СТРУКТУРНЫЕ ФАКТОРЫ УПРОЧНЕНИЯ УГЛЕРОДИСТОЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ У8А ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ ТЕПЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

В работе представлены результаты изучения структурных факторов упрочнения углеродистой инструментальной стали У8А при циклическом тепловом воздействии. Изучено влияние высокотемпературной термоциклической обработки с неполными фазовыми превращениями на её структуру и физико-механические свойства. Проведены металлографические исследования с применением методов цветного травления, сравнительный фазовый анализ образцов из стали У8А после традиционной закалки и ТЦО с последующим двухчасовым отпуском при температуре 200 °С. Сравнивали строение и состав образцов, имеющих одинаковые значения твердости – 60НRCэ, но различные значения ударной вязкости КС. Анализ микроструктуры, определение морфологии составляющих, осуществляли при помощи программного комплекса «Thixomet PRO» и металлографического микроскопа «Carl Zeiss Axio Observer Z1m». Установлено, что в результате ТЦО происходят следующие основные изменения: изменяется структура стали (происходит перераспределение структурных составляющих, значительно снижается содержание остаточного аустенита (более чем в 3 раза), снижается общее количество карбидов (в 1,5 раза), происходит их измельчение, сфероидизация и перераспределение в объёме); снижается уровень внутренних напряжений; основным местом зарождения трещин являются большие частицы карбидов, основным путем распространения трещин – межфазные границы “α-фаза-карбид” и внутрифазные границы в α-фазе. Измельчение, сфероидизация и перераспределение карбидов затрудняет зарождение микротрещин и их распространение. В результате всех этих структурных изменений, происходящих под воздействием ТЦО, значительно повышается ударная вязкость и сохраняется высокая твердость стали. Окончательная ТЦО стали У8А по оптимальным режимам приводит к повышению ее ударной вязкости до 7-8 раз при сохранении высокой твердости. При небольшом увеличении длительности процесса ТЦО технология термообработки по сравнению с традиционной (закалкой и отпуском) обеспечивает повышение эксплуатационной стойкости инструмента в 1,5-2 раза и более.

ДИНАМИКА СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ ТЕРМОУПРУГИХ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ В НИКЕЛИДЕ ТИТАНА

Проанализирован частотный спектр акустической эмиссии при термоупругих мартенситных превращениях в никелиде титана. Дискретный характер спектра сигналов акустической эмиссии свидетельствует о резонансных свойствах кристаллической среды, в которой распространяются пакеты акустических волн, а резонансные свойства определяются совокупностью естественных резонаторов системы образец-волновод-датчик. То есть низкочастотный спектр акустической эмиссии является вторичным эффектом, результатом преобразования первичных сигналов акустической эмиссии на естественных резонаторах. Установлено, что в окрестности температуры начала превращения B2→B19′ наблюдается резкое смещение частот спектральных линий в низкочастотную область спектра, продолжающееся до температуры окончания превращения. Такое поведение спектра акустической эмиссии, очевидно, связано с эффектом «смягчения» упругих модулей при приближении температуры к температурному интервалу термоупругих мартенситных превращений. Следствием снижения величины упругих модулей является снижение скоростей распространения акустических волн в сплавах и снижение резонансных частот естественных резонаторов. Набор спектральных линий свидетельствует о преобразование первичных сигналов акустической эмиссии на естественных резонаторах.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОМПЛЕКСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ НА БАЗЕ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКИ В СРЕДЕ АЗОТА

