№ 2 (2024)
- Год: 2024
- Дата публикации: 28.06.2024
- Статей: 10
- URL: https://vektornaukitech.ru/jour/issue/view/62
-
Описание:
Опубликован 28.06.2024
Влияние интенсивной пластической деформации кручением на структуру и механические свойства цинкового сплава Zn–1%Fe–5%Mg
Аннотация
В настоящее время ведутся поиски новых материалов для временных имплантатов, способных растворяться в организме, что приводит к исчезновению потребности в повторной операции. В последнее десятилетие интерес ученых был сосредоточен на материалах на основе цинка, так как он, в отличие от других металлов, имеет подходящую скорость коррозии и хорошую биосовместимость. В работе описан эксперимент по изучению влияния деформации на микроструктуру, прочностные и коррозионные свойства сплава системы Zn–Fe–Mg. Проведен энергодисперсионный анализ и расчет объемной доли второй фазы цинкового сплава Zn–Fe–Mg. Гравиметрическим методом исследованы коррозионные свойства цинкового сплава Zn–Fe–Mg с разной микроструктурой (до и после интенсивной пластической деформации кручением) в условиях, имитирующих условия внутри живого организма (температура, состав коррозионной среды). В ходе испытаний определен механизм протекания коррозии, рассчитаны ее скорость и потеря массы образцов. Проведены исследования рельефа коррозионной поверхности методом растровой электронной микроскопии. Установлено, что разрушение материала в коррозионной среде происходит по матрице, содержащей активный металл Mg. Результаты расчетов скорости коррозии у исходного и ИПДК-образцов отличались из-за более равномерного распределения частиц второй фазы во время интенсивной пластической деформации. В данной работе методом легирования цинка железом и магнием, а также применением интенсивной пластической деформации кручением получилось повысить микротвердость образцов до 239,6±8 НV, что является высоким показателем для цинковых сплавов.
9-22
Влияние предварительной плазменной обработки поверхности стали 09Г2С на формирование покрытия в результате горячего цинкования
Аннотация
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.
23-31
Малоцикловая усталость 10 % Cr стали с высоким содержанием бора при комнатной температуре
Аннотация
Высокохромистые стали мартенситного класса являются перспективным материалом для изготовления элементов котлов и паропроводов, а также лопаток и роторов паровых турбин новых энергоблоков тепловых электростанций, работающих на угле. Использование таких материалов даст возможность осуществить переход на суперсверхкритические параметры пара (температура 600–620 °С и давление 25–30 МПа), что позволит увеличить КПД энергоблоков до 45 %. Модификации химического состава высокохромистых сталей привели к существенному повышению жаропрочных характеристик, таких как предел длительной прочности – до 100 000 ч и предел ползучести – до 1 % на базе 100 000 ч, в то время как сопротивление разупрочнению в результате малоцикловой усталости остается недостаточно изученным в данной области. Настоящая работа посвящена исследованию малоцикловой усталости при комнатной температуре с различными амплитудами деформации высокохромистой стали мартенситного класса 10%Cr–3%Сo–2%W–0,5%Mo–0,2%Cu–0,2%Re–0,003%N–0,01%B. Предварительно сталь была подвергнута нормализации с 1050 °С с последующим отпуском при 770 °С. После термической обработки структура стали представляла собой реечный троостит отпуска, стабилизированный частицами вторичных фаз карбидов М23С6, карбонитридов NbX и карбидов М6С. Средняя ширина мартенситных реек составляла 380 нм, а плотность дислокаций – 1,4×1014 м−2. При малоцикловой усталости с увеличением амплитуды деформации с 0,2 до 1 % значительно снижается количество циклов до разрушения, а значение пластической деформации в середине количества циклов нагружения существенно увеличивается. Максимальное разупрочнение (18 %) наблюдается при амплитуде деформации 1 % в середине количества циклов нагружения. В целом структура стали после испытаний на малоцикловую усталость не претерпевает существенных изменений: ширина реек увеличивается на 18 % при амплитуде деформации более 0,3 %, при этом плотность дислокаций сохраняется на достаточно высоком уровне (около 1014 м−2) при всех амплитудах деформации.
33-42
Влияние геометрии инструмента на формирование сварного соединения при сварке трением с перемешиванием алюминиевого сплава АМг5
Аннотация
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.
