Preview

Frontier Materials & Technologies

Расширенный поиск

Опубликован: 30.09.2021

№ 3 (2021)
7-18 265
Аннотация

На современных машиностроительных производствах все большее распространение получает соединение деталей посредством сварки трением как наиболее передовой производственный способ, отличающийся высокой производительностью, технологичностью, экономичностью и безопасностью и вместе с тем позволяющий получать высококачественные соединения из большого числа различных одноименных и разноименных металлов и сплавов. Несмотря на все эти преимущества, следует учитывать, что металл в процессе образования сварного соединения испытывает локальное термодеформационное воздействие, ввиду чего сварному соединению присущ градиентный характер структуры и остаточных напряжений. Эти факторы оказывают непосредственное влияние на работоспособность и живучесть конструкции в условиях действия усталостных нагрузок, являющихся наиболее частой причиной разрушения деталей. В работе приведена оценка влияния послесварочного отпуска на циклическую долговечность сварных соединений сталей 32Г2 и 40ХН, выполненных способом ротационной сварки трением. Проведены испытания лабораторных образцов со сварным соединением в условиях многоцикловой усталости на испытательной машине типа НУ с двухопорным креплением вращающегося образца при действии постоянного крутящего момента. Выполнена статическая обработка полученных результатов циклической долговечности. На основании металлографического анализа выявлены уязвимые места в сварных соединениях, в которых произошло зарождение и развитие трещин усталости в исходном состоянии и после отпуска. Приведены фрактограммы, иллюстрирующие механизм разрушения исследуемых образцов. Установлено влияние различных температурных режимов отпуска на циклическую долговечность исследуемых сварных соединений и характер их разрушения. Показано, что отпуск при температуре свыше 400 °С способствует ускорению разрушения в условиях воздействия усталостных нагрузок в связи с развитием процессов возврата и полигонизации в уязвимом участке зоны термомеханического влияния.

19-27 213
Аннотация

Структура полимерных композиционных материалов (ПКМ) позволяет добиться высоких показателей механических свойств, но в то же время сильно чувствительна к образованию внутренних дефектов. Поэтому при проектировании, изготовлении изделий и оценке их надежности в условиях эксплуатации большое внимание уделяется методам неразрушающего контроля, среди которых для исследования структурных изменений в материале при внешнем воздействии себя зарекомендовал метод акустической эмиссии (АЭ). Работа посвящена выявлению типовых повреждений в образцах стеклопластика, изготовленного из стеклоткани Т11-ГВС9 и связующего DION 9300 FR, в условиях циклического растяжения с использованием метода АЭ. В работе решалась задача выбора информативных параметров АЭ и использовался метод кластеризации для идентификации природы источников АЭ и кинетики их образования. Кластеризация выполнялась на основе метода самоорганизации картой Кохонена (SOM) по спектрам Фурье, рассчитанным для зарегистрированных в процессе циклических испытаний сигналов АЭ. На основании анализа пиковых частот полученных кластеров определялась их природа и рассчитывались периоды критического накопления. При характеризации источников АЭ также использовался анализ пиковых частот вейвлет-спектров, выполненный для различных уровней декомпозиции. Определение стадий накопления повреждений образцов во время испытания выполнялось на основании использования материалов собственных исследований и исследований других авторов. Установлено, что по регистрации сигналов АЭ, идентифицированных как нарушение адгезии, можно выявить начало разрушения материала, а по охарактеризованному локальному образованию микроповреждений матрицы и излому волокон можно спрогнозировать разрушение ПКМ.

