Preview

Опубликовано: 31.03.2020

№ 1 (2020)
7-14 23
Аннотация
Большинство современных конструкционных и функциональных материалов упруго неоднородны, причем для многих из них типичны вытянутые полости или включения, близкие по форме к цилиндрическим. От особенностей напряженно-деформированного состояния приповерхностных и приграничных слоев материала в неоднородных системах во многом зависят их прочностные и физико-химические свойства. Развитие процессов пластической деформации и разрушения в этих областях в большой степени определяет механическое поведение материала в целом и вызывает огромный интерес. Изучается влияние межфазных напряжений на напряженно-деформированное состояние упругого биматериала с гладкой волнообразной границей раздела. Рассматривается двумерная задача механики деформируемого тела об упругом теле с нанометровым рельефом поверхности раздела, возникающим между почти круговым включением и матрицей. Предполагается, что тело находится в однородном поле напряжений. Для решения задачи используется упрощенная модель поверхностной теории упругости Гертина - Мердока, в которой межфазная граница представляет собой пренебрежительно тонкий слой, идеально прилегающий к объемным фазам. Считается, что на межфазной границе отсутствуют разрывы перемещений, а скачок напряжений определяется действием поверхностного/межфазного напряжения согласно обобщенному закону Лапласа - Юнга. При помощи метода возмущений границы решение задачи для каждого приближения сводится к однотипному сингулярному интегро-дифференциальному уравнению относительно неизвестного поверхностного/межфазного напряжения. Численные результаты приводятся для задачи в первом приближении. В результате проводится сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов и аналитическим методом возмущений границы.
15-22 17
Аннотация
Система (1- x )KNbO3 - x NaNbO3 является одной из наиболее изучаемых среди бессвинцовых керамик, перспективных для потенциального использования в пьезоэлектрической технике и замены свинецсодержащих элементов в подобных устройствах. Но, несмотря на множество работ, направленных на решение этой проблемы, на данный момент не было получено бессвинцовых материалов, сопоставимых по свойствам со свинецсодержащими пьезокерамиками. Это обусловлено различными технологическими трудностями создания твердых растворов (ТР) на основе бессвинцовых композиций, такими как летучесть щелочных компонентов, сильнейшая зависимость наблюдаемых свойств от условий получения (термодинамической предыстории). Одним из приемов, используемых для повышения технологичности, стабильности ТР, а также для улучшения их электрофизических свойств, является модифицирование. Работа посвящена исследованию влияния добавок пирониобатов кальция и стронция на структуру и свойства системы (1- x )KNbO3 - x NaNbO3. Оптимизированы условия синтеза и спекания для каждого ТР систем (1- x-у )KNbO3 - y NaNbO3 - x (Sr/Са)2Nb2O7. Проведен рентгенофазовый и рентгенографический анализ полученных объектов. Проанализированы зависимости параметров, объема ячейки и плотностей керамики от концентрации введенного компонента (Sr/Са)2Nb2O7. Установлено, что увеличение содержания пирониобатов кальция и стронция 0≤ х ≤10 % приводит к возникновению в системах (1- x-у )KNbO3 - y NaNbO3 - x (Sr/Са)2Nb2O7 нескольких фазовых переходов, обусловленных перестройкой структуры. В целом симметрия вышеуказанных систем изменяется по-разному. Легирование пирониобатом стронция приводит к тетрагональному искажению структуры, а пирониобатом кальция - к формированию кубической кристаллической решетки. Также показано, что введение в систему (1- x) KNbO3 - х NaNbO3 пирониобатов (Sr/Са)2Nb2O7 выше 2,5 % значительно снижает плотность полученных керамик.
