Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)
ISSN (print): 1994-6309, ISSN (online): 2541-819X Учредители: Новосибирский государственный технический университет; ООО НПКФ «Машсервисприбор» Главный редактор: Батаев Анатолий Андреевич, д-р техн. наук, профессор Периодичность / доступ: 4 выпуска в год / подписка Входит в: Белый список (2 уровень), перечень ВАК, РИНЦ, Scopus, Web of Science Core Collection
Новосибирский государственный технический университет
Подробности и детали изложены в типовом Лицензионном договоре, который следует заполнить, заверить всем представителям авторского коллектива и направить издателю вместе с прочими материалами при подаче статьи. Бланк типового Лицензионного договора (DOC)
Определение основных параметров контактной точечной сварки алюминиевого сплава АМг-5
Введение. Процесс контактной точечной сварки (RSW) широко применяется в различных отраслях промышленности, особенно для массового производства, – в авиационной, автомобильной, мебельной промышленности и др. Процесс RSW имеет некоторые трудности при сварке алюминия и его сплавов. Как правило, алюминиевые сплавы дают плохие сварные швы из-за их физических и металлургических свойств, таких как образование оксидов, тепловое расширение, тепловое сжатие, меньшая свариваемость и образование интерметаллических соединений. Настоящее исследование направлено на оценку осуществимости и механическую характеристику сварных швов RSW на алюминиевых сплавах типа АМг-5. Цель работы: оценить возможности контактной точечной сварки алюминиевых сплавов, определить влияние основных параметров RSW на структуру и свойства сварного шва. Методы исследования. Использовали листы алюминиевого сплава АМг-5 в состоянии поставки. Точечная сварка выполнялась стационарной контактной точечной сварочной машиной МТ-4240. Образцы для проведения исследований вырезались, полировались и в последующем анализировались на оптическом микроскопе, твердость измерялась микротвердомером. Измерения твердости проводились в двух направлениях (вдоль радиуса ядра и по толщине листа) с применением машины под нагрузкой 100 г. Электромеханическая испытательная машина Instron использовалась для испытаний на сдвиг при постоянной скорости траверсы 1 мм/мин до окончательного разрушения соединения при комнатной температуре. Диаметр ядра измерялся на поверхности излома после испытания на сдвиг при растяжении. Результаты и обсуждение. Были определены оптимальные входные параметры процесса для сварки листов алюминия толщиной 2,5 мм, проанализированы три выходные переменные, а именно прочность на разрыв, твердость соединения и диаметр ядра. Было отмечено, что прочность соединения значительно улучшилась за счет увеличения параметров процесса (силы тока, времени сварки). Диаметр ядра сварочной точки находится в корреляции с входными параметрами по току и времени процесса. Было замечено, что увеличение параметров процесса, т. е. времени цикла сварки, давления электрода и сварочного тока, приводит к увеличению размера ядра сварки. Отношение прочности сварной точки к прочности основного металла составляет 0,9. Показано, что сварка алюминиевых листов АМг-5 толщиной 2,5 мм методом RSW возможна и может быть использована в различных отраслях.
© Кондратьев В.В., Гозбенко В.Е., Кононенко Р.В., Константинова М.В., Гусева Е.А., 2025 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Влияние скорости резания на импульсные изменения температуры передней поверхности резца при точении жаропрочной стали 15Х2НМФА
Введение. Статья посвящена оценке влияния периодических флуктуаций параметров режимов обработки на изменение максимальной температуры передней поверхности резца. Предмет. Как флуктуации параметров режимов резания рассматриваются колебания их значений относительно номинального, вследствие чего возникают периодические изменения площади срезаемого слоя и условий взаимодействия стружки с передней поверхностью инструмента, которые влияют на изменение температуры в зоне резания. Цель работы: оценить влияние периодических флуктуаций параметров режимов обработки для различных скоростей резания на изменение максимальной величины температуры передней поверхности резца при точении жаропрочной стали 15Х2НМФА на станке с большим сроком эксплуатации без применения охлаждения. Метод и методология. Исследован процесс чистового продольного точения жаропрочной стали 15Х2НМФА на станке с большим сроком эксплуатации без применения охлаждения. В ходе обработки произведено измерение вибраций инструмента по трём координатным осям при варьировании скорости резания для постоянной глубины резания и подачи. При помощи цифрового имитационного моделирования с использованием входных данных, полученных из натурных экспериментов, выявлены моменты в динамике системы, когда каждый из режимов резания в результате флуктуаций принимает экстремальные значения, а затем определены соответствующие им отклонения максимальной расчётной температуры от номинальной величины. Результаты и обсуждение. Установлено, что при вариации скорости обработки происходит изменение дестабилизирующих тепловое состояние факторов: на низких скоростях в исследованной системе резания основными источниками температурных отклонений являются моменты выхода на экстремальные значения глубины и скорости резания, на более же высоких оборотах максимальный эффект оказывают колебания глубины резания и подачи. Выявлено, что при достижении параметров режимов обработки экстремального значения в большинстве случаев происходит рост мгновенной температуры, при этом обнаружено наличие скоростей резания, для которых такие отклонения минимальны.
