Preview

Frontier Materials & Technologies

Расширенный поиск

Опубликован: 31.03.2022

№ 1 (2022)
7-14 315
Аннотация

Алюминий и его сплавы, в частности сплав Al–Si–Mg, широко применяются в различных областях промышленности и техники благодаря своим механическим свойствам. При этом дефекты, образующиеся в процессе литья, оказывают пагубное воздействие на поведение рассматриваемого сплава в условиях циклических нагрузок. Поэтому актуальны исследования, направленные на изучение влияния поверхностных дефектов на усталостную прочность материала. В статье представлено численное исследование, основанное на методе конечных элементов, целью которого является оценка влияния взаимодействия дефектов сложной формы на напряжение исследуемого образца алюминиевого сплава Al–Si–Mg. Построенная модель сложного дефекта состоит из основного дефекта полусферической формы и вторичного дефекта на дне основного. Поведение материала при циклических нагрузках описывается моделью Шабоша. Численное решение построено в пакете ANSYS Workbench. Было выдвинуто предположение, что рассматриваемую сложную комбинацию дефектов возможно аппроксимировать эквивалентным упрощенным дефектом. Показано, что максимальные значения напряжения Мизеса для дефектов сложной формы достигаются на месте стыка вторичного дефекта с основным. В случае эквивалентного дефекта максимальные значения наблюдаются на дне дефекта и по краям. Проведена сравнительная оценка погрешности, полученной с использованием эквивалентного дефекта, и случаев трех дефектов сложной формы и трех дефектов полусферической формы без дополнительного (вторичного) повреждения. Данная оценка показала, что при сложной форме дефектов модель эквивалентного дефекта дает погрешность в 14,5 %, что на 6,5 % больше, чем в случае полусферических дефектов без вторичных повреждений на дне.

15-23 190
Аннотация

Характерной особенностью высокоэнтропийных сплавов является высокая прочность при сохранении пластичности, износостойкость, коррозионная стойкость, а также вязкость разрушения при криогенных температурах. В настоящее время наиболее изученным высокоэнтропийным соединением является CoCrFeNiMn. Однако его применение ограничено в высокотемпературной области из-за низких значений уровня деформирующих напряжений на пределе текучести при Т>296 К. Одним из известных способов повышения прочности материала является добавление атомов замещения большего атомного радиуса, одними из которых являются Al, Ti, Mо. В работе проведен анализ механического поведения монокристаллов ГЦК высокоэнтропийных сплавов CoCrFeNiMn и CoCrFeNiMо (ат. %), ориентированных вдоль [001] направления: исследованы температурная зависимость критических скалывающих напряжений τкр(Т) в интервале Т=77–973 К, тип дислокационной структуры, коэффициент деформационного упрочнения θII, пластичность и разрушение при Т=296 К при деформации растяжением. Показано, что легирование атомами Mo 4 ат. % системы CoCrFeNi (ат. %) приводит к твердорастворному упрочнению, и критические скалывающие напряжения τкр увеличиваются во всем исследованном интервале температур. Начало пластической деформации связано со скольжением при всех температурах испытания. При Т=296 К в CoCrFeNiMо обнаружена планарная дислокационная структура с плоскими скоплениями дислокаций и дислокационными сетками, тогда как в эквиатомном CoCrFeNiMn при данной температуре испытания наблюдается однородное распределение дислокаций в нескольких системах без плоских скоплений. Коэффициент деформационного упрочнения, пластичность, а также уровень напряжений перед разрушением оказываются близкими в [001]-кристаллах высокоэнтропийных сплавов CoCrFeNiMо и CoCrFeNiMn, что определяется развитием деформации скольжения одновременно в нескольких системах. Разрушаются кристаллы при 296 К при одинаковом уровне напряжений вязко.

