угла при вершине инструмента. Показано, что по критерию максимальной глубины оптимальной является схема упрочнения, заключающаяся в попеременном перемещении пятна лазерной обработки вдоль режущих кромок в области вершины инструмента. В этом случае обеспечиваются характеристики зоны упрочнения, превосходящие аналогичные величины, описывающие зону упрочнения для остальных вариантов лазерной обработки вершины режущего клина инструмента.



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.