© Гвинджилия В.Е., Фоминов Е.В., Марченко А.А., Лавренова Т.В., Дебеева С.А., 2025 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Получение прутков и листов из сплава TiNiHf с высокотемпературным эффектом памяти формы методами продольной прокатки и ротационной ковки
Введение. Сплавы с памятью формы на основе никелида титана являются функциональными материалами, нашедшими широкое практическое применение в технике и медицине. Для регулирования их функционального поведения и получения материалов со специальными свойствами активно развивается использование тройных сплавов на основе никелида титана, а в особый класс следует выделить сплавы системы TiNiHf, для которых реализация эффекта памяти формы происходит при более высоких температурах. Необходимость получения таких сплавов продиктована потребностями целого ряда отраслей промышленности, требующих создания функциональных элементов из сплавов с памятью формы с температурой срабатывания более 120 °С. Эти сплавы также должны обладать достаточной технологической пластичностью для изготовления деформированных полуфабрикатов и последующего производства термочувствительных элементов. Среди актуальных вопросов развития практического применения сплавов TiNiHf можно также выделить развитие технологии получения полуфабрикатов различного сортамента, связанных с разработкой режимов и схем термомеханической обработки. Цель работы: исследование возможности проведения деформационной обработки исследуемых сплавов TiNiHf с высокотемпературным эффектом памяти формы и выявление закономерностей формирования фазового состава и механических характеристик в зависимости от способа обработки. В работе исследована возможность получения листов и прутков из сплавов TiNiHf с 5 и 10 ат. % Hf и 50,0 ат. % Ni методами продольной прокатки, прокатки в калибрах и ротационной ковки. Методами исследования являлись рентгенографический анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия и измерение твердости по Виккерсу. Результаты и обсуждение. Установлено, что сплав TiNiHf с 10 ат. % Hf обладает недостаточной технологической пластичностью. Из сплава с 5 ат. % Hf были получены заготовки в виде листов и прутков различного размера за счет использования процессов продольной прокатки и ротационной ковки. Показано, что проведение горячей деформации позволяет увеличить твердость исследуемого сплава TiNiHf с 5 ат. % Hf по сравнению с литым состоянием с 232 HV до 242…264 HV. Проведение холодной деформации приводит к значительному росту значений твердости, до 362…394 HV. Характеристические температуры протекания прямого и обратного мартенситного превращения достаточно стабильны. На основании результатов исследования можно сделать вывод о перспективности применения продольной прокатки и ротационной ковки для получения полуфабрикатов СПФ TiNiHf c 5 ат. % Hf и повышения функциональных и механических свойств сплава после выплавки.
© Карелин Р.Д., Комаров В.С., Черкасов В.В., Осокин А.А., Сергиенко К.В., Юсупов В.С., Андреев В.А., 2025 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Информационные свойства виброакустической эмиссии в системах диагностики износа режущего инструмента
Введение. Статья посвящена построению методики диагностирования износа режущего инструмента на основе анализа сигнала виброакустической эмиссии. При этом решаются две задачи. Во-первых, формируется пространство информационных признаков износа. Во-вторых, в этом пространстве определяются решающие правила, которые позволяют разделить его на отдельные кластеры по признаку принадлежности к величине износа. Поскольку главное значение в этих процедурах имеют методы построения пространства информационных признаков (ПИП), то целью работы является определение закономерности изменения частотных характеристик динамической системы резания, вызванных развитием износа, и построение на этой основе рационального информационного пространства диагностирования износа инструмента. Метод и методология. В исследовании на основе результатов математического моделирования возмущенной динамической системы резания определяется пространство информационных признаков, в котором отображается износ инструмента. Предлагаются методы определения параметров ПИП, обеспечивающие высокую их чувствительность к изменению износа. Все параметры ПИП должны быть безразмерными и при нулевом износе они должны обнуляться. Они должны удовлетворять и другим требованиям, в том числе к условиям помехозащищенности. Результаты и обсуждение. В статье приводятся результаты построения параметров ПИП для анализа виброакустической эмиссии в двух частотных диапазонах. В низкочастотном диапазоне, ограниченном первыми собственными частотами взаимодействующих подсистем (до 1,0…1,5 кГц), компоненты ПИП определяются на основе рассмотрения вибрационных последовательностей, полученных аналитически при силовых возмущениях в виде «белого» шума. В высокочастотной области (выше 2,0 кГц) предлагается построение информационных моделей на основе случайной импульсной последовательности. Показано, что применимость конкретного информационного признака зависит от условий. Таким образом, разработанная методика, математическое моделирование, а также цифровые и натурные эксперименты позволили сформировать рациональное информационное пространство диагностирования износа, в котором на основе известных методов распознавания можно построить решающие правила разделения информации по признаку принадлежности к величине износа.