24-30 173
Аннотация

Магний, его соединения и сплавы в последнее время вызывают повышенный интерес ученых во всем мире. Интерес к исследованиям магния обусловлен сочетанием в нем множества перспективных свойств, которые находят практическое применение в различных отраслях народного хозяйства. В промышленных масштабах основную долю магния производят путем электролиза из расплава. Однако существует проблема безопасности этого процесса для окружающей среды. Метод является экологически неблагополучным, поскольку сопровождается выделением в окружающую среду опасных соединений хлора и хлорорганических соединений. В ряде случаев альтернативой может служить метод электроосаждения из растворов. Задача получения магния и магнийсодержащих покрытий методом электроосаждения из растворов уже ставилась, но получить стабильный электролит, позволяющий создать качественные покрытия, до сих пор не удавалось. В работе предложен электролит, в котором в качестве растворителя использовался изопропиловый спирт. Магнийсодержащие покрытия получали методом электроосаждения на токопроводящую основу. Электролит готовился на основе безводного сульфата магния. Для увеличения электропроводности электролита в раствор добавлялись хлориды натрия, калия и кальция в разных концентрациях. Проведены экспериментальные исследования влияния состава электролита и режимов электроосаждения на морфологию и элементный состав магнийсодержащих покрытий. Электронно-микроскопические исследования и исследования элементного состава образцов энергодисперсионным рентгенофлуоресцентным спектрометром показали, что оптимальным режимом электроосаждения для получения магниевых покрытий с мелкокристаллической структурой, низкой пористостью и высоким содержанием магния является нестационарный (двухступенчатый) режим электроосаждения. 

31-39 296
Аннотация

Сварка трением с перемешиванием (СТП) представляет собой инновационную технологию твердофазного соединения металлических материалов. Она позволяет получать неразъемные соединения материалов, традиционно считающихся несвариваемыми, в частности алюминиевых сплавов. К сожалению, существенным недостатком СТП является относительно низкая термическая стабильность микроструктуры сварных соединений. В частности, в ходе послесварочной термической обработки швов в них нередко наблюдается аномальный рост зерен. Этот нежелательный феномен обычно трактуется в рамках так называемой «ячеистой» теории Хамфри, в соответствии с которой аномальное поведение связано с существенным измельчением микроструктуры, а также растворением частиц вторичных фаз, которые обычно имеют место в ходе СТП. Поскольку оба этих процесса существенно зависят от температуры, было сделано предположение, что термическая стабильность СТП-швов также должна быть связана с термическим режимом СТП. Для проверки этой гипотезы было получено два сварных соединения при различных термических условиях, а затем исследовано их микроструктурное поведение в ходе термической обработки по режиму T6 (включавшей в себя обработку на твердый раствор и последующее искусственное старение). Для проведения микроструктурных исследований был привлечен передовой метод ориентационной микроскопии (так называемый EBSD-анализ). В полном соответствии с исходным предположением было показано, что эволюция микроструктуры в двух исследованных микроструктурных состояниях существенно различается. В частности, установлено, что снижение температуры СТП способствует подавлению аномального роста зерен. Выдвинуто предположение, что повышенная термическая стабильность материала связана с сохранением частиц вторичных фаз при низкотемпературной СТП.

40-48 144
Аннотация

Никель и никелевые покрытия, с одной стороны, хорошо изучены с точки зрения широты практического применения, с другой – применение разных подходов к их получению и структурированию дает новые возможности изменения их свойств. В настоящее время ведутся исследовательские работы, связанные с изменением физико-химических свойств никеля путем наноструктурирования. Способы и методы получения наноструктурированных материалов весьма разнообразны, однако многие из них считаются энергоемкими и экономически невыгодными. В работе проблема получения никелевых покрытий и изменения их свойств решена путем электроосаждения из водных растворов электролитов. Исследовано влияние добавок в никелевый электролит на габитус формирующихся в покрытии кристаллов и, как следствие, морфологию никелевого покрытия. В качестве добавок использовались хлориды натрия, калия и кальция в одинаковой мольной концентрации. При электроосаждении образцов покрытий менялась природа подложки и режимы электролиза. Осаждение велось в стационарном режиме электроосаждения в одну или две стадии электролиза. Полученные образцы исследовались методами электронной сканирующей микроскопии с применением рентгеноструктурного анализа. Установлено, что используемые в работе хлориды позволяют существенно изменить морфологию поверхности покрытия. В зависимости от концентрации хлоридов и режимов осаждения морфология поверхности никелевых покрытий изменяется от объемных конусообразных структур до пластинчатого габитуса. Хлориды также позволяют сформировать кристаллы с пентагональной симметрией. Добавление хлоридов влияет на рост кристаллов в определенных кристаллографических направлениях (111), что может быть связано с их ингибирующим действием. Полученные никелевые покрытия имеют регулярный микрорельеф.

