Adaptation

Громов В.Е., Ващук Е.С., Романов Д.А., Филяков А.Д., Почетуха В.В.

В настоящем исследовании продемонстрировано влияние электронно-пучковой обработкой на структуру и фазовый состав композиционного покрытия с металлической матрицей системы TiB2–Ag, нанесенное по средствам электрического взрыва. Фазовый состав и структура покрытий были исследованы при помощи методов рентгеноструктурного анализа, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Фазовый состав покрытий, полученных электровзрывным методом, варьируется от образца к образцу. Воздействие электронно-пучковой обработки привело фазовый состав покрытий к единообразию. Основными фазами после модификации покрытия электронным пучком являются Ag, TiB2 и B2O. Увеличение плотности энергии и длительности импульса приводит к уменьшению содержания легкоплавкой фазы Ag и образованию медьсодержащих фаз за счет нагрева и плавления медной подложки избыточной энергией электронного пучка. Структура покрытия представлена серебряной матрицей с включениями в виде частиц TiB2. Влияние электронно-пучковой обработки на структуру покрытия носит слабовыраженный характер. Однако под действием электронного пучка микроструктура покрытия трансформировалась в ячеистую кристаллизационную структуру. Наноструктура серебряной матрицы была преобразована в нанокристаллическую структуру со средним размером кристаллов от десятков до сотен нанометров.

Захаров П.В., Лубяной Д.А., Гостевская А.Н., Старостенков М.Д., Маркидонов А.В.

Известно, что воздействие лазерных импульсов на поверхность металла сопровождается такими процессами как локальный нагрев, плавление и даже испарение металла, что приводит к различным структурным изменениям поверхности. Очевидно, что в связи с широким применением лазера в качестве инструмента обработки материалов исследование процессов, сопутствующих его воздействию, является актуальной задачей, которую, впрочем, не всегда удается решить исключительно экспериментальным путем и в данном случае требуется применение дополнительных методов исследования. В представленной работе методом молекулярной динамики изучаются структурные изменения, происходящие в монокристалле железа, подвергнутому относительной деформации различной величины, при моделируемом воздействии лазерного импульса. Предполагается, что подобное воздействие сопровождается лишь разогревом облученного материала до достаточно высоких температур. Показано, что в результате последующей структурной релаксации в кристалле образуются дислокации, являющиеся откликом на внешнее воздействие, а по мере роста величины деформации формируются области разориентации. При этом для разориентации в данном случае не требуются большие деформации, а необходимо наличие жидкой фазы, а также избыточный свободный объем. Высказывается предположение, что возникновению областей разориентации также способствуют касательные напряжения, создаваемые межфазной границей.

Ефимов М.О., Юрьев А.Б., Коновалов С.В., Громов В.Е.

Пятикомпонентные высокоэнтропийные сплавы ВЭС типа сплава CoCrFeNiMn Кантора, обладающие хорошим сочетанием прочностных и пластических свойств и имеющие благоприятные перспективы практического использования, вот уже более четверти века активно исследуются во всем мире. В статье представлен краткий обзор публикаций в основном зарубежных исследователей по поиску направлений изменения, (улучшения) свойств этих сплавов и их практическому применению. Проанализированы теоретические и экспериментальные работы, свидетельствующие о возможности электронных структур в формировании свойств высокоэнтропийных сплавов. Изучение магнитных свойств ВЭС, может дать важную дополнительную информацию об их электронной структуре. На примере ВЭС (CoCrFeMn)1-хNiх, содержащих пять ферромагнитных элементов, прослежена эволюция магнитной природы с изменением температуры. Обращено внимание на необходимость ускорения масштабного практического применения ВЭС. Показаны трудности и сдерживающие факторы практического использования ВЭС и пути их преодоления. В этом направлении проведен анализ публикаций в зарубежной печати о путях создания ВЭС из отходов (лома) машиностроительной и металлургической промышленности. Выполнено сравнение структурно-фазовых состояний и механических свойств ВЭС, изготовленных из чистых составляющих элементов и отходов, содержащих нержавеющую сталь, нихром, кобальтовые сплавы.

Пимонов М.А., Коновалов С.В., Дриц А.М., Зорин И.А., Арышенский Е.В.