© Заковоротный В.Л., Гвинджилия В.Е., Кислов К.В., 2025 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Модальный анализ шлифовальных кругов различных характеристик для определения их интегральных упругих показателей
Введение. В рамках решения глобальной задачи по разработке математической модели звукового давления, генерируемого процессом шлифования, возникла необходимость определения фактических значений интегральных показателей упругости шлифовальных кругов для использования в качестве параметров модели. Это позволит расширить область применения модели и максимизировать полезный прикладной эффект от ее применения. В статье описывается подход определения коэффициентов Пуассона и модулей Юнга для шлифовальных кругов разных характеристик. Параметры упругости инструмента выступают предметом исследования. Целью работы является установление зависимости фактических значений интегральных упругих показателей от характеристики шлифовального круга с помощью модального анализа. Метод исследования состоит в комбинации экспериментального исследования спектров частот собственных колебаний и модального анализа, реализованного с помощью метода конечных элементов в специализированном программном обеспечении. Кроме того, используются элементы регрессионного анализа для получения эмпирических зависимостей интегральных упругих параметров шлифовальных кругов от размера фракции абразивного зерна и твердости. Результаты и обсуждение. Основным полезным результатом работы является установление фактических значений коэффициентов Пуассона и модулей Юнга для шлифовальных кругов рассматриваемых характеристик. Выбор характеристик шлифовальных кругов позволил исследовать влияние размера фракции абразивного зерна и твердости на его интегральные упругие свойства. Создание математической модели звукового давления, генерируемого процессом шлифования, и методики прогнозирования периода стойкости шлифовального круга на его основе позволит повысить эффективность операций шлифования за счет снижения доли подготовительно-заключительного времени и увеличения доли машинного времени, снижения расхода производственных ресурсов и более полного использования периода стойкости инструмента.
© Жуков А.С., Ардашев Д.В., Батуев В.В., Кулыгин В.Л., Шулежко Е.И., 2025 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Численное и экспериментальное исследование интенсификации теплообмена в трубах с шероховатой поверхностью
Введение. Эффективный теплообмен (HT) играет важную роль в широком спектре технических приложений, включая системы теплоэнергетики, процессы химической промышленности, энергетическое оборудование и системы HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха). Повышение эффективности теплообмена в трубах круглого сечения является актуальной задачей, особенно в контексте разработки методов, направленных на интенсификацию турбулентности и модификацию структуры пристенных термических пограничных слоев. Цель работы. Данная работа посвящена комплексному исследованию влияния искусственной шероховатости поверхности труб круглого сечения на интенсификацию конвективного теплообмена. В рамках исследования оценивается влияние шероховатости поверхности, пульсаций потока, числа Рейнольдса (Re) и теплового потока (Q) на теплообменные характеристики. Методы исследования. Для анализа термогидродинамических процессов в трубе применялся комбинированный подход, включающий экспериментальные исследования и методы вычислительной гидродинамики (CFD). Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях. CFD-моделирование использовалось для детального изучения распределений температуры, полей скорости и давления, турбулентной кинетической энергии (TKE), вихревых структур, коэффициента турбулентной вязкости, локального коэффициента теплоотдачи (h) и числа Нуссельта (Nu). С целью интенсификации теплообмена изучалось воздействие синусоидальных пульсаций, накладываемых на входной и выходной потоки, с варьированием частоты (f) и амплитуды (A) колебаний в диапазоне турбулентного режима течения (6753 ≤ Re ≤ 31 000). Результаты и обсуждение. Установлено, что шероховатость поверхности приводит к увеличению интенсивности теплообмена за счет генерации дополнительной турбулентности и дестабилизации термического пограничного слоя. Подтверждена значимая роль турбулентной кинетической энергии (TKE) в интенсификации теплообмена, проявляющаяся в корреляции между повышенными значениями TKE и увеличением коэффициента теплоотдачи. Показано, что применение пульсаций потока позволяет дополнительно увеличить эффективность теплообмена: введение пульсаций на выходе приводит к увеличению числа Nu на 20–22 %, а на входе – на 16–19 % относительно базового случая (без пульсаций). Полученные результаты демонстрируют перспективность комбинированного использования шероховатой поверхности и контролируемых пульсаций потока для оптимизации процессов теплопередачи. Данный подход может быть эффективно применен при проектировании компактных и высокоэффективных теплообменных аппаратов для различных отраслей промышленности.
© Нишандар С., Пайс А., Багаде П., 2025 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Влияние способа измельчения на коэффициент формы зерен карбида кремния черного
Введение. Единственным в России и самым крупным в Европе производителем карбида кремния является ОАО «Волжский абразивный завод». Для измельчения абразивного материала на предприятии используют различные способы, оборудование и технологии, влияющие на геометрические параметры зёрен. Наиболее значимыми и распространенными методами измельчения карбида кремния в действующем производстве служат пресс-валковый и роторный. Цель работы: исследование влияния пресс-валкового и роторного методов измельчения карбида кремния черного, реализуемых в условиях ОАО «Волжский абразивный завод», на коэффициент формы, длину и ширину зёрен в выборках фракций. Методы исследования. Исходный материал, полученный в соответствии с действующим технологическим процессом, отбирали после дробления на стержневой мельнице. Одну пробу измельчали пресс-валковым методом, другую роторным. Измельченный карбид кремния рассевали на фракции ситовым анализатором Ro-Tap. Геометрические параметры и форму зерен определяли в пяти фракциях, в каждой фракции измеряли 800 зёрен. Горизонтальную проекцию профиля зерен получали на оптическом стереоскопическом микроскопе «Альтами» СМ0870-Т. Для обработки проекций и определения геометрических параметров использовали специальное программное обеспечение. Результаты и обсуждение. Установлено, что коэффициент формы и длина зёрен подчиняются закону максимального значения, а ширина – закону нормального распределения. Сила связи между геометрическими параметрами изменяется от слабой до высокой, направленность связей – от положительной до отрицательной. Приведены графические зависимости, свидетельствующие о корреляционных и регрессионных связях между геометрическими параметрами зёрен во фракциях. После роторного измельчения количество изометричных зёрен, по сравнению с пресс-валковым, возрастает в среднем на 5 %, количество игольчатых зёрен снижается в 3 раза. Результаты исследований предназначены для оптимизации рецептуры и технологии изготовления абразивных и огнеупорных изделий.