49-60 154
Аннотация

В связи с интенсивным развитием спектральных методов анализа акустической эмиссии на передний план выходит проблема обеспечения наилучшего частотного и временного разрешения путем применения определенных алгоритмов частотно-временного преобразования. Основными использующимися или интегрируемыми в метод акустической эмиссии частотно-временными преобразованиями сегодня являются: оконное преобразование Фурье, вейвлет-преобразование, псевдопреобразование Вигнера – Вилля, преобразование Чои – Вильямса и псевдопреобразование Гильберта – Хуанга. Однако в литературных источниках недостаточно информации, позволяющей оценить эффективность их применения для выделения особенностей сигналов акустической эмиссии дискретного и непрерывного вида. Исходя из этого, на синтетических и реальных модельных сигналах проведен экспериментальный сравнительный анализ работоспособности обозначенных частотно-временных преобразований. Первые модельные сигналы представляли собой chirp-сигнал, идеальные синусоиды и дельта-функцию Дирака, а вторые – дискретный сигнал акустической эмиссии от источника Су-Нильсена, разложенный в акустическом канале на дисперсионные моды, и непрерывный акустический сигнал от истечения воздуха через калиброванное отверстие. Показано, что при перепаде энергии частотных составляющих порядка 25 дБ установить все контрольные особенности модельных сигналов оказались способны только преобразование Фурье и вейвлет-преобразование. Преобразования Вигнера – Вилля, Чои – Вильямса и Гильберта – Хуанга, показавшие более высокое частотно-временное разрешение, не выявили частотные составляющие низкой энергии. Поэтому их можно рекомендовать для обнаружения спектральных изменений в резонансных и дискретных сигналах, но в узком энергетическом диапазоне. Для анализа непрерывной акустической эмиссии наилучший результат продемонстрировали преобразование Фурье и вейвлет-преобразование. Однако для применения последнего требуется процедура выбора оптимальной базисной функции. Установлено, что преобразование Гильберта – Хуанга позволяет выделять флуктуации частоты, но для повышения достоверности его результатов требуется проработка способов повышения чувствительности и выделения основной информации из спектрограмм.

61-72 174
Аннотация

Приведены исследования особенностей структурообразования в переходных зонах слоистого металлического материала из конструкционных углеродистых и легированных нержавеющих сталей с внутренним протектором. Определена последовательность расположения слоев. Промышленным способом производства такого материала была принята технология сварки взрывом, обеспечивающая получение 3-, 4- и 6-слойных материалов с одним и двумя внутренними протекторами за один подрыв. Выбор оптимальных параметров процесса осуществляли при помощи компьютерного моделирования с использованием программного продукта LS-DYNA. Расчетом определяли основные технологические параметры процесса, обеспечивающие в контактной зоне на каждой межслойной границе соотношение амплитуды образующихся волн к их длине в диапазоне от 0,3 до 0,5. Проведенны механические испытания многослойных заготовок. Величина прочности сцепления слоев на срез составила от 320 до 410 МПа, временного сопротивления на разрыв основного слоя – от 520 до 710 МПа, ударной вязкости – от 290 до 740 кДж/м2, угол загиба при статическом нагружении – 140 градусов и выше. Определен фазовый состав и характеристики кристаллографической структуры переходных зон слоистого металлического материала с внутренним протектором. Установлено наличие γ-Fe с гранецентрированной кристаллической решеткой, две кубические структуры, по одной гексагональной и орторомбической. На образцах с искусственным питтнгом установлено их влияние на скорость анодного растворения протекторного слоя при контакте с агрессивной средой. Показано, что наибольшей коррозионной стойкостью обладают межслойные границы с однородной структурой и минимальной толщиной.

73-81 140
Аннотация

После холодной прокатки со степенями обжатия более 97 % и рекристаллизационного отжига в ряде металлов с гранецентрированной кубической решеткой, обладающих высоким или средним значением энергии дефектов упаковки, таких как Ni, Cu, Al, Pt и некоторых сплавов на их основе, формируется острая кубическая текстура. Протяженные ленты из этих металлов и сплавов с гранецентрированной кубической решеткой могут быть использованы для нанесения многослойных функциональных композиций. Проведено исследование структуры и кристаллографической текстуры в лентах из тройных сплавов на медно-никелевой основе. Показана принципиальная возможность создания многокомпонентных сплавов на базе бинарного сплава Cu+40% Ni, дополнительно легированного такими элементами, как Мо или Nb. Рассмотрено формирование острой кубической текстуры в лентах из сплавов Cu–Ni–Mn, Cu–Ni–Nb и Cu–Ni–Мо, полученных путем холодной деформации прокаткой и рекристаллизационного отжига, проведенного при различных температурах. Установлено, что оптимальным режимом рекристаллизационного отжига, при котором на поверхности деформированных на ~99 % лент из сплавов (Cu+40% Ni)–Me (где Ме=Mn, Мо, Nb) реализуется наиболее совершенная кубическая текстура, является отжиг в течение 1 ч при 1050 °С. Согласно полученным данным, после такого режима отжига в сплавах Cu–40% Ni–1,3% Mn, Cu–40% Ni–0,8% Mo и Cu–40% Ni–0,5% Nb сформировалось от 94 до 98 % зерен с ориентацией {001}<100>, что открывает перспективу использования данных сплавов в качестве эпитаксиальных подложек в технологии высокотемпературных сверхпроводников второго поколения. Оценка механических характеристик показала, что легирование способствовало повышению величины предела текучести сплавов Cu–40% Ni–1,3% Mn, Cu–40% Ni–0,8% Mo и Cu–40% Ni–0,5% Nb в 3–4 раза по сравнению с величиной предела текучести текстурованной медной ленты.