28-36 212
Аннотация

Использование эпоксидных антифрикционных покрытий позволяет существенно понизить тепловую напряженность в зоне трения и расширить температурный интервал работы покрытия при сохранении высокой износостойкости. Рассматривается влияние неактивированного и активированного поверхностно-активными веществами силикатного наполнителя – золы рисовой шелухи (ЗРШ) на физико-химические и механические свойства эпоксидных материалов, применяемых в качестве антифрикционных покрытий. Все исследованные образцы ЗРШ, как исходной, так и активированной ПАВ, имеют щелочную природу поверхности. Установлено, что все катионные четвертичные аммонийные соли (ЧАС) снижают рН ЗРШ. В то же время неионогенный ОКСИПАВ повышает этот показатель. Активация поверхности ЗРШ как четвертичными аммонийными солями, так и аминосиланами значительно уменьшает пористость этого силиката. При этом средний диаметр пор несущественно изменяется, а их удельная поверхность значительно падает, в меньшей степени при активации неионогенным ЧАС. Применение ЧАС и аминосиланов в количестве 33 % для активации поверхности исследуемого силикатного наполнителя снижает его модифицирующий эффект в эпоксидных композициях независимо от химического строения применяемых ПАВ, что является нестандартным эффектом. Поэтому можно предположить, что была использована неоптимальная концентрация ЧАС и аминосиланов. Установлено, что оптимальной является концентрация 50 % спиртового раствора КАТАПАВ 14,7–21 %. В этом интервале содержания ЧАС имеет место значительный рост твердости (порядка 40 %), некоторое снижение износа (порядка 10 %) и существенное уменьшение коэффициента статического трения (до 2 раз). Одновременно повышается адгезия к металлу до 3 раз и прочность при изгибе до 25 %. Таким образом, зола рисовой шелухи, активированная оптимальным количеством ЧАС, является эффективным наполнителем эпоксидных покрытий, улучшающим их антифрикционные свойства и повышающим износостойкость, твердость, прочностные и адгезионные характеристики.

37-47 233
Аннотация

Тройное карбидное соединение карбоалюминид титана Ti3AlC2 относится к так называемым МАХ-фазам – новому виду керамических материалов с уникальными свойствами. Простой энергосберегающий метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), основанный на горении, является одним из перспективных методов для производства этой МАХ-фазы. Большой интерес представляет применение метода СВС для получения пористого каркаса МАХ-фазы Ti3AlC2 с однородной пористой структурой в отсутствии таких дефектов, как крупные поры, расслоения и трещины. В работе исследуется возможность получения такого пористого каркаса с максимальным содержанием МАХ-фазы Ti3AlC2 с использованием в качестве исходных компонентов порошков элементов Ti, Al и C различных марок, которые отличаются размерами частиц и углеродными формами (сажа или графит). Образцы пористого каркаса были получены сжиганием на воздухе прессованных брикетов шихт из исходных порошков выбранных марок без приложения внешнего давления. Исследованы макро- и микроструктура полученных образцов, их плотность и фазовый состав. Показано, что использование самых мелкодисперсных порошков титана и углерода приводит к слишком активному горению с газовыделением и синтезу дефектных пористых образцов с искажением формы шихтового брикета, крупными порами, расслоениями и трещинами. Наиболее высокие показатели по количеству МАХ-фазы в СВС-продукте наряду с содержанием побочной фазы карбида титана были получены при использовании порошка титана самой крупной фракции совместно с порошком графита, а не сажи. Добавление избыточного порошка алюминия к стехиометрическому соотношению в исходную шихту приводит к увеличению количества МАХ-фазы в продукте СВС, компенсируя потери алюминия из-за испарения. Увеличение объема образца (масштабный фактор) также приводит к увеличению количества МАХ-фазы в продукте СВС вследствие более медленного остывания продукта после реакции.