© Носенко В.А., Ривас Перес Д.Э., Александров А.А., Саразов А.В., 2025 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Исследование процесса поверхностного обезуглероживания стали 20 после цементации и термической обработки
Введение. В промышленности используют метод цементации с твердым карбюризатором для насыщения поверхностного слоя углеродом. На практике необходимо максимально предотвратить или уменьшить обезуглероживание поверхностного слоя стали – либо применять защитную атмосферу, либо производить нагрев в условиях, при которых процесс окисления поверхностного слоя металла происходит быстрее, чем процесс обезуглероживания. В процессе обезуглероживания в поверхностном слое формируется структура феррита, при контактных нагрузках она снижает сопротивление зарождению трещин в поверхностном слое и повышает вероятность усталостного разрушения изделия в целом. Цель работы: оценить влияние температуры нагрева под цементацию и последующую закалку, а также влияние длительности выдержки на глубину обезуглероженного слоя в процессе химико-термической обработки низкоуглеродистой стали. Методы исследования. Определение химического состава стали в состоянии поставки. Анализы были выполнены с использованием оптического эмиссионного спектрометра модели LAVFA18B Spectrolab. Для целей исследования была выбрана нелегированная доэвтектоидная сталь Ст20 с исходной микроструктурой феррит-перлит. Образцы имели прямоугольную форму со средними размерами 50×10×10 мм. Насыщение углеродом проводили с одной стороны (со стороны насыпанного карбюризатора, обратную поверхность образцов защищали слоем глины). Образцы помещали в металлический контейнер и засыпали карбюризатором слоем 25…30 мм, закрывали крышкой и герметизировали. Насыщение углеродом проводили при 900 °C в течение 4…8 часов. После ящик с образцами доставали из печи, он охлаждался на воздухе. Закалку проводили в печи на воздухе (влажность не измерялась) при температурах нагрева печи 780, 850 и 950 °C и времени выдержки 4 и 6 часов в лабораторной электропечи сопротивления с объемом камеры 22 дм3. Проводили металлографическое исследование и измерение микротвердости. Результаты и обсуждение. В ходе экспериментов отмечено, что температура нагрева под цементацию и закалку играет важную роль в oбезуглероживании. При температуре 700 °C явление обезуглероживания не наблюдалось, это указывает на то, что реакция обезуглероживания не происходила в образцах при температуре ниже 700 °C. Когда температура составляет бoлее 750 °C, образец имеет очевидное обезуглероживание, ферритная структура столбчатая, перпендикулярная поверхности обезуглероживания. Частично обезуглероженный слой появляется в образце при температуре 850 °C, а толщина полностью обезуглероженного слоя уменьшается. После 900 °C образец в основном представляет собой частично обезуглероженный слой, потому что при этой температуре структура стали полностью аустенитная. После 1000 °C толщина слоя увеличивается быстро, показывая экспоненциальный рост. Проведённые эксперименты показали влияние времени нагрева и выдержки на глубину обезуглероженного слоя. Представленные результаты будут востребованы при проведении химико-термической обработки изделий, к которым предъявляются высокие требования по поверхностной твердости.
