№ 4 (2022)

Статья посвящена разработке и анализу модели движения истинно вязкого смазочного материала в рабочем зазоре радиального подшипника скольжения с нестандартным опорным профилем, имеющим на поверхности вала фторопластсодержащее композиционное полимерное покрытие с канавкой. Новые модели получены на базе классических уравнений в приближении для «тонкого слоя» и уравнения неразрывности, описывающих ламинарный режим движения смазочного материала с вязкими реологическими свойствами. Результаты проведенного численного анализа полученных моделей позволили получить количественную оценку эффективности опорного профиля подшипниковой втулки и вала с полимерным покрытием с осевой канавкой. Для завершения комплекса исследований и верификации теоретических разработок были выполнены экспериментальные исследования. Новизна работы заключается в конкретизации методики инженерных расчетов, позволяющей оценить величину основных триботехнических параметров радиального подшипника скольжения (гидродинамического давления, нагрузочной способности и коэффициента трения), а также расширить область практического применения разработанных инженерных расчетов. Конструкция радиального подшипника с полимерным покрытием, канавкой шириной 3 мм и специальным опорным профилем обеспечила стабильное всплытие вала на гидродинамическом клине, что экспериментально подтвердило правильность результатов теоретических исследований подшипников скольжения диаметром 40 мм при скорости скольжения 0,3–3 м/с и нагрузке 13–65 МПа.

Интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК) является эффективным способом трансформации структуры металлических материалов, формирования в них наноструктурного состояния, значительного повышения прочности. Однако реально достигаемая при ИПДК деформация может быть значительно меньше ожидаемой в связи с проскальзыванием. Исследование эффекта проскальзывания при ИПДК различных материалов является актуальным вопросом. Ранее авторами был предложен простой и наглядный способ оценки проскальзывания и реально достигаемой степени деформации кручением. Интересным материалом для исследования эффекта проскальзывания при ИПДК являются сплавы Zr–1%Nb, на которых ранее был проведен ряд исследований по изучению воздействия ИПДК. Таким образом, возможно сравнивать полученные данные с результатами других авторов. В статье исследовано воздействие ИПДК на структуру и свойства сплава Zr–1%Nb, а также продемонстрирован эффект проскальзывания. Подготовленный для ИПДК исходный диск разрезался на два полудиска, которые совместно помещались на бойки и подвергались совместной ИПДК на n=¼ оборота наковален. Эффект проскальзывания оценивался по виду половинок. Показано, что уже на начальных этапах ИПДК на n=¼ оборота происходит значительное проскальзывание бойков и образца, а деформация кручением не накапливается согласно ожиданиям. Проанализировано влияние различных режимов ИПДК на микротвердость, структуру, фазовый состав сплава Zr–1%Nb. Показано, что, несмотря на эффект проскальзывания, сплав Zr–1%Nb сильно упрочняется при ИПДК на один оборот (n=1) и ИПДК с n=10; микротвердость и предел прочности при этом значительно увеличиваются, в образце формируется до 90 % ω-фазы высокого давления. Делается вывод, что при ИПДК деформация осуществляется не простым кручением, а более сложными модами.

Оксидные слои, сформированные плазменно-электролитическим оксидированием (ПЭО), характеризуются достаточно высокой пористостью, что влияет практически на весь комплекс служебных характеристик. Тем не менее известные данные об интегральной пористости слоев, получаемых ПЭО, достаточно противоречивы, а характер распределения пор по размерам в этих слоях остается малоизученным. В результате обработки полученных в широком диапазоне увеличений изображений поперечного сечения слоя (сканирующая электронная микроскопия – СЭМ, image-based анализ) получено распределение пор по размерам в диапазоне от 10 нм до 10 мкм, которое достаточно хорошо описывается функцией логарифмически нормального распределения (геометрия пор аппроксимировалась сферической формой). Такой характер распределения указывает на природу образования пор, которую можно связать с термически активируемым процессом выделения газа из расплава, объем и средняя температура которого, в свою очередь, определяются энергией микродуговых разрядов. В работе также представлены результаты определения методом рентгеноструктурного анализа (РСА) фазового состава оксидного слоя и размеров кристаллитов. Сравнением результатов рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) и РСА оценен фазовый состав аморфной составляющей. Стационарным методом и методом импульсного лазерного нагрева определена теплопроводность исходного оксидного слоя и слоя после удаления его высокопористой наружной части. Полученные экспериментально-расчетным путем на основе анализа СЭМ-изображений значения пористости и результаты определения фазового состава, включая аморфные фазы, позволили оценить теплопроводность оксидного слоя с помощью четырех известных аналитических моделей. Результаты расчета теплопроводности по модели Loeb показали хорошую сходимость с экспериментальными результатами, полученными в настоящей работе. Путем моделирования показано, что на теплопроводность оксидного слоя размер кристаллитов влияет существенно меньше пористости и аморфной фазы.

