№ 3-2 (2022)

Моделирование кристаллических решеток в условиях, далеких от равновесных, в настоящее время является все более актуальным предметом исследований и требует уверенности в достоверности применяемых межатомных потенциалов в широком диапазоне отклонений атома от равновесного состояния. Чтобы выполнить такую оценку для моделирования вольфрама, являющегося перспективным материалом для различных применений в атомной энергетике, мы проанализировали нелинейную динамику решетки, используя несколько межатомных потенциалов. В ОЦК кристалле вольфрама изучалась динамика нескольких делокализованных нелинейных колебательных мод – точных решений уравнений движения атомов, геометрия которых определяется симметрией решетки при любых амплитудах и не зависит от типа взаимодействия между узлами. Были рассмотрены колебания атомов с двумя и тремя ненулевыми компонентами векторов перемещений для ячейки вольфрама, состоящей из 2000 атомов и размером 31,6×31,6×31,6 Å. Амплитудно-частотные характеристики этих мод были рассчитаны для нескольких межатомных потенциалов, имеющихся в библиотеке LAMMPS. Обнаружено, что несколько межатомных потенциалов, а именно eam.fs, set, Olsson, Zhou, показывают практически совпадающие результаты, что является косвенным подтверждением их справедливости и возможности их использования для моделирования экстремальных воздействий на рассматриваемую решетку. Были рассчитаны такие характеристики системы, как кинетическая энергия, теплоемкость и давление. По полученным результатам можно предположить, что мода 15 вследствие модуляционной неустойчивости приведет к локализации энергии на отдельных атомах.

Приведены результаты исследования компонентного состава смеси реакционных газов при синтезе карбонитридных покрытий системы Ti–Al–C–N, оказывающих влияние на износостойкость режущего инструмента. Покрытие было нанесено на модернизированной установке ННВ-6.6-И1 распылением из двух однокомпонентных катодов с ассистированием плазменным источником с накальным катодом. Во время нанесения покрытия в камеру подавали смесь из реакционных газов азота N₂ и ацетилена C₂H₂ в соотношении 1:4, 2:3, 3:2, 4:1. Представлены результаты измерений микротвердости исследуемых образцов, по результатам которых установлено, что наибольшее значение микротвердости (4870 HV0.05) имеет образец с покрытием, осажденным при соотношении реакционных газов N₂:C₂H₂=2:3. Приведены результаты натурных испытаний твердосплавных резцов с исследуемыми покрытиями. По итогам стойкостных испытаний было определено, что резец с покрытием, нанесенным при соотношении газов N₂:C₂H₂=4:1, увеличивает стойкость инструмента в 10 раз по сравнению с режущим инструментом без покрытия. Методом электронной микроскопии был исследован химический состав передней поверхности режущего инструмента после испытаний. Анализ химического состава поверхности после резания показал, что на образце с покрытием, полученным при соотношении реакционных газов азота и ацетилена 4:1, содержание элементов покрытия на поверхности гораздо выше, чем у других исследуемых покрытий, что свидетельствует о меньшем износе покрытия. Однако на некоторых участках передней поверхности присутствует железо, что свидетельствует о налипании обрабатываемого материала на инструмент.

Обсуждается влияние состава электролита на характеристики биосовместимого покрытия, полученного методом плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО) на титановом сверхупругом сплаве с памятью формы Ti–18Zr–15Nb. Научная новизна работы заключается в выявлении наиболее эффективного состава электролита для формирования ПЭО-покрытия с повышенными функциональными свойствами для перспективных металлических имплантатов. Научные результаты работы обладают важной научной и социальной значимостью и послужат основой для разработки современных технологий производства имплантатов нового поколения для ортопедии и нейрохирургии. Для выявления наиболее эффективного состава электролита были исследованы морфология и микроструктура покрытий, фазовый и элементный состав, адгезия покрытий и износостойкость поверхности, а также проведены электрохимические коррозионные испытания. Полученные покрытия имеют толщину в диапазоне ~15,5–17 мкм, пористость ~12–18 %. Добавка в виде силиката натрия существенно сглаживает поверхность и повышает износостойкость, но при этом снижает адгезионные свойства покрытий. Покрытия имеют в своем составе биосовместимые соединения кальций-фосфатов, что подтверждается наличием аморфного гало между 25 и ~40° в результатах рентгенофазового анализа и выявленных элементов Ca и P в элементном анализе. По результатам электрохимической импедансной спектроскопии выявлено различие в структуре ПЭО-покрытий и коррозионных процессов, протекающих в них. Покрытия, сформированные в фосфатных электролитах, имеют два слоя: внешний пористый и внутренний компактный, а в фосфатно-силикатных электролитах – один слой. Установлено, что ПЭО снижает токи коррозии на 1–3 порядка по сравнению с образцом без ПЭО-обработки. Покрытие, сформированное в фосфатном электролите с добавкой борной кислоты и ацетата кальция, обладает наилучшими коррозионными характеристиками, имеет наибольшую шероховатость, что положительно влияет на биосовместимость. Данный электролит может быть рекомендован для дальнейших исследований в качестве наиболее эффективного.