Разработаны физические основы повышения эксплуатационных свойств теплостойких сплавов, сформированных плазменной наплавкой в среде азота, основанные на применении комплекса упрочняющих технологий: плазменная наплавка в защитно-легирующей среде азота; высокотемпературный отпуск; ультразвуковая упрочняющая обработка или азотирование. Установлено, что физическая основа упрочнения теплостойкого наплавленного металла при использовании комплексных технологий обусловлена применением новых способов многослойной плазменной наплавки в среде азота и новых наплавочных материалов, обеспечивающих получение наплавленного металла в состоянии, близком к закаленному состоянию с твердостью поверхности 55–57 HRC и низкой склонностью к образованию холодных трещин. Основой способов является регулируемый термический цикл с низкотемпературным подогревом до температуры 230–250 °С и использование эффекта кинетической пластичности. Дополнительный вклад в упрочнение наплавленного сплава вносит высокотемпературный отпуск при температуре 560–580 °С и ультразвуковая обработка на оптимальная режимах (нормальное усилие на инструмент Рн = 10 Н, амплитуда колебаний А = 20 мкм, скорость обработки V = 20 м/мин), что обеспечивает увеличение твердости до 65–66 HRC. Выявлены физические основы формирования структуры и свойств теплостойкого металла плазменной наплавкой в среде азота. Установлено, что в наплавленном металле основными фазами являются твердый раствор α-Fe, карбиды и карбонитриды на основе железа, вольфрама, хрома, молибдена, алюминия (Fe6W6NC и AlN). Промышленные испытания показали, что изготовленные с применением комплексных технологий упрочнения на базе плазменной наплавки активного слоя теплостойкими сталями высокой твердости наплавленные детали обладают повышенной (в 1,5–2,0 раза) стойкостью по сравнению со стойкостью серийных изделий.

К ВОПРОСУ О ПРОТОННОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ГРАФЕНА И БОРОФЕНА В РАЗЛИЧНЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕДАХ

В данной работе представлены результаты компьютерного моделирования состояния иона водорода H+ в гипотетических водных растворах с разной диэлектрической проницаемостью и симуляции прохождения свободного и гидратированного протона через мономерный нанослой графена и графеноподобного борофена. Расчеты проводили с использованием теории функционала плотности при помощи функционала обобщенного градиентного приближения BP86 и базисов группы Карлсруэ def2-SVPD и def2-TZVP. В качестве способа описания растворителя применяли континуальную модель CPCM с диапазоном значений диэлектрической проницаемости ε = 1 … 80,4. Моделирование осуществляли на базе программного пакета Orca 5.0.1. В первой части статьи описывается состояние межмолекулярных взаимодействий комплексов ионов H+ c молекулами воды. Установлено, что из всех рассмотренных структур (H3O+, H5O2+, H7O3+ и H9O4+) в водном растворе наиболее стабильной структурой является ион гидроксония H3O+. Данный экспериментальный факт не зависит от диэлектрических свойств среды. Во второй части статьи описывается прохождение ионов H+ через мономерный нанослой графена и графеноподобного борофена. Показан механизм проницаемости протона от первой молекулы воды на одной стороне ко второй молекуле воды на противоположной стороне нанослоя. Потенциальный барьер прохождения иона водорода через нанослой графена оказался равен 1,63 эВ, а через нанослой борофена высота барьера составила 0,22 эВ. Показано, что во всех вышеуказанных случаев диэлектрическая проницаемость среды не оказывает существенного влияния на значение высоты барьера.

МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОРИЕНТАЦИИ МЕЖФАЗНОЙ ГРАНИЦЫ НА СКОРОСТЬ ВЗАИМНОЙ ДИФФУЗИИ ПРИ ТВЕРДО-ЖИДКОФАЗНОМ КОНТАКТЕ Ti И Al

Методом молекулярной динамики проведено исследование влияния ориентации межфазной границы относительно кристаллической решетки Ti на скорость взаимной диффузии при твердо-жидкофазном контакте Ti и Al. Рассматривалось три ориентации относительно ГПУ решетки Ti: (0001), (10-10) и (10-11). Было замечено, что на начальном этапе моделирования взаимной диффузии, после плавления алюминия, часть его вблизи межфазной границы оставалась в кристаллическом состоянии, повторяя решетку титана, то есть граница между кристаллом и жидким металлом, в действительности, сдвигалась на две-три атомные плоскости вглубь алюминия. Это объясняется тем, что связь Ti–Alзначительно крепче связи Al–Al, в связи с чем, в частности, температуры плавления интерметаллидов системы Ti–Alпревышают температуру плавления алюминия. Наблюдалось значительное преобладание диффузии атомов Ti в жидкий Al по сравнению с диффузией атомов Al в кристаллический Ti, что объясняется, в первую очередь, отличием агрегатных состояний Tiи Al. Для трех рассматриваемых ориентаций были получены концентрационные кривые после моделирования взаимной диффузии при различных температурах. Более пологие части кривых, отвечающие за диффузию атомов Ti вглубь жидкого Al, оказались схожими. Однако части, относящиеся к диффузии атомов Al в кристаллический Ti, имели отличия: интенсивнее диффузия атомов Al в Tiпротекала при ориентации (0001) и медленнее при сравнительно более «рыхлых» ориентациях(10-10) и (10-11). Данное отличие было связано с глубиной потенциальных ям, в которых находятся атомы на границе раздела жидкость-кристалл.

МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИМЕСЕЙ УГЛЕРОДА И КИСЛОРОДА НА СКОРОСТЬ МИГРАЦИИ ГРАНИЦ НАКЛОНА В НИКЕЛЕ И СЕРЕБРЕ

Методом молекулярной динамики проведено исследование влияния примесных атомов углерода и кислорода на скорость миграции границ наклона с осью разориентации <110> в ГЦК металлах никеле и серебре. Получены зависимости энергии рассматриваемых границ и скорости их миграции при температуре 0,95∙Tпл от угла разориентации. Показано, что скорость миграции границ наклона <110> при тех же условиях ниже на порядок скорости миграции границ <111> и <100>, что, в первую очередь, обусловлено сравнительно низкой энергией границ <110>. Миграция границ сопровождалась формированием областей одинаковой формы в том зерне, в сторону которого перемещалась граница, повернутых на угол разориентации. Миграция малоугловых границ, как правило, происходила посредством кооперативных сдвигов в результате согласованного скольжения зернограничных дислокаций. Переползание дислокаций, вызванное диффузией, практически не вносило вклад в механизм миграции границ. Введение примесных атомов углерода и кислорода приводило к значительному снижению скорости миграции границ зерен. Для примесных атомов углерода и кислорода рассчитаны энергии связи с зернограничными дислокациями в рассматриваемых металлах. Полученные значения хорошо коррелируют с зависимостями скорости миграции границ <110> от концентрации примесей. Влияние примесей на миграцию границ в Ag оказалось меньше, чем в Ni, что в данном случае объясняется отличием их параметров решетки (4,086 Å и 3,524 Å соответственно), при том, что их электроотрицательности почти одинаковые. Наибольшие эффект примесей на скорость миграции границ и значение энергии связи были получены для системы Ni-C, наименьшие – для Ag-O.

ЖИДКОФАЗНЫЙ СИНТЕЗ МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ ГИБРИДНОГО СОСТАВА

Разработки в направлении получения литых металломатричных композитов с использованием двух или более различных типов армирующих компонентов способствовали переходу к созданию нового класса композиционных материалов, называемых композитами гибридного состава. По сравнению с моноармированными материалами, гибридное армирование обеспечивает возможность повышения эффективности армирующего действия компонентов за счет их совместного влияния, что позволяет снизить предельные концентрации армирующих частиц при сохранении необходимого уровня достигнутых свойств композитов. Реализовать подобный подход при получении литых металломатричных композитов можно путем комбинирования традиционных литейно-металлургических методов и процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза эндогенных соединений в условиях жидкофазного совмещения реакционно-активных порошковых прекурсоров и экзогенных компонентов с матричными расплавами. В настоящей работе опробованы технологические решения по получению металломатричных композитов гибридного состава, основанные на комбинации эндогенного и экзогенного армирования частицами различной физико-химической природы методом жидкофазного реакционного синтеза. Приведены сравнительные данные о качественном и количественном фазовом составе моноармированных и гибридных металломатричных композитов и кристаллогеометрические параметры идентифицированных фаз. Полученные данные о фазовом составе композитов Al – 10% Al3Ti – 5% B4C свидетельствуют о полном протекании процессов формирования целевых интерметаллидных фаз и о сохранении вводимых экзогенных частиц. В образцах гибридных композитов не обнаружены какие-либо метастабильные или промежуточные соединения, образование которых свидетельствовало бы о частичной деградации карбида бора или о неполном взаимодействии порошкового титана с алюминиевым расплавом. Предложенный подход позволяет существенно расширить потенциальные возможности для целенаправленного управления структурой литых металломатричных композитов с точки зрения формирования заданных физико-механических и эксплуатационных свойств изделий.

