№ 2 (2022)

Полимерные композиционные материалы (ПКМ), армированные стеклянными волокнами, востребованы во многих отраслях промышленности благодаря комплексу уникальных свойств (высокой удельной прочности и хемостойкости) при экономической эффективности применения. Вместе с тем использование стеклотканей в роли армирующих элементов обеспечивает высокую технологичность производства. Однако, в отличие от кристаллических материалов, ПКМ подвержены сложному процессу разрушения, требующего применения неразрушающих методов контроля для получения информации о природе образующихся повреждений и кинетики их накопления. Работа посвящена исследованию повреждений, развивающихся в образцах стеклопластика, формованного с использованием стеклоткани Т-11-ГВС-9 и связующего DION 9300 FR, в условиях статической деформации изгибом в сопровождении метода акустической эмиссии (АЭ). В работе решалась задача идентификации природы повреждений в стеклопластике по спектрам Фурье регистрируемых сигналов АЭ. Для оценки кинетики образования и развития повреждений использовался метод кластеризации. Кластеризация выполнялась на основе алгоритма самоорганизующейся карты Кохонена (SOM) с использованием значений пиковых частот спектров Фурье, рассчитанных для зарегистрированных сигналов АЭ при статической деформации изгибом образца стеклопластика до разрушения. Для обеспечения разделимости образующихся повреждений по параметрам АЭ использовалась скорость нагружения в 10 раз ниже определяемой по государственному стандарту. Установлено, что использование частотного представления сигналов АЭ, регистрируемых при разрушении стеклопластика, эффективно при решении задачи идентификации природы образующихся повреждений. Установлено, что процесс образования расслоений при изгибе многослойных слоистых пластиков выступает критическим механизмом разрушения, приводящим к существенной потере прочностных свойств полимерного композита.

Магнитные сплавы с памятью формы являются особым подвидом материалов с эффектом памяти формы. Высокий исследовательский интерес к ним обусловлен явлением магнитодеформации. Так, в одном из наиболее перспективных сплавов на основе Ni–Mn–Ga при помощи магнитного поля возможно добиться изменения размера монокристалла до 10 % за счет переориентации магнитного поля в магнитных доменах. Высокая магнитная деформация напрямую связана с высокой подвижностью двойниковых границ, разделяющих два домена. В настоящей работе методом составного пьезоэлектрического осциллятора на частоте 100 кГц определено влияние дефектов, таких как дислокации и двойниковые границы, на механические характеристики Ni₄₉Mn₃₀Ga₂₁. Исследованы особенности температурных зависимостей внутреннего трения в образцах до и после деформации, построены амплитудные зависимости данных характеристик. В изучаемой мартенситной фазе монокристалла обнаружен фазовый переход из тетрагональной фазы в орторомбическую при 235 К. В тетрагональной фазе Ni–Mn–Ga образование новых дефектов способствует более ярко выраженному и раннему началу амплитудно-зависимого внутреннего трения. При более низких нагрузках проходят последовательные стадии, связанные с процессами движения дислокаций и двойниковых границ внутри облаков Коттрелла, движения дислокаций и двойниковых границ вне облаков Коттрелла и, предположительно, торможения движения границ двойников и дислокаций за счет их взаимодействия. Наряду с внутренним трением исследовано изменение модуля Юнга. Его уменьшение при всех температурах наиболее выражено в образцах с дефектными структурами. Установлено, что в орторомбической фазе зависимость внутреннего трения от амплитуды деформации наблюдается при меньшей нагрузке благодаря увеличению подвижности двойниковых границ с ростом температуры.

Несмотря на все большую автоматизацию процесса проектирования и производства металлических изделий, выход последних из строя остается достаточно распространенным явлением. Для выяснения причин подобных инцидентов назначают металлографическую экспертизу, проводить которую на должном уровне могут только специализированные аккредитованные организации. Металлографическая экспертиза – это инструмент, выполняющий роль обратной связи между качеством изделий на выходе и всей цепочкой многочисленных операций на пути их создания. Цель настоящей работы состоит в демонстрации на практическом примере возможности и особой значимости выводов металлографической экспертизы для отработки технологии изготовления изделий. На поверхность оси колесной пары локомотива для повышения ее износостойкости методом высокоскоростного плазменного напыления было нанесено покрытие NiCrBSi. Во время проведения ресурсных стендовых испытаний оси в ней была обнаружена магистральная усталостная трещина, испытания остановлены, а ось искусственно доломана. Проведенный анализ качества металла (химического состава, механических свойств (прочностных, пластических, ударной вязкости), микроструктуры, чистоты металла по неметаллическим включениям и параметров поверхностного слоя, упрочненного накатыванием роликом) показал его полное соответствие нормативной документации. Параметры покрытия NiCrBSi по толщине и твердости также соответствовали заявленным в технологии значениям. Согласно фрактографическому анализу излома зарождение усталостного разрушения происходило по многоочаговому механизму, что является характерным признаком наличия общей объективной причины недостаточной прочности изделия, не связанной с каким-либо случайным фактором. В результате проведенной металлографической экспертизы установлено, что основной причиной разрушения оси колесной пары является недостаточная усталостная прочность покрытия. Зародившиеся в нем многочисленные усталостные микротрещины проросли в основной металл и привели к образованию усталостных макротрещин на разных уровнях, слияние которых привело к формированию обширной многоочаговой поверхности усталостного разрушения.