© Карлина Ю.И., Конюхов В.Ю., Опарина Т.А., 2025 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Влияние термической обработки на строение и свойства высокоэнтропийного сплава AlCoCrFeNiNb0.25
Введение. В настоящее время одним из наиболее изучаемых высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) является система CoCrFeNi с добавлением пятого компонента. Примером такого сплава служит AlCoCrFeNi, легированный дополнительными элементами. Легирование Nb способствует образованию в сплаве твердого раствора и вторичной фазы Лавеса, а также приводит к образованию эвтектики между этими фазами. Оптимальное сочетание механических свойств, достигаемое в сплаве доэвтектического состава AlCoCrFeNiNb0.25, стало основанием выбора данного сплава для последующих исследований в условиях термообработки. Цель работы: исследование влияния термической обработки, включающей нагрев до температур 900, 1000 и 1100 °C с последующим охлаждением на воздухе, на структуру и свойства ВЭС AlCoCrFeNiNb0.25. Методы исследования: оптическая металлография, рентгеноструктурный анализ, измерение микротвердости и испытания на сжатие. Результаты и обсуждение. Сплав AlCoCrFeNiNb0.25 сохраняет структуру твердого раствора на основе ОЦК-фазы не только в литом состоянии, но и после термообработки. Независимо от режимов термообработки в сплаве сохраняется доэвтектическая структура, состоящая из дендритов твердого раствора и эвтектики с фазой Лавеса в междендритном пространстве. Термообработка приводит к изменению фазового состава сплава и совершенствованию структурных составляющих. При нагреве до 900 °C наряду с существующими твердым раствором и фазой Лавеса в структуре выделяется σ-фаза, повышающая микротвердость сплава, однако не обеспечивающая улучшение прочностных свойств в связи со своими низкими пластическими характеристиками. Прочностные характеристики сплава существенно улучшаются при термообработке с нагревом до 1000 и 1100 °С. Нагрев до 1100 °С сопровождается увеличением остаточной деформации. Основными причинами подобного эффекта могут быть превращения, происходящие как в твердом растворе ОЦК-фазы (растворение В2-фазы, перестройка субструктуры, увеличение параметра решетки), так и в эвтектике (увеличение доли фазы Лавеса, совершенствование эвтектических ячеек).
© Ковалевская Ж.Г., Лю Ю., 2025 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Коррозионные свойства покрытий из самофлюсующихся порошков, полученных методом детонационного напыления
Введение. В работе представлены результаты комплексного исследования коррозионных свойств инновационных покрытий на основе самофлюсующихся никель-хром-бор-кремниевых сплавов (ПР-НХ17СР4), модифицированных 10 % наночастиц карбида бора (B4C) и полученных методом детонационного напыления. Актуальность исследования обусловлена острой необходимостью разработки новых высокоэффективных материалов для защиты критически важного оборудования, работающего в экстремальных условиях морской среды, химически агрессивных растворов и при повышенных температурах. Особое внимание уделено детальному анализу влияния B4C на механизмы коррозионного разрушения, формирование защитных пассивирующих слоев и взаимосвязь между микроструктурой и функциональными свойствами покрытий. Цель работы: комплексная оценка влияния 10%-й добавки B4C на коррозионную стойкость, микроструктуру и механические свойства покрытий в сравнении с базовым сплавом ПР-НХ17СР4 и коммерческим аналогом ВСНГН-85, широко применяемым в промышленности. Методы исследования. Покрытия наносили на подложки из стали 40Г методом детонационного напыления с использованием многокамерной кумулятивной установки МКДУ. Для всесторонней характеристики покрытий применяли современные аналитические методы: сканирующую электронную микроскопию (СЭМ Mira 3) с энергодисперсионным анализом и рентгенофазовый анализ (XRD, дифрактометр ARL X'TRA) с количественной оценкой фазового состава методом Ритвельда. Коррозионные испытания проводили в 3,5%-м растворе NaCl, имитирующем морскую среду, с использованием потенциостатических измерений и электрохимической импедансной спектроскопии на потенциостате-гальваностате SmartStat PS-10-4. Для оценки глубины коррозионного поражения применяли конфокальную лазерную микроскопию (Lext OLS5000) с разрешением 10 нм. Результаты и обсуждение. Установлено, что введение 10 % B4C приводит к формированию уникальной многослойной структуры покрытия с содержанием аморфной фазы до 12,3 % и способствует образованию пассивирующих оксидов хрома (Cr2O3) и бора (B2O3). Электрохимические измерения показали рекордно низкую скорость коррозии – 0,0014 мм/год, что на порядок меньше, чем у базового сплава (0,021 мм/год), и в 30 раз ниже, чем у коммерческого аналога ВСНГН-85 (0,041 мм/год). Модифицированное покрытие демонстрирует исключительно высокое поляризационное сопротивление (215 ± 25 кОм·см2) и минимальную пористость (0,6 ± 0,1 %). Микротвердость составила 680 ± 40 HV, что существенно превышает характеристики базового сплава (520 ± 30 HV) и обусловлено образованием дисперсных частиц NiB2. Методами XRD и ЭДС подтвержден каталитический эффект B4C, способствующий более полному переходу кремния в силицид никеля (NiSi). Разработанные покрытия обладают уникальным сочетанием высокой коррозионной стойкости, износостойкости и адгезионной прочности. Полученные результаты позволяют рекомендовать данную технологию для создания защитных покрытий ответственных узлов оборудования в нефтегазовой отрасли, судостроении и энергетике. Перспективы дальнейших исследований связаны с оптимизацией состава порошков и параметров напыления для различных эксплуатационных условий, включая повышенные температуры и комбинированные нагрузки.