23-31 37
Аннотация
Метод селективного лазерного сплавления (SLM) с применением порошковых металлических материалов в настоящее время является перспективным направлением в авиа- и двигателестроении. Благодаря этому методу возможно производство деталей c конфигурацией любой сложности при меньших затратах на оснастку и дополнительную механическую обработку, упрощается также прототипирование изделий. Особенно актуальным является вопрос применения в аддитивном производстве порошковых материалов из жаропрочных сплавов, что обусловлено проблемами, вызванными их сложным химическим составом, недостаточной теплопроводностью и склонностью к усадке. Работа посвящена изучению влияния мощности лазерного излучения на микроструктуру и свойства образцов из жаропрочного никелевого сплава Inconel 738, полученных с помощью промышленного 3D-принтера по технологии печати SLM. Дополнительно рассмотрен способ повышения механических свойств образцов за счет улучшения микроструктуры после SLM и последующей термической обработки. Проведены металлографические и электронно-микроскопические исследования исходного материала и образцов, выращенных по технологии SLM при мощности лазерного излучения 75, 100, 125 и 325 Вт. Проанализирована эволюция микроструктуры в результате нагрева, обусловленного ростом подводимой энергии. Последующая термообработка позволила исследовать влияние ступенчатой закалки на микроструктуру и механические свойства образцов. Определены оптимальные технологические параметры лазерного излучения для изготовления деталей методом SLM из жаропрочного сплава Inconel 738. Получено изделие с минимальным количеством дефектов. Установлено, что термическая обработка, включающая в себя ступенчатую закалку, повышает механические свойства - предел прочности, предел текучести и относительное удлинение за счет «залечивания» и уменьшения размера дефектов.
32-40 15
Аннотация
Одна из основных проблем аустенитных нержавеющих сталей - низкие прочностные свойства и износостойкость - может быть частично или полностью устранена путем модификации поверхности изделий и создания упрочненных поверхностных слоев. Доступным и эффективным методом поверхностного упрочнения сложных деталей конструкций является ионно-плазменное насыщение сплавов атомами внедрения, которое проводится в смеси газов различного состава. При этом механические и пластические свойства обработанных материалов определяются комплексом свойств базового сплава и упрочненной поверхности, и определить их влияние на механические и пластические свойства каждого из составляющих композиционного материала не всегда возможно. Метод наноиндентирования позволяет установить локальные механические и пластические характеристики отдельных областей упрочненных материалов (базового сплава и поверхности) путем приложения нагрузки на локальные участки микроскопического объема. В данной работе с использованием метода наноиндентирования были установлены механические и пластические характеристики упрочненных слоев, полученных при ионно-плазменной обработке образцов аустенитной нержавеющей стали 01Х17Н13М3 с зеренно-субзеренной и крупнозернистой структурой. Ионно-плазменная обработка стальных образцов способствовала поверхностному упрочнению и образованию композиционного поверхностного слоя толщиной ≈20-25 мкм. Высокие показатели значения нанотвердости в композиционном слое обусловлены комплексным упрочнением образцов: твердорастворным упрочнением аустенита азотом и углеродом, дисперсионным твердением и образованием нитридов и карбонитридов различного состава, а также малой долей феррита. Экспериментально показано, что прочностные свойства и пластические характеристики такого слоя существенным образом зависят от исходной микроструктуры базового материала - формирование высокодефектной зеренно-субзеренной структуры способствует образованию более прочного поверхностного слоя по сравнению с крупнозернистыми образцами.
41-48 13
Аннотация
Сплавы с памятью формы благодаря своим уникальным свойствам находят применение во многих инженерных приложениях. Поскольку в аустенитном состоянии за счет реализации эффекта псевдоупругости такие сплавы обладают значительной демпфирующей способностью, одним из возможных применений являются устройства виброзащиты. Рабочие элементы из сплавов с памятью формы в таких устройствах используются в условиях циклически изменяющихся напряжений и/или температуры. Теоретические модели, адекватно описывающие такое поведение, позволяют существенно повысить эффективность демпфирующих устройств. Целью работы является микроструктурное моделирование знакопеременного деформирования образца сплава с памятью формы TiNi. Фазовые превращения в материалах с мартенситным каналом неупругости происходят с выделением и поглощением тепла, что может приводить к смещению рабочих температур элемента и изменению его функциональных характеристик, поэтому при теоретическом описании механического поведения материала учитывалось тепловыделение при прямом и теплопоглощение при обратном превращениях. В рамках данной работы такой учет реализован для адиабатического режима знакопеременного деформирования. Выполнено сопоставление полученных данных с результатами моделирования изотермического знакопеременного деформирования. При расчетах учитывали накопление необратимой деформации при циклировании, которая в реальном устройстве может привести к изменению его рабочих характеристик и снижению эксплуатационного ресурса. Показано, что учет скрытой теплоты превращения при циклировании в режиме заданных деформаций увеличивает максимальные напряжения в цикле и уменьшает объемную долю образовавшегося мартенсита. При учете микропластической деформации происходит эволюция деформационной петли. При этом в адиабатическом режиме в первых циклах происходит рост температуры, в дальнейшем примерно к седьмому циклу он замедляется, и средняя температура перестает заметно меняться.
