Materials. Technologies. Design

Исследование влияния безабразивной ультразвуковой финишной обработки на остаточные напряжения в титановой заготовке методом конечно-элементного компьютерного моделирования

Рашид Наилевич Асфандияров — 2024-08-02

Величина и знак поверхностных остаточных напряжений являются одними из ключевых факторов, влияющих на сопротивление усталости деталей из металлов и сплавов, в особенности, работающих в условиях активных циклических нагрузок. Так, повышению сопротивления усталости способствует создание на поверхности детали сжимающих остаточных напряжений, например, с помощью метода безабразивной ультразвуковой финишной обработки (БУФО). Данная работа посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния (НДС) очага деформации заготовки из титанового сплава марки ВТ6, подвергнутой БУФО. Анализ НДС проведен с помощью конечно-элементного компьютерного моделирования в упругопластической постановке задачи после однократного удара деформирующего индентора с последующей разгрузкой. В ходе исследования рассмотрено влияние амплитуды колебаний индентора и его геометрических характеристик на осевые остаточные напряжения, глубину их залегания, среднее нормальное напряжение и интенсивность деформации. Анализ результатов моделирования показывает, что с увеличением радиуса индентора увеличивается значение интенсивности деформации (e). Характер распределения параметра e – градиентный с уменьшением значений от поверхности к центру заготовки. Показано, что осевые остаточные напряжения в области очага деформации при БУФО преимущественно сжимающие, что способствует увеличению сопротивления усталости готового изделия. Из анализа полученных данных видно, что с увеличением амплитуды колебаний индентора увеличиваются значения сжимающих осевых остаточных напряжений, достигая максимальных значений 1300 МПа при амплитуде 100 мкм и инденторе R1. Глубина залегания этих напряжений при этом достигает 0,5 мм.

Исследование сплава Ni50Mn50 после низкотемпературного длительного старения

Елена Сергеевна Белослудцева — 2024-08-02

Исследование сплавов на основе никелида марганца актуально тем, что в них реализуется термо- и магнитоуправляемый эффект памяти формы [1–4]. Данные сплавы могут иметь несколько технологических применений: магнитные твердотельные хладагенты [4], магнитные актюаторы, датчики и устройства для спинтроники [5–8]. В работе исследовано влияние длительного низкотемпературного старения на структуру, механические свойства и температуры мартенситных превращений бинарного эквиатомного сплава Ni50Mn50. Методами сканирующей электронной микроскопии изучено изменение структуры, характера излома, распределение основных химических элементов, проанализировано влияние структурных изменений на значения микротвердости, методами резистометрии и дифференциальной сканирующей калориметрии определены температуры мартенситных переходов. Установлено, что данный сплав подвержен расслоению в результате длительного низкотемпературного старения (около 20 лет). Показано, что происходит перераспределение основных химических элементов. Появляются «заникеленные» области, в которых нарушается пластинчатая мартенситная и образуется мелкозернистая структура, чья кристаллическая решетка, по-видимому, не меняется и соответствует типу L10. Микротвердость мартенситной матрицы при этом уменьшается на 20–25%, а микротвердость образовавшихся областей сравнима с микротвердостью сплава в исходном состоянии. Фрактографически установлено, что выделения с бόльшим содержанием никеля обладают более вязким характером излома, чем окружающая мартенситная матрица. Судя по всему, расслоение не оказало существенного влияния на температуры переходов.

Формирование сверхпластичной наноструктурной алюминиевой матрицы для металломатричного композита, армированного непрерывными волокнами