Исследование посвящено изучению влияния гафния на антирекристаллизационные свойства сплава 1570. В процессе исследования сплав 1570 и его модификации, содержащие 0,2 % и 0,5 % масс. гафния, исследовались в литом и гомогенизированном состояниях при помощи просвечивающей электронной микроскопии. В результате выявлено, что легирование гафнием 0,2 % масс. при отжиге в течение 4 часов при температуре 370 °С приводит к снижению объема выделившихся частиц по сравнению со сплавом 1570. При повышении концентрации гафния до 0,5 % количество частиц продолжает уменьшаться. Теоретические расчеты тормозящей и движущей сил рекристаллизации показывают, что в сплавах, содержащих гафний 0,5 % масс., при высоких параметрах Холомона-Зенера возможно протекание рекристаллизации. Отжиг при температуре 440 °С приводят к увеличению доли и уменьшению размера частиц в сплавах с содержанием гафния. Особенно сильно уменьшается размер частиц и растет их объем в сплаве с содержанием гафния 0,2 %. Таким образом, в сплавах, легированных гафнием, рекристаллизация блокируется при любых рассмотренных в данной работе параметрах Холломона-Зенера. В сплаве без гафния рост температуры отжига, наоборот, приводит к уменьшению количества частиц и увлечению их размера. В результате тормозящая сила несколько снижается, однако ее все равно достаточно для полного торможения процессов рекристаллизации.

Филиппов А.В., Аборкин А.В., Решетняк В.В.

Проведена адаптация термодинамических моделей неоднородных сред для их использования при изучении наноразмерных систем. Предложена аналитическая модель взаимодействия газовой фазы со стенками наноразмерных пор и вакансионных кластеров в твердых телах. Показана возможность приближенного учета межфазного взаимодействия при расчете свободной энергии системы и давления газа путем введения в уравнение состояния дополнительных слагаемых. Для приближенного расчета этих слагаемых в настоящей работе предложены простые формулы, позволяющие выполнить оценку адсорбционной поправки к свободной энергии в наноразмерных газовых пузырях аналитически. При этом взаимодействие атомов газа и стенок описывается с использованием потенциала Леннарда-Джонса. Разработанная модель использована для исследования состояния гелия, водорода и аргона в нанопорах вольфрама. Установлено, что взаимодействие со стенками дает весьма существенный вклад в свободную энергию газа, относительная доля которого сильно зависит от параметров уравнения состояния и потенциала взаимодействия молекул газа со стенками. Проведенный анализ указывает на необходимость учета "стеночных" поправок при исследовании состояния газов. Полученные результаты свидетельствуют о существенном вкладе энергии взаимодействия фаз в свободную энергию газа даже при сравнительно больших значениях радиусов пор в десятки и сотни нанометров. Влияние взаимодействия молекул газа со стенками пор на давление газа оказывается более слабым. Для всех рассмотренных случаев пренебрежение межфазным взаимодействием при расчете давления газа возможно, если радиус поры составляет не менее десяти нанометров. Полученные результаты могут быть полезны при исследовании давления газа в нанопорах твердых тел, например, в задачах плазмохимии поверхности, управляемого термоядерного синтеза, порошковой металлургии.

Гнеденков С.В., Лукиянчук И.В., Завидная А.Г., Устинов А.Ю., Курявый В.Г., Соколов А.А., Сарин С.А., Саенко Н.С., Опра Д.П., Железнов В.В.

В работе двухстадийным методом получен композиционный материал на основе волокон твердого углерода, модифицированных нанолистами дисульфида молибдена. Твердый углерод, используемый в качестве основы, получен термообработкой вискозы при 810 °С. Осаждение на волокнах наночастиц MoS2 выполнено гидротермальным способом. Структура и состав композита установлены с использованием методов рентгеновской дифракции, малоуглового рентгеновского рассеяния, спектроскопии комбинационного рассеяния света, сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии, спектрофотометрии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Исследованы электрохимические характеристики композита как анодного материала для натрий-ионных аккумуляторов. Обнаружено, что за счет эффекта синергизма композиционный материал обладает преимуществами над твердым углеродом и нанокристаллическим MoS2 в отдельности. По сравнению с твердым углеродом композит демонстрирует более высокие значения удельной емкости, в том числе при высоких плотностях тока. Так, при 1000 и 2000 мА/г композиционный материал показал удельную емкость 139 и 84 мА·ч/г, тогда как твердый углерод при тех же плотностях тока обеспечивает только 73 и 45 мА·ч/г. По отношению к MoS2 композит демонстрирует лучшую циклируемость. Для MoS2 наблюдается деградация энергозапасающих свойств уже после 90 цикла. Композиционный материал, напротив, сохраняет стабильность даже на 150 цикле с емкостью 204 мА·ч/г при 200 мА/г.