82-90 127
Аннотация

Комплексное твердорастворное упрочнение аустенитных хромомарганцевых сталей азотом и углеродом является одним из эффективных методов получения высокоазотистых аустенитных сталей (ВАС) без использования специальных методов литья. С целью повысить растворимость атомов внедрения в жидком металле и подавить образования нежелательных вторичных фаз Cr2N и Cr23C6 в ВАС добавляют карбидообразующие элементы (например, ванадий). К настоящему времени не проводилось комплексных экспериментальных работ, посвященных старению ванадиевых сталей, содержащих сверхвысокое количество атомов внедрения (более 1 масс. %). В работе с использованием методов рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и одноосного статического растяжения изучено влияние температуры (600 и 700 °С) и продолжительности старения (0,5 и 5 ч) на фазовый состав и механические свойства ванадийсодержащей хромомарганцевой стали с высоким содержанием атомов азота и углерода (Fe-22Cr–26Mn–1,3V–0,7C–1,2N, N+C=1,9 масс. %). Экспериментально показано, что за счет реализации комплексного распада (по прерывистому и непрерывному механизмам) пересыщенного атомами внедрения аустенита старение при температурах 600 и 700 °С сопровождается дисперсионным твердением аустенитной фазы карбонитридами Cr2(N,С) и (V,Cr)(N,С). Установлено, что по мере увеличения температуры и продолжительности старения фронт прерывистого распада движется от границ в объем аустенитных зерен. Распространению фронта реакции препятствуют образовавшиеся в аустенитных зернах по непрерывному распаду частицы (V,Cr)(N,С), в то время как крупные сферические частицы (V,Cr)(N,С) и Cr2(N,C), не растворенные при закалке, слабо влияют на его движение. При выбранных режимах старения происходит увеличение значения условного предела текучести стали и уменьшение удлинения до разрушения.

91-100 123
Аннотация

В настоящее время перспективным направлением исследований является изучение поведения технологических и физических характеристик материалов в условиях внешних энергетических воздействий, в частности постоянных магнитных полей. Это связано с возникновением многофакторных научных и производственных проблем, появляющихся с внедрением в производство высоких технологий. Одно из направлений – создание новых приборов, устройств и машин, которые так или иначе формируют вокруг себя электромагнитные поля. Поэтому комплексный подход к изучению влияния магнитополевых воздействий на деформационные характеристики металлов и сплавов способствует более глубокому пониманию физической природы указанного воздействия. Для исследований в качестве объекта был выбран технически чистый титан марки ВТ1-0. Работа направлена на изучение влияния постоянного магнитного поля 0,3 Тл на микротвердость, скорость ползучести и поверхность разрушения титана. Результаты показали, что под воздействием постоянного магнитного поля 0,3 Тл происходит снижение относительного значения микротвердости титана марки ВТ1-0 на 2–5 % с последующей релаксацией до исходного значения. Скорость ползучести титана увеличивается на ≈31 % при применении поля с индукцией 0,3 Тл в процессе испытания (без применения поля скорость ползучести составляет 2,4 %/ч, в магнитном поле – 3 %/ч). Анализ поверхности разрушения методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) показал, что образцы титана испытывают вязкий излом. Поверхность излома характеризуется многочисленными равноосными ямками разрушения. Стоит отметить, что ямки с участками вытяжки присутствуют преимущественно на образцах, разрушенных в условиях ползучести в постоянном магнитном поле 0,3 Тл.



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


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