48-56 183
Аннотация

Разработка системы автоматизированного планирования технологических процессов механической обработки направлена на решение актуальной задачи сокращения сроков и повышения качества технологической подготовки многономенклатурных механообрабатывающих производств, поскольку в существующих системах автоматизированного проектирования технологических процессов отсутствует возможность быстрого реагирования на изменения производственной ситуации, часто возникающие в условиях многономенклатурного производства. В системе автоматизированного планирования технологических процессов, разрабатываемой авторами работы, заложены требования полной автоматизации проектных действий, многовариантности проектных решений и наличия обратной связи с подсистемой реализации технологических процессов. Статья посвящена разработке математической модели и методики нахождения рациональных уровней отсева вариантов проектных решений в зависимости от производственной ситуации для всей совокупности проектных процедур системы автоматизированного планирования технологических процессов. Обосновано использование математического аппарата генетических алгоритмов, дано описание математической модели в его терминах. В качестве гена обозначен уровень отсева в отдельной проектной процедуре. Хромосома представляет собой набор генов в соответствии с проектными процедурами. Целевая функция определяет минимальное суммарное время обработки заданной номенклатуры деталей на основе множеств комбинаций генов, возникающих в результате проведения операций скрещивания и мутаций. Результатом работы является математическая модель и методика для определения рациональных уровней отсева в каждой проектной процедуре, обеспечивающая возможность самонастройки системы автоматизированного планирования технологических процессов в зависимости от производственной ситуации.

57-66 168
Аннотация

Основная проблема аддитивно изготовленных хромоникелевых аустенитных нержавеющих сталей, затрудняющая их использование и отличающая их от литых однофазных аналогов, – формирование двухфазной γ-аустенит/δ-феррит дендритной микроструктуры. Причинами формирования двухфазной структуры являются неравновесные условия кристаллизации, сложная термическая история и обеднение расплава по аустенитообразующим элементам (никелю и марганцу). Поэтому дополнительное легирование никелем при аддитивном производстве сталей может стабилизировать аустенитную структуру в заготовке. В работе с использованием электронно-лучевого аддитивного производства с одновременной подачей двух проволок из аустенитной нержавеющей стали Fe-18,2Cr-9,5Ni-1,1Mn-0,7Ti-0,5Si-0,08C масс. % (АНС 08Х18Н10Т) и сплава 77,7Ni-19,6Cr-1,8Si-0,5Fe-0,4Zr масс. % (нихром, Х20Н80) были получены две градиентные заготовки с использованием различных стратегий подачи проволоки (первая стратегия – 4 слоя АНС/1 слой Х20Н80; вторая стратегия – 1 слой АНС/1 слой из смеси 80 % АНС + 20 % сплава Х20Н80). Установлено, что добавление нихрома в процессе электронно-лучевого аддитивного производства АНС 08Х18Н10Т подавляет образование в ней δ-феррита и способствует стабилизации аустенитной фазы за счет легирования никелем. Добавление нихрома через последовательно нанесенные 4 слоя АНС приводит к неоднородности структуры и химического состава в заготовке, низкой пластичности и преждевременному разрушению образцов при испытаниях на одноосное растяжение. Последовательное чередование слоев из АНС и из смеси проволок АНС + сплав Х20Н80 способствует равномерному перемешиванию компонент двух проволок и формированию более однородной структуры в градиентной заготовке, что приводит к увеличению пластичности образцов без преждевременного разрушения при механических испытаниях.

67-73 239
Аннотация

Известно, что титан и его сплавы являются одними из перспективных материалов в промышленности и особенно в медицине за счет своей превосходной биосовместимости и коррозионностойкости. Новейшие современные оборудования и инструменты, используемые в травматологии, ортопедии, стоматологии и т. д. запрашивают всё более высокие механические характеристики для материалов. Сплавы, по сравнению с технически чистым титаном, обладают не такими высокими коррозионностойкими свойствами и биосовместимостью. В связи с этим повышение механических характеристик чистого материала является актуальным вопросом. Исследовано влияние отжига на структуру и свойства технически чистого титана Grade 4 в крупнозернистом и ультрамелкозернистом состоянии. Ультрамелкозернистое состояние было получено с помощью интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК) под давлением 6 ГПа на N=10 оборотов при комнатной температуре. В микроструктуре, исследованной с помощью просвечивающей электронной микроскопии, удалось обнаружить частицы выделившихся фаз после отжига, имеющие различную морфологию. Деформация приводит к увеличению выделившихся частиц после отжига. Был проведен рентгенофазовый анализ, который показал приближение параметров решетки α-фазы после деформации и отжига при 700 °C к значениям параметров чистого титана. Таким образом, в материале происходят процессы старения, сопровождающиеся распадом пересыщенного твердого раствора и выделением частиц вторых фаз. Показаны результаты измерения микротвердости титана при различных состояниях. Комбинированная обработка, состоящая из ИПДК при N=5 оборотов, отжига при 700 °C и дополнительной деформации ИПДК при N=5 оборотов, позволила получить рекордную прочность для технически чистого титана Grade 4.