49-56 16
Аннотация
Широкому внедрению магниевых сплавов в качестве конструкционных материалов препятствует их низкое сопротивление коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН). Считается, что КРН магниевых сплавов может быть связано с водородной хрупкостью. Тем не менее для магниевых сплавов роль водорода в механизме КРН в настоящий момент не вполне ясна. В предыдущих работах нами было установлено, что роль диффузионно-подвижного водорода в процессе КРН магниевых сплавов весьма сомнительна: результаты как механических испытаний, так и газового анализа указывают на то, что концентрация диффузионно-подвижного водорода в исследованных материалах ничтожно мала, в основном же водород сосредоточен в продуктах коррозии. Однако в данных исследованиях не было установлено влияние внешних напряжений на концентрацию и состояние водорода, поэтому неясно, являются полученные результаты характерными только для КРН или же справедливы и для коррозии без приложения внешней нагрузки. В связи с этим была поставлена цель исследования - определение концентрации и состояния водорода в магниевых сплавах после коррозионного воздействия без приложения внешних напряжений. Образцы сплавов МА14, МА2-1 и чистого магния подвергались выдержке в коррозионной среде, после чего каждый образец делился на две части: с первой продукты коррозии удалялись, на второй их оставляли нетронутыми. Далее образцы подвергали газовому анализу, для каждого из них были получены кривые экстракции и значения концентрации водорода. Результаты исследования показали, что удаление продуктов коррозии влечет сильное падение концентрации водорода, а при температурах ниже 300 °С он практически перестает выделяться. Это указывает на то, что большая часть водорода находится в продуктах коррозии, а не в диффузионно-подвижном виде в металлической матрице, что аналогично результатам, полученным при изучении КРН.
57-67 20
Аннотация
В настоящее время существует множество технических задач, для решения которых требуется всестороннее исследование свойств материалов, работающих в водородосодержащих средах. В работе проведено исследование влияния дисперсионного твердения на закономерности водородного охрупчивания и микромеханизмы разрушения высокоазотистой аустенитной стали Fe-23Cr-17Mn-0,1C-0,6N (мас. %). Для этого в образцах стали Fe-23Cr-17Mn-0,1C-0,6N с помощью термических обработок были сформированы структурно-фазовые состояния, характеризующиеся различным распределением и содержанием дисперсных фаз. Экспериментально установлено, что в закаленных образцах, не содержащих дисперсных фаз, накопление водорода происходит преимущественно в зернах. Это вызывает эффекты твердорастворного упрочнения и приводит к смене микромеханизма излома стали от вязкого ямочного излома в отсутствие водорода к транскристаллитному разрушению по механизму квазискола в образцах, предварительно насыщенных водородом. Установлено, что прерывистый распад аустенита с образованием ячеек Cr2N и аустенита, обедненного по азоту, преимущественно по границам зерен сопровождается формированием большой доли межфазных (аустенит/частицы Cr2N) границ. При электролитическом насыщении водородом ячейки распада способствуют накоплению водорода вдоль границ зерен и вызывают хрупкое интеркристаллитное разрушение наводороженных образцов в процессе пластической деформации. Показано, что в образцах, где реакция прерывистого распада аустенита не только реализуется по границам зерен, но и распространяется в тело зерна, образуется множество внутризеренных межфазных границ (пластины Cr2N в аустените), что вызывает формирование транскристаллитного хрупкого излома в наводороженных образцах.