43-52
Исследование превращений переохлажденного аустенита при ступенчатой закалке стали 20Cr2Mn2SiNiMo
Аннотация
В настоящее время ступенчатая закалка сталей в температурном интервале мартенситного превращения, в т. ч. quenching – partitioning, нашла широкое применение в автомобильной промышленности. Технология ступенчатой закалки успешно применяется для повышения комплекса свойств, к которым чаще всего относят временное сопротивление разрыву и относительное удлинение. Проведено дилатометрическое исследование превращений переохлажденного аустенита, протекающих в стали 20Х2Г2СНМА, при реализации различных вариантов ступенчатой закалки с выдержкой в мартенситной области. Установлено, что после одноступенчатой закалки, одноступенчатой закалки с последующим отпуском, двухступенчатой закалки образуются первичный мартенсит, изотермический бейнит, вторичный мартенсит в различных количественных соотношениях. С помощью рентгеноструктурного фазового анализа определено количество остаточного аустенита при реализации ступенчатой закалки. Показано, что двухступенчатая закалка позволяет стабилизировать в структуре исследуемой стали при комнатной температуре до 14 % остаточного аустенита. Исследования выявили, что для стали 20Х2Г2СНМА характерно уменьшение параметра кристаллической решетки остаточного аустенита при увеличении его содержания в структуре стали. Проведены испытания при одноосном растяжении и на ударный изгиб, определены значения механических свойств. Установлено, что при двухступенчатой закалке достигаются более высокие по сравнению с закалкой в масле и низкотемпературным отпуском показатели прочности и относительного удлинения при меньших значениях относительного сужения и ударной вязкости. Показано, что с точки зрения конструктивной надежности машиностроительных деталей ступенчатая закалка не является оптимальным режимом термической обработки исследуемой стали. Наилучшее сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости достигается после закалки и низкотемпературного отпуска.
53-65
Особенности термореакционной способности электролитических никелевых покрытий с различной морфологией поверхности
Аннотация
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.
67-75
Влияние добавок Cu на микроструктуру и свойства сплавов системы Al–Fe, полученных методом литья в электромагнитный кристаллизатор
Аннотация
Современная электротехническая промышленность требует дешевых и легко воспроизводимых алюминиевых сплавов – материалов с повышенной механической прочностью и электропроводностью. В работе исследовано влияние малых (до 0,3 мас. %) добавок меди на микроструктуру и физико-механические свойства, а также фазовые трансформации в сплавах системы Al–Fe с содержанием железа 0,5 и 1,7 мас. %, полученных методом непрерывного литья в электромагнитный кристаллизатор. Были получены сплавы указанных выше химических составов, впоследствии отожженные при 450 °С в течение 2 ч. Во всех состояниях были изучены микроструктура (с помощью РЭМ), предел текучести, предел прочности при растяжении, удлинение до разрушения и электропроводность. Показано, что добавки меди приводят к увеличению прочности обоих сплавов и некоторому снижению их пластичности по сравнению с аналогичными материалами без меди. Повышение прочности и снижение пластичности за счет добавки меди связано с образованием более дисперсных интерметаллидных частиц в медьсодержащих сплавах системы Al–Fe. Дополнительный сфероидизирующий отжиг приводит к уменьшению протяженности межфазной границы между алюминиевой матрицей и частицами алюминида железа за счет изменения их морфологии, что ведет к увеличению электропроводности. В целом медьсодержащие сплавы показали более высокую механическую прочность при меньшей электропроводности, а также повышенную термическую стабильность.
77-85
Акустические свойства мартенситно-стареющей стали XM-12 после энергетических воздействий
Аннотация
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.
87-100
Качество обработки поверхности и эффективность резания в кунжутном масле во время механической обработки: регрессионный анализ
Аннотация
В исследовании оценивается возможность использования кунжутного масла в качестве экологически чистой смазочно-охлаждающей жидкости при токарной обработке. Проведены эксперименты для определения влияния радиуса закругления вершины и переднего угла инструмента на износ инструмента, формирование поверхности и силу резания. Кроме того, были исследованы различные смазочные материалы, такие как смазочно-охлаждающие жидкости на нефтяной основе и биомасла, с целью определения их потенциала для минимизации трения, выделения тепла и износа инструмента во время обработки. Установлено, что по сравнению с сухим резанием и обычными смазками на нефтяной основе кунжутное масло обеспечивает более гладкую поверхность и снижает силу резания. Взаимосвязь между параметрами резания и качеством обработки поверхности анализировалась с использованием статистического моделирования. Для количественной оценки корреляций и значимости предиктора использовались коэффициент детерминации (R-квадрат) и p-значения. Результаты подчеркивают эффективность использования кунжутного масла в качестве смазочно-охлаждающей жидкости и важность оптимизации параметров процесса для повышения эффективности обработки.
101-111
Сравнительный анализ химического состава и механических свойств различных участков сварного соединения дюралюмина, полученного сваркой трением с перемешиванием
Аннотация
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.
113-119