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА АМИНА НА СПОСОБНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОИЗВОДНЫХ ГЕКСААЗОИЗОВЮРЦИТАНА

В данной работе представлены результаты компьютерного моделирования реакций конденсации и циклизации аминов различного состава с глиоксалем в водно-ацетонитрильной среде. При этом в результате должны получаться производные с каркасом гексаазоизовюрцитана. Данные соединения являются исходными в производстве перспективных взрывчатых веществ. Экспериментально установлено, что не все радикалы способны образовать стабильную каркасную структуру. Поэтому актуальным становится поиск таких аминов, которые способны образовать устойчивый каркас с минимальными энергетическими затратами. На уровне теории функционала плотности с использованием функционала BP86 и базисного набора def2-SVP был смоделирован предположительный механизм реакций X-NH2c глиоксалем, где X – это радикалы водорода, метила, аллила, трет-бутила, фурфурила и бензила. Установлено, что наиболее вероятно образование целевого продукта при использовании аллиламина и фурфуриламина. Метиламин и трет-бутиламин преимущественно образуют линейные структуры, поэтому они не подходят. Бензиламин и аммиак занимают промежуточное место. Они в определенных условиях, способны к образованию как линейных, так и циклических структур.

АНАЛИЗ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ДИАГРАММ ОДНООСНОГО ЦИКЛИЧЕСКОГО РАСТЯЖЕНИЯ ПРОВОЛОК И МЕТАЛЛАТРИКОТАЖА ИЗ TiNi СПЛАВА

В работе рассмотрено деформационное поведение тонких TiNi проволок диаметрами 40-90 мкм при одноосном растяжении. Деформационные зависимости напряжение-деформация, полученные в результате эксперимента, полностью соответствуют типовым диаграммам растяжения нитинола и подтверждают наличие мартенситного перехода, вызванного напряжением. Испытания на циклическое растяжение показали, что деформация проволоки характеризуется сверхэластичным поведением. Были получены деформационные диаграммы для металлотрикотажа из проволоки толщиной 60 мкм, и проведен сравнительный анализ с деформационным поведением проволоки. Результаты показали, что при одноосном растяжении металлотрикотажа на деформационных зависимостях отсутствует участок текучести, вызванный мартенситным переходом. Несмотря на сверхэластичное поведение проволок, сам металлотрикотаж, изготовленный из сверхэластисных проволок, ведет себя гиперупруго. Обнаружена закономерность, согласно которой предел прочности металлотрикотажа значительно ниже предела прочности проволоки.

СОЛИТОНОПОДОБНЫЕ ВОЛНЫ ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗМУЩЕНИИ В ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКОМ СОЕДИНЕНИИ СОСТАВА А3В

В данной работе посредством метода молекулярной динамики анализируется поведение приповерхностных слоев в интерметаллиде стехиометрического состава А3В (на примере Pt3Al) при гармоническом внешнем воздействии. Особое внимание уделяется изучению воздействия высокой амплитуды, которые приводят к достаточно быстрому разрушению кристаллической структуры при экстремальных воздействиях. Для описания межатомного взаимодействия используется потенциал, полученный методом погруженного атома. Выявлен механизм, при котором происходит разрушение слоев вблизи поверхности кристалла и показана роль в этом процессе нелинейных локализованных мод. В работе показано, что при продолжительном воздействии флуктуации происходят не только для атомов Al, но и для атомов Pt. Это определяет быстроту разрушения кристаллической решетки вблизи зоны воздействия. Рассмотрена возможность образования уединенных волн в широком диапазоне частот и амплитуд гармонических воздействий. Зависимости, приведенные в работе, позволяют сделать вывод о том, что высокоамплитудные возбуждения могут вносить существенный вклад в процесс накопления энергии вблизи поверхности кристалла. В то же время дальнейшая передача энергии в объемную часть кристалла может осуществляться с помощью нелинейных упругих волн солитонного типа без разрушения материала.