68-76 21
Аннотация
Лазерная наплавка применяется в различных отраслях машиностроения для получения упрочняющих и восстановительных покрытий. В качестве износостойких сплавов для наплавки хорошо зарекомендовали себя самофлюсующиеся сплавы системы Ni-Cr-B-Si. Относительно низкая температура плавления NiCrBSi порошков позволяет добавлять твердые включения в материал матрицы и создавать тем самым композиционные покрытия с не растворившимися при наплавке частицами. В качестве упрочняющих карбидных частиц при создании композиционных покрытий на основе NiCrBSi используются добавки WC/W2C, Cr3C2, SiC, TaC, NiC, VC, TiC. Особый научный и практический интерес представляет изучение закономерностей изнашивания композиционного покрытия NiCrBSi-Cr3C2, характеризующегося повышенной стойкостью к коррозии и окислению при высоких температурах. В работе осуществлялась добавка 15 мас. % порошка Cr3C2 гранулометрического состава 50-150 мкм в порошок ПГ-СР2 (химический состав, мас. %: 0,48 C; 14,8 Cr; 2,6 Fe; 2,9 Si; 2,1 B; остальное Ni) гранулометрического состава 40-160 мкм при газопорошковой лазерной наплавке. С помощью растровой электронной микроскопии установлено, что указанная добавка карбида хрома в NiCrBSi порошок привела к формированию при лазерной наплавке композиционного покрытия, так как в структуре присутствуют исходные нерастворившиеся карбиды хрома Cr3C2. NiCrBSi-Cr3C2 покрытие характеризуется повышенной микротвердостью. Проведены испытания на абразивное изнашивание по закрепленному абразиву - корунду, определены интенсивность абразивного изнашивания, коэффициент трения и удельная работа изнашивания, а также исследованы поверхности изнашивания NiCrBSi и NiCrBSi-Cr3C2 покрытий. Установлен существенный рост абразивной износостойкости композиционного покрытия вследствие смены основного механизма изнашивания (с микрорезания у покрытия NiCrBSi на царапание у покрытия NiCrBSi-Cr3C2).
77-85 15
Аннотация
Титан и его сплавы благодаря сочетанию легкости, высокой удельной прочности, коррозионной стойкости представляют интерес во многих областях промышленности - машиностроении, судостроении, авиастроении. Для применения в области медицины технически чистый титан наиболее предпочтителен из-за высокой биосовместимости и отсутствия в нем токсичных элементов. Чистый титан обладает высокой пластичностью и коррозионной стойкостью, однако уступает титановым сплавам по другим механическим характеристикам, таким как предел прочности, предел текучести, твердость. Перспективным методом повышения прочности титана до уровня сильно легированных сплавов является мегапластическая деформация (МПД). Работа посвящена изучению влияния МПД в камере Бриджмена на структуру (фазовые превращения, происходящие в чистом титане марок ВТ1-00 и ВТ1-0), коррозионную стойкость и микротвердость. Кручением под высоким давлением (КВД) получены образцы с разной степенью деформации: от 0,25 до 4 оборотов подвижной наковальни. Проведены исследования полученных образцов методами рентгеностуктурного анализа, электрохимических испытаний. Исследован фазовый состав образцов титана двух марок, содержащих 0,1 и 0,3 % примесей, до и после МПД. Установлено, что КВД приводит к образованию двухфазной смеси α+ω. Показан положительный эффект МПД на механические свойства титана. Микротвердость деформированного материала увеличивается по сравнению с исходным состоянием, при этом не происходит ухудшения коррозионной стойкости в исследованной среде. Титан при всех режимах деформации находится в пассивном состоянии. Для сплава ВТ1-0 стационарные потенциалы коррозии образцов после КВД имеют более положительное значение по сравнению с исходным недеформированным материалом.
86-91 29
Аннотация
Работа посвящена компьютерному моделированию внутренней механохимической коррозии линейной части длинных трубопроводов, находящихся под действием внутреннего и внешнего давления агрессивных сред. Полагается, что внешняя граница поперечного сечения трубы является круговой, а его внутренняя граница - эллиптической. Задача исследуется в двухмерной постановке. Многие решения, касающиеся неравномерного коррозионно-механического износа, основаны на предположениях о сохранении определенной формы корродирующего изделия. Кроме того, аналитическое решение для идеальной трубы дает существенно завышенную долговечность в случае трубы с отклонением по толщине стенки даже в пределах стандартных допусков. Следовательно, хорошим подходом для решения подобных задач труб с дефектами является компьютерное моделирование. В работе проведен численный эксперимент для конкретного примера по изучению влияния отклонения по толщине трубы на ее долговечность при помощи метода конечных элементов (МКЭ) в среде MATLAB. Предложена модель для моделирования коррозионного процесса. Обнаружено, что даже слабое изменение толщины стенки трубы вызывает концентрацию напряжений, при этом наличие механохимической коррозии приводит к еще большей разнотолщинности. Кроме того, к заметному сокращению долговечности трубы приводит как утонение, так и утолщение ее стенки. При этом чем больше разность внутреннего и внешнего давления, тем сильнее проявляется механохимический эффект и тем меньше прогнозируемый срок службы изделия. Наибольший рост абсолютных значений напряжений наблюдается на внутренней поверхности трубы в тех точках, где ее толщина имеет минимальные значения.


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


ISSN 2073-5073 (Print)
ISSN 2712-8458 (Online)