Елена Владимировна Бобрук — 2024-08-02

В работе рассмотрена микроструктура сплава 1565ч системы Al-Mg после комбинированной обработки, включающей отжиг при температуре 480 °С, интенсивную пластическую деформацию методом кручением под высоким давлением при комнатной температуре и последующую изотермическую прокатку при температуре 200 °С. Формирование в сплаве 1565ч наноструктурного состояния с регламентированным распределением Al3Mg2, Al6Mn и Al3Zr фаз как в теле, так и по границам алюминиевых зерен позволило реализовать эффект высокоскоростной сверхпластичности при температуре 300 °С при скорости 10–2 с–1, параметр скоростной чувствительности составил m = 0,7. По результатам механических испытаний смоделировано создание металломатричного композита, армированного непрерывными волокнами бора в условиях сверхпластичного прессования при температуре 300 °С с целью определения технологических параметров изготовления металломатричного композита. Результаты моделирования показывают, что эквивалентные напряжения в волокне приобретают максимальное значение при прессовании на 50%, но в этом случае преобладает схема всестороннего сжатия, не приводящая к разрушению волокна. С применением сплава 1565ч в наноструктурном состоянии исследованы особенности получения многослойноного металломатричного композита по схеме «фольга – волокно – фольга» изотермическим прессованием в режиме низкотемпературной сверхпластичности.

Обзор исследований по залечиванию макротрещин в металлах под действием импульсного тока высокой плотности

Владимир Александрович Брызгалов — 2024-08-02

В конструкционных материалах деградация и повреждения приводят к образованию микротрещин, а затем к разрушению. Если трещины залечить на мезо- и микроуровне, надежность и срок службы конструкционных материалов можно значительно увеличить. Поэтому исследование залечивания дефектов в различных материалах вызывает большой интерес исследователей. В частности, в последнее время активизировались исследования по использованию сильного импульсного электромагнитного поля для залечивания трещин и пор в проводящих материалах. В данной статье представлен обзор исследований по залечиванию макротрещин в металлах с помощью воздействия на них сильным импульсным электромагнитным полем, индуцирующим в материале импульсный электрический ток. Описаны методы и материалы, используемые в экспериментах, а также полученные результаты.

Влияние схемы сварки давлением на микроструктуру твердофазных соединений никелевых сплавов ЭК61 и ЭП975 с разным фазовым составом

Эльвина Венеровна Галиева — 2024-08-02

В последние годы в связи с быстрым развитием авиационной промышленности потребность в фундаментальных исследованиях жаропрочных никелевых сплавов, в частности, в области твердофазного соединения (ТФС), стала еще более актуальной. В работе представлены результаты исследований микроструктуры твердофазных соединений из высоколегированных никелевых сплавов ЭК61 (Ni3Nb) и ЭП975 {(Ni3(Al,Ti)} с различным типом упрочняющей фазы после сварки давлением. Сварку давлением в сочетании сплавов ЭК61//ЭП975 проводили в вакууме при температуре 925 ºС, который соответствует интервалу проявления сверхпластичности сплава ЭК61 с ультрамелкозернистой структурой. В работе использовано две схемы сварки давлением: цилиндрические образцы, когда действуют нормальные сжимающие напряжения, и модельные заготовки типа «диск–вал», когда действуют касательные и нормальные сжимающие напряжения относительно плоскости соединения. Установлено, что обе схемы соединения приводят к формированию качественного твердофазного соединения. Показано, что в процессе сварки давлением образуется переходная диффузионная зона между соединяемыми жаропрочными сплавами ЭК61 и ЭП975. Ширина диффузионной зоны после сварки давлением составляет 8–10 мкм. Пористость зоны твердофазного соединения не превышает 15%.

Влияние изменения толщины заготовки на проскальзывание при интенсивной пластической деформации кручением

Дмитрий Валерьевич Гундеров — 2024-08-02

Представлены результаты определения эффекта проскальзывания при интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК) образцов технически чистой Cu с использованием методики «совместного ИПДК половинок». Показано, что при ИПДК Cu при давлении 6 ГПа и комнатной температуре на первом этапе деформации (n = 0,25 оборотов) проскальзывание незначительное. После предварительного ИПДК n = 10 при дальнейшем кручении n = 0,25 проскальзывание Λ достигает 85%. Однако если на первом этапе образец Cu подвергался ИПДК n = 10 на бойках с канавкой глубиной 0,6 мм, а затем полученный диск разрезался на половины, которые подвергались совместному ИПДК с n = 0,25 на бойках с канавкой 0,4 мм, то деформация кручением близка к ожидаемой, проскальзывание незначительно. Таким образом, рост Λ с увеличением n до 10 можно объяснить уменьшением высоты h образца, поскольку с увеличением n происходит вытекание материала образца из-под бойков, фактически из очага деформации, и при n = 10 высота образца становится менее некоторой критической.