Важным аспектом при разработке материалов с повышенными функциональными свойствами является обеспечение их способности выдерживать эксплуатационные температуры готового изделия. Для увеличения срока службы и эффективности работы изделий, изготовленных из ферритно-мартенситных сталей, применяются различные виды деформационно-термических обработок. Исследовано влияние различных температурных режимов на структуру и термическую стабильность ферритно-мартенситной стали ЭИ-961Ш, подвергнутой прокатке и дополнительной закалке. В качестве метода деформационно-термической обработки использовалась холодная прокатка с последующей перезакалкой с температуры выше фазового перехода феррит/аустенит. Образцы прокатывали в несколько проходов на лабораторном прокатном стане с деформацией за проход 6 % на конечную толщину 4,3 мм до степени обжатия 70 %. Структурные исследования проводились методом просвечивающей электронной микроскопии и растровой электронной микроскопии. Показано, что в результате прокатки формировалась бимодальная полосовая структура с распределением карбидных частиц Сr₂₃C₆ вдоль границ зерен. При применении дополнительной закалки наблюдается увеличение доли глобулярных карбидов, в структуре при исследовании методом просвечивающей электронной микроскопии обнаружены нанодвойники. Ширина полос после обжатия на 50 % составила 0,5 мкм, после холодной прокатки и дополнительной термообработки – 0,4 мкм. Для изучения термической стабильности структуры ферритно-мартерситной стали после холодной прокатки и дополнительной термообработки были проведены короткие отжиги в диапазоне рабочих температур. Изучение термической стабильности показало, что многие структурные особенности, сформированные в результате предшествующей деформационно-термической обработки, сохраняются, однако после отжига при 600 °С в структуре отсутствуют визуально наблюдаемые нанодвойники. 

Применение обработки трением с перемешиванием (ОТП) для модифицирования структуры сплавов системы Al–Si, в частности фрагментации крупных частиц кремния, может приводить к повышению уровня механических свойств. Данная работа направлена на локальное поверхностное упрочнение алюминиевого сплава АК12Д (система Al–Si–Cu–Ni–Mg) при ОТП и последующей упрочняющей термической обработке Т6. Исследовано влияние параметров ОТП и последующей термообработки на структуру, микротвердость и твердость сплава АК12Д. ОТП проводили при скоростях вращения и подаче обрабатывающего инструмента 2000 об/мин и 8, 16 мм/мин соответственно. Последующую упрочняющую термообработку Т6 проводили по стандартному режиму для сплава АК12Д. В работе показано, что обработка трением с перемешиванием при скорости вращения 2000 об/мин и скорости подачи 8 мм/мин способствовала формированию монолитной и бездефектной зоны обработки. Исследование показало, что формируемая микроструктура неоднородна из-за влияния различных термомеханических эффектов. Наиболее интенсивно структурные изменения протекали в зоне перемешивания. Обработка трением с перемешиванием и последующая термообработка привели к фрагментации первичных фаз и частичному растворению интерметаллидных частиц в α-Al твердом растворе с последующим его распадом и образованием вторичных фаз. Кроме того, ОТП и последующая термообработка T6 привела к формированию мелкозернистой структуры, близкой к равноосной. Значения микротвердости сплава АК12Д после исследуемой обработки изменялись немонотонно и зависели от структуры в различных зонах. При этом значения твердости по Бринеллю после ОТП и последующей термообработки увеличивались по сравнению с исходным термообработанным состоянием.