Обеспечение допусков расположения и их сохранение в послеоперационный период является одной из основных и труднодостижимых технологических задач при изготовлении длинномерных маложестких деталей типа вал. Одним из технологических методов, направленных на обеспечение данной группы геометрических показателей, включая прямолинейность оси, является комбинированная обработка – правка растяжением или термосиловая обработка. Повышение эффективности данной технологии невозможно без знания особенностей формирования распределения пластических деформаций по длине длинномерных заготовок. В статье рассмотрено применение оптического способа контроля деформации по поверхности с использованием метода корреляции цифровых изображений при осевом деформировании цилиндрических образцов. Приведено описание экспериментальной установки для оптического контроля деформаций при нагружении образца с использованием цифровых камер. Исследовано влияние различных режимов нанесения краски на образец (скорость нанесения, расстояние, характер нанесения – непрерывный или импульсный) на особенности полученного спекла в виде случайного распределения пятен краски различного размера по поверхности образца. Получены гистограммы распределения яркости различных спеклов. Проведены эксперименты по определению деформаций на основе метода локального градиентного способа корреляции цифровых изображений для образцов из полимерных трубок с различным характером спекла. Определены распределения деформаций по длине для образцов по выбранной для анализа деформируемой области с заданной степенью сглаживания, обеспечиваемой выбором размера окна корреляции и выбором шага его смещения для фиксации деформационных процессов с определенной погрешностью. Получены распределения осевых деформаций по длине образцов и ошибки определения деформаций в зависимости от вида спекла. Определены необходимые параметры спекла, обеспечивающие минимальную погрешность для длинномерных образцов до 200 мм длиной, и соответствующая технология нанесения краски. Это спекл с широким диапазоном размеров пятен, разреженным их расположением и сглаживанием изображения фильтром Гаусса перед началом анализа.

Одной из ключевых задач в аддитивном производстве изделий из пластика по технологии послойного наплавления материала (Fused Filament Fabrication, FFF) является обеспечение их прочности. Малая прочность самих полимерных материалов и ярко выраженная анизотропия их механических свойств ограничивают применение объемной печати как альтернативы традиционным технологиям мелкосерийного производства. Самым перспективным решением задачи повышения прочности печатных изделий остается применение армирования непрерывным волокном. Известен ряд установок для аддитивного производства и программных продуктов, позволяющих подготовить управляющую программу для объемной печати с армированием, однако при всех достоинствах им, так же как и обычным печатным изделиям, присущ большой разброс прочности в различных направлениях (в плоскости слоя и перпендикулярно ему, в направлении выращивания). Сгладить анизотропию свойств изделий в технологии FFF и обеспечить им более широкие возможности применения в производстве конечных изделий в настоящей работе предлагается за счет армирования непрерывным волокном по пространственным траекториям. В ходе работы 3D-принтер с возможностью печати с применением пяти степеней свободы и программное обеспечение по подготовке управляющих программ модернизированы под процесс печати с укладкой непрерывного волокна, выработаны режимы печати с армированием, изготовлены образцы для стандартных испытаний на статический изгиб. Установлено, что армирование повышает прочность печатного образца, при этом предложенный способ объемного армирования обеспечивает меньшую прочность на изгиб по сравнению со стандартным плоским армированием с однонаправленной укладкой волокон, однако разрушение объемно армированных образцов происходило без ярко выраженного расслоения. 

В работе выполнен сравнительный анализ структуры и механических свойств (микротвердости) поверхностных слоев доэвтектического сплава Al–11Si и заэвтектического сплава Al–20Si, подвергнутых электровзрывному легированию (режим обработки: масса алюминиевой фольги – 58,9 мг; масса порошка Y₂O₃ – 88,3 мг; напряжение разряда – 2,6 кВ). В ходе исследований установлено, что исходная структура сплава Al–11Si преимущественно состоит из зерен твердого раствора Al. Вдоль границ и в стыках границ зерен алюминия располагаются зерна эвтектики. В сплаве Al–11Si размер зерен алюминия варьируется в пределах 25–100 мкм, а размер зерен эвтектики Al–Si изменяется в пределах 10–30 мкм. Cплав Al–20Si заэвтектического состава в исходном состоянии характеризуется наличием включений первичного кремния преимущественно пластинчатой формы. Размеры включений достигают 120 мкм. После электровзрывного легирования в сплаве Al–11Si выявлено формирование многослойной структуры, состоящей из высокопористого покрытия, неоднородного по толщине, слоя жидкофазного легирования и слоя термического влияния. Толщина модифицированного слоя для сплава Al–11Si изменяется в пределах 33–60 мкм, для сплава Al–20Si – в пределах 20–100 мкм. Значение микротвердости исходного доэвтектического сплава Al–11Si составило 64 HV0,05, для заэвтектического сплава Al–20Si – 71 HV0,05. Можно отметить, что микротвердость поверхностного слоя сплава Al–11Si превышает микротвердость исходного материла более чем в 2,5 раза. Для сплава Al–20Si аналогичная разница составляет более чем 2 раза. По мере увеличения расстояния от поверхности модифицирования микротвердость снижается и на глубине ≈90 мкм достигает значения исходного сплава.