Влияние параметров деформационно-термической обработки на механические свойства титанового сплава ВТ20

Лилия Ильгизовна Зайнуллина — 2024-08-02

В данной работе были построены кривые «истинное напряжение–истинная деформация» для титанового сплава ВТ20 при температурах деформации от 750 °C до 980 °C и скоростях 0,001–1 с−1. Данные получены путем проведения горячей осадки с использованием установки Gleeble-3800. При деформировании со скоростью ε̇ = 0,1 с–1 наблюдается процесс динамической рекристаллизации. С повышением температуры до 950 °C число α-фаз, прошедших рекристаллизацию, постепенно растет и достигает наибольшего значения. Во время горячей осадки титанового сплава наблюдается также зависимость устойчивости к деформации от скорости и температуры деформирования. Понижение устойчивости к деформации происходит по мере снижения скорости деформации и повышения температуры. Поэтому сделан вывод о том, что целесообразно проводить высокотемпературную деформацию титанового сплава в диапазоне температур 875–980 °C и скоростей деформации в пределах 0,01–0,10 с–1.

Формирование высокоэнтропийного покрытия TiZrVCrAl на поверхности титанового сплава ВТ6 при различных технологических параметрах

Яна Николаевна Савина — 2024-08-02

В статье представлены результаты аттестации однослойных высокоэнтропийных покрытий системы TiZrVCrAl, осажденных вакуумно-дуговым методом на подложки конструкционного титанового сплава ВТ6 по 4 различным режимам. Используемые режимы осаждения разработаны с учетом оценки влияния тока дугового испарителя, напряжения смещения и давления газа в камере на процесс формирования покрытий, что позволило подобрать химический состав высокоэнтропийных покрытий и установить закономерности формирования их элементного состава. По результатам проведенных исследований были определены наиболее оптимальные режимы осаждения покрытия по критериям микротвердости, адгезионной прочности и химическому составу для дальнейшей разработки архитектуры многослойных высокоэнтропийных покрытий на поверхность титанового сплава ВТ6 с ультрамелкозернистой структурой.

Влияние старения на микроструктуру и свойства УМЗ сплава Cu-0,5Cr, полученного равноканальным угловым прессованием и холодной прокаткой

Елена Александровна Саркеева — 2024-08-02

В статье представлены результаты исследования влияния старения на электропроводность, твердость и микроструктуру сплава Cu-0,5Cr (вес. %). Построены и проанализированы кривые фазового превращения, получены уравнения их кинетики. На основании анализа кинетических кривых установлено, что предварительное равноканальное угловое прессование (РКУП) перед прокаткой приводит к значительному ускорению распада твердого раствора при старении. Показано, что наилучший комплекс свойств достигается в образцах, полученных РКУП с последующей холодной прокаткой (ХП) и старением при 425 °C в течение 40 мин с электропроводностью 76% IACS, твердостью 160 HV.

Разработка программы для выбора потенциала взаимодействия частиц в кристаллической решетке металлов

Мария Николаевна Семёнова — 2024-08-02

Настоящая работа посвящена разработке программного обеспечения для моделирования и выбора потенциала взаимодействия между частицами в кристаллической структуре металлов. Актуальность работы обусловлена важностью адекватного описания межатомного взаимодействия при компьютерном моделировании структуры, свойств и поведения металлических материалов. Существует множество различных моделей потенциалов взаимодействия, выбор которых для конкретной металлической системы представляет собой сложную задачу. Целью данной работы является создание программного комплекса, позволяющего автоматизировать расчет, моделирование и выбор потенциала взаимодействия между частицами в кристаллических решетках металлов. В результате в работе были решены следующие задачи: произведено теоретическое описание основ межатомного взаимодействия в кристаллических структурах металлов; выполнен анализ существующих парных потенциалов взаимодействия частиц и их применимости для моделирования свойств металлических кристаллов; разработан алгоритм и программное обеспечение для вычисления и визуализации потенциалов взаимодействия между частицами в кристаллической решетке металлов. Отметим, что в разработанной программе реализована возможность выбора и настройки параметров различных потенциалов взаимодействия.