Серебрякова А.А., Чжан П., Петрикова Е.А., Боровский С.В., Семин А.П., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е.

Сформулирована одна из основных задач современного физического материаловедения по разработке и исследованию высокоэнтропийных сплавов последнего поколения. Приведен краткий обзор публикаций последних лет по перспективным направлениям создания и применения высокоэнтропийных сплавов. Выделен комплекс высоких эксплуатационных характеристик, предъявляемый к высокоэнтропийным сплавам для применения в современных наукоемких отраслях промышленности: износостойкость, прочность и ударная вязкость, химическая, радиационная и коррозионная стойкость, низкая плотность, сверхпластичность и сверхпроводимость, высокая и низкая теплопроводимость, сопротивление диффузии, низкий температурный коэффициент сопротивления, экологичность и т.п. Указаны области перспективных применений высокоэнтропийных сплавов в ядерных реакторах, аэрокосмических двигателях, газо и нефтепроводах, морских сооружениях, компьютерах и электронных устройствах. Отмечено, что многие высокоэнтропийные сплавы могут быть использованы в продукции двойного назначения. В качестве примеров рассмотрено предложение по созданию тонкопленочных высокорезистивных материалов с низким температурным коэффициентом сопротивления методом спиннингования. Получена лента из высокоэнтропийного сплава Кантора неэквиатомного состава и изучены ее свойства. Высказано и обосновано предположение о дальнейшем развитии высокоэнтропийных сплавов.

Шлярова Ю.А., Порфирьев М.А., Иванов Ю.Ф., Громов В.Е.

Методами, просвечивающие электронный микроскопии выполнен анализ субструктуры цемента в головке длинномерных рельсов специального назначения категории ДТ400ИК из заэвтектоидной стали после длительной эксплуатации на экспериментально на кольце РЖД (пропущенный тоннаж 187 млн. тонн). Показано, что после эксплуатации пластины цементита искривляются и разделяются ферритными мостиками. В пластинах феррита и цементита формируется дислокационная субструктура: хаотически распределенного и сеченого типа в феррите и упорядоченная в цементе. Отмечена повышенная плотность дислокаций на межфазных границах феррит-цементит по сравнению с объемом ферритных пластин. Указаны два возможных механизма деформационного преобразования зерен пластинчатого перлита: разрушение пластин цементита и вытягивание углерода из решетки карбидной фазы. Указано, что вынос углерода из цементитных пластин происходит наиболее интенсивно вблизи дефектов феррите и цементите. Образованные наноразмерные частицы третичного цементита распределены в ферритных пластинах неравномерно, большая их часть наблюдается в местах расположения ферритных субзерен и межфазных границ. Это приводит к неоднородному дифракционному контрасту на темнопольных изображениях цементных пластин. Выявлена фрагментация пластин феррита и цементита и оценены азимутальные составляющие углов полной разориентации. По всем установленным закономерностям преобразования субструктуры цементита осуществлено сравнение с результатами для рельсов из доэвтектоидной стали.

Никоненко Е.Л., Шляров В.В., Иванов Ю.Ф., Крюков Р.Е., Порфирьев М.А., Громов В.Е., Попова Н.А.

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.

Гостевская А.Н., Ващук Е.С., Перегудов О.А., Громов В.Е., Иванов Ю.Ф.