© Сирота В.В., Прохоренков Д.С., Чуриков А.С., Подгорный Д.С., Алфимова Н.И., Коннов А.В., 2025 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Влияние структурного состояния на механические и трибологические свойства бронзы системы Cu-Al-Si-Mn
Введение. Электронно-лучевое аддитивное производство является перспективным методом получения новых сплавов с уникальными свойствами. В то же время существующие проблемы с получением качественной структуры требуют поиска технического решения, обеспечивающего измельчение зерна и формирование более однородной микроструктуры. Для деформационно-упрочняемых медных сплавов методы интенсивной пластической деформации являются эффективными способами управления их структурным состоянием и механическими свойствами. В настоящее время влияние интенсивной пластической деформации (ИПД) на структуру, механические и трибологические свойства перспективной для промышленного применения бронзы системы Cu-Al-Si-Mn не исследовано. Целью работы является исследование связи структурного состояния, сформированного в результате интенсивной пластической деформации, с механическими и трибологическими свойствами образцов бронзы системы Cu-Al-Si-Mn. В работе исследованы образцы бронзы системы Cu-Al-Si-Mn, изготовленные из проволок бронзы БрКМц 3-1 и технически чистого алюминия методом мультипроволочной электронно-лучевой аддитивной технологии. Для целенаправленного изменения структуры и свойств полученные аддитивные заготовки были подвергнуты интенсивной пластической деформации (ИПД). В качестве методов ИПД использовались многосторонняя ковка и прокатка, направленные на существенное измельчение зерна и повышение прочностных характеристик. Методы: исследование структуры на просвечивающем электронном микроскопе для детального анализа субмикронной структуры после ИПД; рентгенофазовый анализ для идентификации фазового состава сплава; испытания на растяжение для определения ключевых механических свойств – предела прочности, предела текучести и относительного удлинения; измерение микротвердости для оценки упрочнения образцов с использованием нагрузок по Виккерсу; конфокальная лазерная сканирующая микроскопия для трехмерного анализа топографии поверхности и исследования морфологии изношенных поверхностей; испытания на сухое трение скольжения для оценки износостойкости материала и коэффициента трения в условиях отсутствия смазки при заданных нагрузках и скоростях скольжения. Результаты и обсуждение. На основе данных просвечивающей электронной микроскопии установлено, что применение многосторонней ковки и прокатки привело к существенным изменениям в структуре материала, а также его фазового состава. На основе рентгенофазового анализа выявлено, что интенсивная пластическая деформация способствовала деформационному растворению γ- и β-фаз. Результаты испытаний на растяжение показали, что наибольшая прочность достигается после интенсивной пластической деформации методом прокатки, после многосторонней ковки. ИПД путем многосторонней ковки и последующей прокатки привела к повышению микротвердости бронзы. В результате трибологических испытаний установлено, что ИПД способствует снижению коэффициента трения (КТ) по сравнению с материалом в напечатанном состоянии. Термическая обработка образцов после ИПД привела к повышению КТ и увеличению флуктуаций его величины. ИПД путем многосторонней ковки и последующей прокатки способствует многократному увеличению износостойкости образов в условиях сухого трения скольжения. Низкотемпературный отжиг после ИПД приводит к снижению износостойкости деформированных образцов. Таким образом, применение ИПД позволяет повысить прочность и износостойкость образцов бронзы системы Cu-Al-Si-Mn.
© Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Тарасов С.Ю., Семенчук Н.В., 2025 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Изготовление, описание и оценка эффективности материала на основе нанографита, легированного оксидом цинка, в качестве датчика влажности
Введение. Современный рост требований к технологиям мониторинга окружающей среды в режиме реального времени обусловливает необходимость создания высокоэффективных датчиков влажности с коротким временем отклика, высокой чувствительностью и длительной стабильностью работы. Оксид цинка (ZnO) является одним из наиболее перспективных полупроводниковых оксидов благодаря своей химической стабильности, доступности и чувствительности к изменению влажности. Однако для повышения рабочих характеристик ZnO требуется целенаправленная модификация его структурных и электронных свойств. В данном исследовании рассматривается легирование наночастиц ZnO нанографитовым материалом (NGM) с целью улучшения чувствительности и кинетики адсорбционно-десорбционных процессов. Предмет и цель работы. Основной целью работы является разработка ёмкостных датчиков влажности на основе нанокомпозита ZnO-NGM с улучшенными параметрами времени отклика и восстановления, а также с повышенной чувствительностью. Для этого предполагается модифицировать электронные и поверхностные свойства ZnO путём его легирования нанографитовым материалом, что должно способствовать улучшению сенсорных характеристик. Методы исследования. Нанокомпозиты ZnO-NGM с различным массовым содержанием NGM (1, 2, 4, 5 и 10 %) были синтезированы методом химического осаждения. Оптические свойства образцов чистого ZnO изучались с помощью оптической спектроскопии (UV-visible spectroscopy), которая выявила резкий край поглощения при 367 нм, соответствующий ширине запрещённой зоны около 3,3 эВ. Структурные и морфологические характеристики композитов анализировались методами рентгеновской дифракции (XRD) и сканирующей электронной микроскопии (SEM), подтвердившими успешную интеграцию NGM в матрицу ZnO и увеличение пористости поверхности. Для изготовления сенсорных элементов на стеклянные подложки с покрытием из фтор-легированного оксида олова (FTO) ножевым устройством наносились композитные пленки. Сенсорные характеристики измерялись в камере с контролируемой атмосферой азота при относительной влажности (RH) от 10 до 95 % в диапазоне частот от 10 кГц до 1 МГц. Результаты и обсуждение. Датчик на основе ZnO, легированного 4 % NGM, продемонстрировал оптимальные параметры: время отклика составило 4,0 с, время восстановления – 6,2 с, а чувствительность превзошла показатели остальных исследованных составов. Улучшение функциональных характеристик связано с увеличением удельной поверхностной электропроводности и ускорением кинетики адсорбционно-десорбционных процессов, обусловленных присутствием нанографита, который способствует формированию более пористой и активной поверхности. Разработанные ёмкостные датчики влажности обладают высоким потенциалом для интеграции в современные системы мониторинга окружающей среды в реальном времени, а также в промышленные процессы автоматизации и интеллектуальные системы управления влажностью в бытовых условиях. Введение нанографита в структуру ZnO существенно улучшает сенсорные характеристики датчиков влажности. Нанокомпозит ZnO-NGM с содержанием 4 % нанографита проявляет наилучшие эксплуатационные свойства и является перспективным материалом для создания высокоэффективных датчиков влажности нового поколения.