Коррозионная стойкость и биосовместимость ультрамелкозернистых сплавов Zn-1%Li-2%Mg и Zn-1% Mg-1%Fe, полученных интенсивной пластической деформацией

Виль Даянович Ситдиков — 2024-08-02

Проведены исследования коррозионной стойкости и биосовместимости ультрамелкозернистых (УМЗ) цинковых сплавов Zn-1%Li-2%Mg и Zn-1%Mg-1%Fe, демонстрирующих уникальные механические свойства в результате обработки методом интенсивной пластической деформации (ИПД). Установлено, что скорость коррозии в УМЗ сплаве Zn-1%Li-2%Mg равна 0,0891 мм/год, а в сплаве УМЗ Zn-1%Mg-1%Fe – 0,061 мм/год. Проведенные сравнительные испытания с их крупнозернистыми (КЗ) аналогами показали, что процессы коррозии наиболее интенсивно протекают на периферии УМЗ образцов, которые характеризуются большей степенью накопленной деформации, сильным измельчением структурных элементов, интенсивными фазовыми переходами и полнотой протекания динамического старения. Повышение скорости коррозии в УМЗ сплаве Zn-1%Li-2%Mg по сравнению с его КЗ аналогом объясняется наличием фазы Mg2Zn11 высокого содержания, возросшей весовой долей фазы Zn, легированной атомами Li и Mg, выпадением в ней частиц Mg2Zn11 и понижением доли ~LiZn3. Рост скорости коррозии в УМЗ сплаве Zn-1%Mg-1%Fe также объясняется повышением легированной фазы Zn и выпадением преципитатов в фазах Zn и Mg2Zn11. Кроме того, в приповерхностных слоях УМЗ образца при выдержке в растворе Рингера обнаружен нехарактерный для КЗ состояния фазовый переход FeZn13 в его FeZn10,98 модификацию (FeZn13 → FeZn10,98). Результаты метаболического теста Alamar Blue продемонстрировали биосовместимость клеток MG-63 в течение 7 суток (более 30%) при инкубировании с 12,5% экстрактами образцов УМЗ сплавов Zn-1%Mg-1%Fe и Zn-1%Li-2%Mg.

Управление током электронного пучка в течение импульса для легирования поверхности нержавеющей стали титаном и алюминием

Дмитрий Алексеевич Шпанов — 2024-08-02

Путем облучения системы «пленка (Ti) / пленка (Al) / (12Х18Н10Т/ AISI 304) подложка» модулированным в течение импульса (до 1 мс) электронным пучком низкой (до 25 кэВ) энергии снижена скорость износа поверхности в ≈ 1300 раз при постоянном высоком (0,6–0,73) коэффициенте сухого трения и слабом изменении микротвердости поверхности. Нанесение пленок Ti и Al толщиной 5 мкм проведено методом электродугового плазменно-ассистированного распыления. Облучение образцов выполнено источником электронов с плазменным катодом. Режимы облучения выбраны по результатам численного моделирования пучка в Comsol Multiphysics для обеспечения наиболее быстрого нагрева образца до требуемых температур и удержания этой температуры в течение заданного времени. Электронно-пучкового легирования стали 12Х18Н10Т титаном и алюминием ранее не исследовалось. Методами рентгено-структурного анализа, сканирующей и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии осуществлены исследования элементного и фазового состава, состояния дефектной субструктуры образцов, облученных электронным пучком в выявленном оптимальном режиме. Выявлены закономерности эволюции дефектной субструктуры, фазового и элементного состава, микротвердости, износостойкости и коэффициента трения системы «пленка (Ti) / пленка (Al) / (12Х18Н10Т) подложка», подвергнутой электронно-пучковой обработке. Указаны возможные области применения данного вида обработки стальных деталей для сельского хозяйства и машиностроения.