74-83 255
Аннотация

Нанокомпозиты на основе полимера и графена являются одним из классов перспективных материалов. При этом свойства полимерного композиционного материала определяются не только степенью наполнения и природой наполнителя и связующего, но и формой, размером и взаимным расположением частиц наполнителя. Наиболее эффективно разрушение агрегатов наночастиц происходит в жидких средах под действием ультразвуковых колебаний. Предложен способ и разработано лабораторное оборудование для ультразвуковой обработки суспензии мелкодисперсного графита, проведена ультразвуковая обработка (УЗО) мелкодисперсного порошка графита. Получены суспензии на основе графита с растворителем, проведены эксперименты по получению графена методом жидкофазного расслоения графита при ультразвуковом воздействии с разным временем ультразвуковой обработки, проанализированы экспериментальные данные и выбрано оптимальное время УЗО. Представлены результаты исследования влияния основы графитовой суспензии на степень жидкофазного расслоения графита при ультразвуковом воздействии. Синтез графеновых структур с помощью УЗО наиболее эффективен из графитовых суспензий на основе дихлорэтана, бензола и дихлорбензола. Доля выхода графеновых структур составляет до 66 %. Разработана технология получения полимеров, модифицированных графеновыми структурами с помощью ультразвукового диспергирования. На основе графена, синтезированного методом жидкофазного расслоения графита, получены нанополимеры с использованием ультразвуковых колебаний, проведены ДСК-измерения и исследованы прочностные свойства этих нанополимеров. Предел прочности каучуковых полимеров – от 1,9 до 3,6 МПа при различной концентрации графеновых включений. Остаточное удлинение образцов в пределах погрешности не изменилось и составило 200 %.

84-90 222
Аннотация

В последнее время интерес исследователей сфокусирован на новом классе гранецентрированных кубических решеток (ГЦК) высокоэнтропийных сплавов (ВЭС), благодаря их уникальным свойствам – высоким значениям коэффициента деформационного упрочнения, хорошей пластичности и вязкому разрушению при низких температурах испытания. Такое сочетание свойств в ГЦК ВЭС достигается в результате смешивания пяти и более элементов в равных атомных пропорциях. Из-за сильной температурной зависимости напряжений на пределе текучести σ0,1(Т), эти сплавы характеризуются низкими значениями σ0,1 при температуре выше комнатной, что сдерживает их практическое применение. Дисперсионное упрочнение является эффективным способом достижения высокой прочности и успешно применяется для упрочнения ГЦК ВЭС. В работе проведены исследования влияния старения при 923 К в течение 4 ч и при 1073 К в течение 18 и 30 ч на механическое поведение монокристаллов ГЦК (CoCrFeNi)94Ti2Al4 (ат. %) ВЭС, ориентированных вдоль [001] направления, при растяжении. Старение при 923 К в течение 4 ч и при 1073 К в течение 18 и 30 ч приводит к выделению частиц γ′-фазы, размер и объемная доля которых зависят от температуры и времени старения. Выделение частиц γ′-фазы приводит к росту напряжений на пределе текучести от 47 МПа (старение 923 К, 4 ч) до 226 МПа (старение 1073 К, 30 ч) относительно закаленных кристаллов при 296 К. Установлена зависимость коэффициента деформационного упрочнения, пластичности и максимального уровня напряжений до разрушения от термической обработки. Обсуждаются причины роста напряжений на пределе текучести и коэффициента деформационного упрочнения при выделении частиц γ′-фазы.



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


ISSN 2782-4039 (Print)
ISSN 2782-6074 (Online)