© Вахеед Ф., Каюм А., Ширази М.Ф., 2025 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Особенности строения градиентных слоев «сталь – Inconel – сталь», полученных методом прямого лазерного выращивания
Введение. Традиционно наиболее распространенной технологией получения деталей из никелевых сплавов является литье с последующей термической обработкой для формирования необходимого фазового состава. Существенными недостатками материала в данном случае считаются сегрегация химических элементов, наличие крупных нежелательных включений фазы Лавеса и эвтектик, а также неравномерное распределение упрочняющих фаз по сечению заготовки. При этом многие сложнопрофильные детали собираются в единую комбинированную конструкцию с использованием сварки. Анализ особенностей упрочнения никелевых сплавов и изделий, которые изготавливают из них, показывает, что перспективным способом формирования таких заготовок являются аддитивные технологии. Структура и фазовый состав объемов материала, формируемых послойным нанесением, будет существенно отличаться от материалов, получаемых традиционными способами. В случае получения комбинированных конструкций аддитивными способами выявление закономерностей формирования структуры и фазового состава материалов становится еще более сложной задачей. Поэтому цель данной работы заключается в выявлении особенностей строения градиентных слоев «сталь – никелевый сплав – сталь», полученных методом прямого лазерного выращивания. В работе исследованы разнородные соединения, изготовленные с использованием установки «Наплавочно-сварочный комплекс на базе многокоординатной руки и волоконного лазера» в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН и c реализацией технологии прямого лазерного выращивания. Методы исследования. Для структурных исследований полученных слоев применялись световой микроскоп Carl Zeiss A1Z и растровый электронный микроскоп Carl Zeiss EVO 50 XVP с энергодисперсионной приставкой INCA X-Act. Фазовый состав образцов определяли на рентгеновском дифрактометре ARL X’;TRA. Дюрометрические испытания проводили на твердомере по Виккерсу Wolpert Group 402 MVD. Результаты и обсуждение. Установлено, что максимальная высота массивов (до 7 мм) формируется при реализации режимов 1000 Вт, скорость сканирования 35 мм/с; 1500 Вт, скорость сканирования 15 мм/с; при этом в первом случае происходит минимальное перемешивание материалов на границе сплавления. Во всех композициях присутствуют дефекты в виде не расплавившихся частиц порошка, а также трещины в первых слоях стали. При наплавке Inconel 625 на сталь 316L в переходной зоне, где по химическому составу образуются сплавы на основе железа, последовательно реализуются режимы затвердевания FA (феррит – аустенит), AF (аустенит – феррит) и A (аустенит). При наплавке стали 316L на Inconel 625 в переходной зоне реализуется режим затвердевания с образованием только фазы аустенита. Уровень микротвердости для стали 316L составляет 230 ±15 HV, для Inconel 625 он равен 298 ± 20 HV.
© Долгова С.В., Маликов А.Г., Голышев А.А., Никулина А.А., 2025 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Влияние гранулометрии порошка карбида вольфрама на характеристики металлокерамических покрытий WC/Fe-Ni-Al
Введение. Гранулометрия исходных порошков оказывает значительное влияние на твердость и прочность компактных металлокерамических материалов из карбида вольфрама (WC), однако это не исследовано при приготовлении покрытий WC/Fe-Ni-Al. Цель работы. Исследовать влияние гранулометрии исходного порошка WC, вводимого в нелокализованный электрод, на кинетику массопереноса, химический состав, структуру поперечных сечений покрытий WC/Fe-Ni-Al, их коррозионные и трибологические свойства. Методы. Осаждение покрытий WC/Fe-Ni-Al на сталь 45 проводилось методом электроискрового легирования с применением нелокализованного электрода, который состоял из железных гранул (Ø = 4 мм), порошков Ni и Al, а также порошков карбида вольфрама с различным размером зерен. По данным рентгенофазового анализа в составе приготовленных покрытий обнаруживаются карбид вольфрама, субкарбид вольфрама (W2C), интерметаллид Al86Fe14, ферроникель (FeNi) и ОЦК-фазы AlNi, AlFe. Результаты и обсуждение. Определено, что при повышении размера фракции порошка WC в электроде состав матрицы покрытий обогащался алюминием, тогда как концентрация железа снижалась с 60 до 30 ат. %. Показано, что наиболее низкие значения твердости, износостойкости и жаростойкости наблюдались для образца, полученного с использованием нанопорошка карбида вольфрама. Установлено, что микротвердость осажденных слоев находилась в диапазоне от 4,39 до 9,16 ГПа. Определено, что жаростойкость образцов с покрытиями при температуре 700 °С монотонно возрастала с ростом размера фракции порошка карбида вольфрама. В работе установлено, что применение порошка карбида вольфрама с размером фракций от 20 до 40 мкм обеспечивает наилучшие показатели твердости, износостойкости и жаростойкости покрытий WC/Fe-Ni-Al при температуре 700 °С. Показано, что такие покрытия позволяют повысить жаростойкость стали 45 в 11,6 раза, а износостойкость в 44–80 раз, что открывает перспективы их применения в высокоинтенсивных приложениях.