Методами современного физического материаловедения исследована структура, микротвердость и трибологические свойства быстрорежущей стали Р18Ю, легированной азотом и алюминием направленной на валки из среднеглеродистой стали 30ХГСА. Плазменная наплавка осуществлена в закрытой среде азота порошковой проволокой. Проведен регулируемый термический цикл для получения равномерного состояния и предотвращенияформирования холодных трещин. Выявлено, что наплавленный слой имеет структуру ячеисто-дендритного типа. Зерна обогащены атомами железа, а границы разделены тонкими прослойками второй фазы, обогащенными атомами хрома, алюминия, вольфрама и ванадия. Внутри центральной части зерен обнаружены включения игольчатого типа длиной 150-730 нм. Четырехкратный высокотемпературный отпуск при 580 °С в течении 1 часа обеспечивает: растворение наноразмерных включений в объеме зерен; способствует более равномерному распределению легирующих элементов; формирует структуру пластинчатого (игольчатого) типа, характерную по морфологическому признаку для игольчатого мартенсита. Выдвинуто и обосновано предположение, что зерна наплавленного слоя сформированы твердым раствором γ-железа (аустенита). Выявлено незначительное снижение микротвердости, износостойкости и коэффициента трения наплавочного слоя после высокотемпературного отпуска. Такое поведение наплавочного материала при высокотемпературном отпуске может быть обусловлено релаксацией термических напряжений, сформированных в слое при наплавке.

Зюзин Д.И., Гурьев А.М., Черных Е.В., Гурьев М.А., Иванов С.Г., Зенин М.Н., Земляков С.А.

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.

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.

Спицын А.Е., Зюзин Д.И., Гурьев А.М., Черных Е.В., Гурьев М.А., Иванов С.Г., Зенин М.Н., Земляков С.А.

Присутствие остаточного аустенита после закалки конструкционной подшипниковой стали ШХ15 часто приводит к более низкой твердости и ударной вязкости, что нежелательно при изготовлении деталей прецизионного назначения. В настоящей работе установлена взаимосвязь структурных изменений вызванных разными режимами термической обработкой с механическими свойствами стали ШХ15, в том числе с применением обработки при отрицательных температурах как продолжение закалки. Исследовалось влияние отпуска при температурах 170 °C и 260 °C, сопряженного с обработкой холодом при -60 °Cи криогенной обработкой в жидком азоте при -196 °C, на механические свойства закаленной стали ШХ15. Повышение температуры отпуска стали до 260 °С приводит к снижению всех показателей механических и эксплуатационных свойств (σв, КС и HRC). Обработка холодом и криогенная обработка способствуют увеличению доли мартенсита, сопровождающееся снижением остаточного аустенита, что вызывает повышение твердости. Наиболее оптимальной совокупностью механических, а следовательно, и эксплуатационных свойств будет обладать сталь ШХ15, подвергнутая закалке с температуры 845 °С, обработке холодом при -60 °С и последующему отпуску при 170 °С.

Панченко И.А., Коновалов С.В., Шлярова Ю.А., Громов В.Е., Ефимов М.О., Иванов Ю.Ф.

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. %).

Гурьев А.М., Черных Е.В., Зенин М.Н., Аугсткалн А.И., Романенко В.В., Иванов С.Г., Гурьев М.А.

В работе представлены результаты микроструктурного анализа высокопрочного чугуна ВЧ 50. Степень глобулярности включений графита определяли через фактор формы F2, который в свою очередь определяется как отношение диаметров вписанной в частицу окружности к диаметру окружности, описанной вокруг частицы: чем ближе данное отношение к 1, тем выше степень глобулярности. Из данных о факторе формы F2 включений графита следует, что только 32,7 об. % графитных включений имеют близкую к глобулярной форму. Это свидетельствует о нарушении технологии модификации чугуна и получении в образце недомодифицированного графита. Проведенные исследования также показали, что представленный на исследование образец чугуна не проходил термической обработки, либо, в случае проведения термической обработки, она проводилась с неправильными параметрами: вероятнее всего температура термической обработки была меньше рекомендованной температуры (700 °С). Нарушение технологии модификации и дальнейшей термической обработки отливки приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик чугуна. Проведение повторной термической обработки по правильному режиму позволило улучшить микроструктуру и нивелировать эти недостатки. После повторной термической обработки в виде отжига при температуре 700 °С в течение 4 часов с последующим охлаждением до 400 °С вместе с печью, далее – на воздухе, позволило увеличить долю сфероидизированных частиц графита с 32,7 до 65 об. %. Отжиг проводили с целью повышения прочностных свойств материала, а также пластичности и ударной вязкости.