Одним из перспективных научных направлений, активно развивающихся в последнее время в материаловедении, является разработка и исследование высокоэнтропийных сплавов, содержащих несколько металлических элементов с концентрацией, близкой к эквиатомной. Интерес к ним вызван тем, что они способны демонстрировать повышенные механические и функциональные свойства. Вместе с тем другим перспективным направлением повышения прочностных свойств металлических материалов является измельчение их зеренной структуры методами интенсивной пластической деформации. В настоящей работе оба этих подхода были использованы для формирования ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры в высокоэнтропийном сплаве Fe₃₀Ni₃₀Mn₃₀Cr₁₀. Представлены результаты исследования структуры, прочности, термической стабильности и коррозионной стойкости высокоэнтропийного сплава, подвергнутого интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК). Исследования структуры, проведенные методом просвечивающей электронной микроскопии, показали, что применение ИПДК ведет к формированию УМЗ структуры со средним размером зерен менее 200 нм в зависимости от температуры обработки. В результате измерений микротвердости и механических испытаний на растяжение при комнатной температуре обнаружено, что после сильного измельчения зеренной структуры в высокоэнтропийном сплаве происходит повышение микротвердости и предела прочности более чем в 3 раза по сравнению с исходным крупнозернистым состоянием. При этом УМЗ образцы высокоэнтропийного сплава проявили термическую стабильность микротвердости после отжигов до температуры 500 °С. Электрохимические испытания, проведенные в водном растворе 3,5 % NaCl при температуре 37 °С, продемонстрировали высокую коррозионную стойкость УМЗ образцов высокоэнтропийного сплава.

Линейная сварка трением – перспективная технология изготовления титановых моноколес компрессоров газотурбинных двигателей, к которым предъявляются жесткие требования по циклической прочности и точности размеров. Перспективным является направление по замене традиционно применяемых стыковых соединений на более технологичные Т-образные, которые обеспечат снижение затрат на обработку деталей перед сваркой. Внедрение Т-образных соединений требует дополнительных исследований специфики распределения тепла, формирования напряженно-деформированного состояния в процессе и после сварки. В связи с этим актуальны исследования остаточных напряжений в Т-образных соединениях титановых сплавов, полученных линейной сваркой трением. В работе исследуются остаточные напряжения в соединении, имитирующем соединение лопатка – диск. Рассматриваются результаты сварки, где на детали, имитирующей лопатку, выфрезерован рельеф меньшего сечения. Предложена конечно-элементная модель, охватывающая стадии проковки, охлаждения и снятия деталей со сборочного приспособления. Модель разработана в пакете ANSYS Workbench и описывает напряженно-деформированное состояние сваренных деталей, позволяя оценить распределение и уровень остаточных сварочных напряжений. Отличительной особенностью модели является учет несимметричного распределения температуры, полученный конечно-разностным решением тепловой задачи сварки Т-образного соединения, а также имитация формы шва, полученная в результате металлографических исследований сваренных образцов. Представленная модель позволяет оценить остаточные напряжения в соединениях. Распределения остаточных напряжений в исследованных Т-образных соединениях отличаются от таковой в стыковых – во всех исследованных случаях в сварном шве действуют сжимающие напряжения, уравновешивающиеся растягивающими, действующими на расстоянии 1 мм от стыка. Формирование сжимающих напряжений в сварном шве обусловлено пластической деформацией под действием ковочного усилия.