© Бурков А.А., Дворник М.И., Кулик М.А., Быцура А.Ю., 2025 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0
Исследование механических свойств нанокомпозитов на основе сплава Al7075-T6, полученных методом механического замешивания частиц в расплав, с микроструктурным и фрактографическим анализом поверхности
Введение. Металломатричные композиты (ММК) на основе алюминия в последние годы вызывают повышенный интерес в связи с улучшенными механическими свойствами, что открывает широкие перспективы для их применения в различных отраслях промышленности. В то время как существуют различные способы введения упрочняющих компонентов в металлическую матрицу, метод механического замешивания частиц в расплав (stir casting) является относительно простым и эффективным способом, обеспечивающим более равномерное распределение упрочняющих частиц по объему матрицы. Цель данной работы: изучение влияния комбинированного упрочнения наночастицами графена и карбида кремния (SiC) на механические свойства сплава Al7075-T6. Известно, что введение частиц SiC в сплавы серии 7XXX приводит к повышению усталостной прочности. Ранее также было исследовано влияние частиц SiC на механические свойства композитов на основе сплава A356, включая показатели удлинения, прочности при сжатии, прочности при растяжении и твёрдости. Однако влияние комбинированного упрочнения, в частности введение комбинации графена и частиц SiC, на механические свойства сплава Al7075-T6 остается недостаточно изученным, что и определяет актуальность данного исследования. Методы. Учитывая широкую область применения алюминиевых матричных композитов (АМК) в автомобильной и аэрокосмической промышленности, в настоящем исследовании анализируется влияние различных соотношений наночастиц SiC и графена на твёрдость и предел прочности при растяжении нанокомпозитов, полученных методом механического замешивания частиц в расплав на основе алюминиевого сплава Al7075-T6. Дополнительно был выполнен анализ микроструктуры и поверхностей излома композитов с использованием сканирующей электронной микроскопии – энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Основными задачами исследования являются разработка легких высокопрочных комбинированных металломатричных нанокомпозитных материалов и оценка возможности введения наночастиц графена и SiC в матрицу сплава Al7075. Особое внимание уделено анализу взаимосвязи между составом, микроструктурой и механическими свойствами полученных комбинированных материалов. Результаты и обсуждение. В ходе исследования было установлено, что применение механического замешивания частиц в расплав способствует улучшению смачиваемости, когезии и прочности сцепления между упрочняющими компонентами и матрицей, а также снижению пористости. По сравнению с композитами, полученными без замешивания, нанокомпозиты, полученные методом механического замешивания частиц в расплав, продемонстрировали повышенные показатели прочности и вязкости, что связано с изменением микроструктуры. Результаты исследования свидетельствуют, что оптимизация параметров механического замешивания частиц в расплав позволяет существенно влиять на механические свойства и морфологию поверхности нанокомпозитов на основе Al7075. Анализ результатов показал, что использование комбинированного упрочнения наночастицами значительно повышает как твёрдость, так и предел прочности при растяжении сплава Al7075-T6. Отмечена четкая корреляция между соотношением наночастиц SiC и графена и механическими свойствами полученных образцов. В частности, образец Al7075, упрочненный 0,5 масс. % графена и 3 масс. % наночастиц SiC, продемонстрировал наилучшие показатели твёрдости и прочности при растяжении по сравнению с неупрочненным сплавом Al7075 и другими исследованными комбинациями SiC и графена. При содержании графена 0,5 масс. % и содержании SiC 1–3 масс. % нанокомпозиты на основе Al7075 характеризовались хорошо сформированной зернистой структурой с четкими и непрерывными границами зерен. Образование мелкодисперсных наночастиц размером от 62,57 до 91,54 нм способствовало эффективной передаче нагрузки, измельчению зерен и препятствовало движению дислокаций, что, в свою очередь, привело к улучшению механических характеристик. Нанокомпозит на основе Al7075 с оптимальным составом показал высокие механические свойства, а поверхность излома образцов была плотной, с однородными микропорами и минимальным количеством вырванных частиц. Такое поведение связано с пластическим характером разрушения, обусловленным прочной связью между матрицей и упрочняющими компонентами, а также эффективной передачей нагрузки.
© Патил С., Чинчаникар С., 2025 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0