Frontier Materials & Technologies

В последние годы расширяется ассортимент кремнийсодержащих сталей, подвергаемых горячему цинкованию. Легирование стали 0,5–1 % кремния приводит к образованию цинкового покрытия большой толщины с матовой или разнотонной поверхностью. Это связано с изменением фазовых реакций между железом и цинком в системе Fe–Zn–Si. Актуальной задачей является разработка способов нейтрализации негативного влияния кремния на формирование цинкового покрытия. Цель работы – изучение влияния предварительной плазменной резки и плазменной поверхностной закалки стали 09Г2С (S355J2) на толщину и структуру цинкового покрытия, образующегося на обработанных поверхностях. Установлено, что после плазменной резки структура приповерхностного слоя стали представляет собой мартенсит, а после плазменной поверхностной закалки – мартенсит и феррит. Анализ изменения микротвердости от поверхности стали к середине показал, что глубина закаленного слоя составляет 400 мкм. На поверхности стали без предварительной обработки формируется цинковое покрытие, состоящее из δ-фазы и ζ-фазы. На поверхности стали после плазменной обработки формируется цинковое покрытие, характерное для малокремнистых сталей и состоящее из δ-фазы, ζ-фазы и η-фазы. Установлено, что толщина цинкового покрытия на поверхности после плазменной резки в два раза меньше, чем на необработанной поверхности, причем сокращение толщины покрытия происходит за счет уменьшения толщины ζ-фазы. Выдвинута гипотеза, что образование на поверхности стали мартенсита приводит к исчезновению упорядоченной фазы FeSi и изменяет фазовое равновесие в системе Fe–Zn–Si. Следовательно, предварительная плазменная обработка поверхности стали позволяет управлять структурой и толщиной образующегося цинкового покрытия и поэтому рекомендуется для внедрения в процесс горячего цинкования кремнийсодержащих сталей.

Одним из важных параметров, влияющих на формирование сварного шва при сварке трением с перемешиванием, является геометрия инструмента, которая влияет на процессы тепловыделения и перемешивания металлов в зоне соединения. От протекания этих процессов зависит получение качественного и прочного сварного соединения без дефектов сплошности. В связи с этим представляется актуальным анализ влияния геометрии инструмента на параметры режима сварки, при которых сварное соединение формируется без дефектов сплошности, а также на прочность сварного соединения при статическом растяжении. В работе рассмотрено влияние цилиндрической и конической форм пина инструмента, а также конической формы пина с резьбой на наружной поверхности и спиральной канавкой на торцевой поверхности заплечика инструмента на параметры режима сварки, при которых сварное соединение формируется без дефектов сплошности. Показано, что изменение формы рабочей поверхности пина с цилиндрической на коническую не оказало влияния на диапазон параметров режима сварки, при которых сварное соединение формируется без дефектов сплошности. Установлено, что наличие резьбы на наружной поверхности пина и канавки на торцевой поверхности заплечика позволяет получать сварные соединения без дефектов сплошности в более широком диапазоне параметров режима сварки по сравнению с более простой геометрией инструмента. Рассмотрена макроструктура сварных соединений, полученных при использовании различных геометрических форм инструмента. Установлено, что рассмотренная геометрия инструмента практически не влияет на максимальные значения прочности сварных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием, и достигает 95 % от прочности основного металла.

Никелевые покрытия, состоящие из ориентированных структур, обладают уникальными каталитическими свойствами. Однако температурный интервал применения таких покрытий не определен, и требуется всестороннее изучение их термических свойств в агрессивных средах. В работе изучалось влияние особенностей габитуса кристаллов никеля на их реакционную способность с повышением температуры (термореакционную способность). Исследовались никелевые покрытия, полученные методом электроосаждения с добавлением в электролит ингибирующих добавок в виде хлоридов щелочных металлов. Для исследования реакционной способности покрытий в температурных полях применялся дифференциальный термический анализ. В качестве агрессивной среды использовался кислород. Фазовый состав образцов после нагрева определялся при помощи порошкового рентгеновского дифрактометра. Введенные добавки в виде хлоридов щелочных металлов позволили сформировать покрытия, состоящие из кристаллов конусообразного габитуса. Обнаружено, что введение в электролит добавок в виде солей щелочных металлов позволяет изменить габитус кристаллов никеля и увеличить площадь поверхности покрытия примерно на 10–15 %. Показано, что электроосажденные никелевые покрытия, состоящие из кристаллов в виде микро- и наноконусов, обладают (по сравнению с контрольным покрытием) пониженной термореакционной способностью. Экспериментальные данные позволили сделать вывод, что уменьшение интенсивности окисления на исследуемых покрытиях может быть связано с наличием преимущественного развития определенных кристаллографических граней у кристаллов, что обуславливает изменение характера взаимодействия никеля с кислородом и, как следствие, изменение интенсивности окисления. 

Исследование акустических свойств мартенситно-стареющих сталей, эксплуатируемых в условиях различных энергетических силовых и температурных воздействий, является актуальной задачей, так как именно метод акустической структуроскопии обеспечивает наиболее достоверную связь со структурой, напряженно-деформированным состоянием и механическими свойствами сталей. Работа посвящена исследованию акустических свойств образцов мартенситно-стареющей стали XM-12 при различных термических обработках в условиях механических растягивающих и циклических нагрузок. Исследованы образцы мартенситно-стареющей стали XM-12 в трех структурных состояниях: после отжига на твердый раствор и последующего старения при 470 и 565 °С; при испытаниях на растяжение; в процессе циклической нагрузки растяжения-сжатия. В исследованиях использована уникальная научная установка «Информационно-измерительный комплекс для исследований акустических свойств материалов и изделий». Она реализует акустический зеркально-теневой метод на многократных отражениях с применением электромагнитно-акустического и пьезоэлектрического преобразователей на основе поливинилиденфторидной пленки для возбуждения и приема волн и позволяет определить скорости распространения волн с погрешностью не более 2 м/с. Исследованы акустические (скорость волн, упругие модули, коэффициенты электромагнитно-акустического (ЭМА) преобразования, коэффициенты акустической анизотропии, коэффициенты акустоупругой связи) и электромагнитные (коэрцитивная сила и электропроводность) характеристики образцов: в исходном состоянии (до нагружения); пошагово в процессе растягивающих нагрузок и последующего разгружения; после испытаний на растяжение; в процессе циклической нагрузки растяжения-сжатия. Выявлено, что наибольшей структурной чувствительностью к механической растягивающей нагрузке и циклическому нагружению являются следующие акустические параметры образцов стали XM-12: скорость поперечной волны, коэффициент Пуассона, коэффициент двойного ЭМА-преобразования и коэффициент акустической анизотропии.

Сварка трением с перемешиванием в авиастроении и машиностроении является передовым способом соединения различных металлов и сплавов, плохо свариваемых или несвариваемых обычными способами. Активно используемый в авиастроении высокопрочный алюминиевый сплав Д16 плохо поддается сварке плавлением, что связано с образованием дендритной структуры в зоне сплавления, приводящей к снижению механической прочности соединения. В работе исследована микроструктура и микротвердость сварного шва алюминиевого сплава Д16, полученного методом сварки трением с перемешиванием. Методами сканирующей электронной микроскопии и оптической металлографии выявлено наличие трех зон: ядра шва, зоны термомеханического воздействия и зоны термического воздействия. В центральной части сварного соединения (в ядре) обнаружена слоистая структура «луковичных колец». Обнаружено изменение химического состава твердого раствора алюминия в различных областях зон сварного шва, а также присутствие концентрационного градиента внутри каждой зоны. В верхней части сварного шва наблюдается обогащение твердого раствора кремнием и обеднение медью. Благодаря обеднению твердого раствора легирующими элементами содержание алюминия в зоне сварного соединения в твердом растворе выше по сравнению с исходным состоянием. Значения микротвердости в различных областях сварного соединения коррелируют с изменением химического состава. В зоне сварного соединения обнаружено значительное снижение микротвердости по сравнению с исходным состоянием, а также наблюдается изменение микротвердости, связанное с градиентом химического состава внутри каждой зоны.