Представлены статьи, посвященные изучению структуры и свойства конструкционных и специальных сталей, а также сплавов титана. Рассмотрены вопросы упрочнения и разрушения сталей и сплавов, влияние на их свойства химического состава, фазовых превращений, термической и термомеханической обработок. Сборник предназначен для научных работников и инженеров-металлофизиков и термистов, а также студентов и аспирантов, специализирующихся в области термической обработки и физики металлов.

The paper considers algorithms of automatic identification of vortex structures arising in a deformed solid. The initial vector fields characterizing the deformation of a solid are obtained by the digital image correlation method. Circulation and a functional related to vector and radius vector orthogonality are proposed for use as vortex identification criteria. The application of these criteria is considered on the example of model vector fields with rotational and irrotational vortices. The operation of the algorithms is exemplified by displacement fields for material flow in a silicon-manganese steel weld. The role of finite sizes of a sliding window is demonstrated. Additional criteria to assist vortex structure identification are proposed.

Работа посвящена физическим основам проблемы хладноломкости конструкционных сталей с ОЦК-решеткой и методам снижения температуры вязкохрупкого разрушения. Проведено комплексное исследование деградации структурно-фазового состояния трубной стали 09Г2С магистрального газопровода Якутии после длительной (более 30 лет) эксплуатации. Выявлены важные закономерности разрушения перлитных колоний с выделением карбидов на границах зерен феррита. С этим связано хрупкое разрушение газопроводов. Показано, что низкотемпературные кинетические процессы в магистральных трубопроводах, обусловливающие деградацию их структуры и свойств, связаны с межузельными атермическими структурными состояниями в зонах локальной кривизны кристаллической решетки. Это принципиально новый механизм, который ранее не был известен. Теплая прокатка трубных сталей создает в них продольную текстурированную полосовую структуру, в которой чередуются полосы исходных ферритных зерен и полосы мелких зерен с карбидными выделениями, возникающими при деградации пластинчатого перлита. Такая структура позволяет сместить температуру вязкохрупкого перехода до -80 °С и обеспечить при этой температуре пластичность дельта = 22 %. Создание в поверхностных слоях трубной стали наноструктурированной вихревой структуры с развитой кривизной повышает их усталостную долговечность в 3.5 раза.??.

The paper studies the localization of plastic deformation and fracture in a material with a porous coating. A dynamic boundary value problem in the plane strain formulation is solved. The numerical simulation is performed by the finite difference method. The composite structure corresponds to the experimentally observed one and is specified explicitly in the calculation. A generation procedure of the initial finite-difference grid is developed to describe the coating structure with adjustable porosity and geometry of the substrate-coating interface. Constitutive equations for the steel substrate include an elastic-plastic model of an isotropically hardening material. The ceramic coating is described by a brittle fracture model on the basis of the Huber criterion which accounts for crack nucleation in triaxial tension zones. It is shown that the specific character of deformation and fracture of the studied composite results from the presence of local tensile regions in the vicinity of pores and along the coating-substrate interface, in both tension and compression of the coated material. The interrelation between inhomogeneous plastic flow in the steel substrate and crack propagation in the coating is studied.

The paper considers the physics of cold brittleness of structural bcc steels and methods of reducing the ductile-brittle fracture temperature. A complex study was performed to examine the degradation of structural phase state of pipe steel 09Mn2Si from the main gas pipeline of Yakutia after long-term (over 30 years) operation. Important regularities of degradation of pearlite colonies with carbide precipitation on ferrite grain boundaries were revealed. This phenomenon is associated with brittle fracture of gas pipelines. It is shown that the low-temperature kinetic processes in main pipelines which define the degradation of their structure and properties are related to interstitial athermal structural states in the zones of local crystal structure curvature. This is a fundamentally new, as yet unknown, mechanism. Pipe steels in warm rolling acquire a longitudinal textured band structure with alternating bands of initial ferrite grains and bands of fine grains with carbide precipitates formed during lamellar pearlite degradation. This type of structure allows for a shift of ductile-brittle transition temperature down to -80C and ductility сигма = 22% at this temperature. The production of high-curvature vortex structure in pipe steel surface layers results in a 3.5-fold increase in their service life.

Рассмотрены методы оценки адгезионной прочности, изучена морфология поверхности, проведен послойный элементный анализ в приповерхностном объеме никелида титана с покрытиями из молибдена и тантала различной толщины. Показано, что механическая и адгезионная прочность покрытий зависит от его толщины, а также от химического состава пленки и подложки.

Выполнено исследование влияния дорекристаллизационных отжигов на микроструктуру и механические характеристики наноструктурного титана, полученного методом многократного одноосного прессования и последующей прокатки. Показано, что сформированная микроструктура обеспечивает высокие механические характеристики наноструктурного титана (предел прочности при растяжении составил 1160 МПа, предел текучести — 1100 МПа), соответствующие титановым высокопрочным сплавам. Отжиг при 250 °С не меняет наноструктурное состояние титана и его прочностные характеристики и увеличивает пластичность до 6 % при растяжении.

В работе рассмотрено влияние анизотропии упругих и прочностных характеристик материала преграды на результаты численного моделирования ударного нагружения стальным деформируемым ударником. Расчеты выполнены методом конечных элементов в трехмерной постановке. Проведено сравнение результатов расчетов деформирования и разрушения ортотропных материалов и изотропного материала с изотропными свойствами при различных скоростях ударного нагружения. Показано, что усреднение упругих и прочностных свойств анизотропного композиционного материала приводит к уменьшению объема разрушенного материала при растяжении и сжатии по сравнению с объемами разрушения при учете анизотропных свойств.

Изучены структура, фазовый состав и износостойкость аустенитных покрытий с карбидным упрочнением. Установлено, что в процессе наплавки и старения в объеме упрочненного слоя формируется однородная дисперсно-упрочненная структура с мультимодальным распределением частиц упрочняющей фазы по размерам, позволяющая увеличить микротвердость и износостойкость покрытия в 1,5-2 раза.

В работе на основе метода подвижных клеточных автоматов проведено изучение влияния конструкционных изменений эндопротеза тазобедренного сустава человека на деформационные и прочностные свойства, а также динамику генерации и развития повреждений в системе «сустав – эндопротез – бедренная кость». Структура протеза модифицировалась введением в шейку демпфирующих включений и нанесением покрытия на ножку имплантата. Рассматривался материал включения с различными диссипативными характеристиками. Показано, что наличие таких включений практически не изменяет прочность системы, но при этом ведет к заметному увеличению предельной деформации структуры «кость – протез», а также оказывает влияние на динамику зарождения и развития повреждений в костной ткани.??.

Исследована коррозионная стойкость композиционных оксид-фторопластовых покрытий в условиях химической коррозии во фторсодержащих средах. Показано, что фторопластовые покрытия, нанесенные на керамический подслой, обладают высокой адгезионной прочностью химико-термического взаимодействия. Установлено, что полученные фторопластовые покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью во фторсодержащих средах.

Представлены результаты исследования микроструктуры и механических характеристик ультрамелкозернистого титана ВТ1-0, полученного комбинированным методом многократного одноосного прессования (abc-прессования) и последующей прокатки при различных технологических режимах. Формирующаяся ультрамелкозернистая структура с характерным размером элементов 0.1-0.25 мкм обеспечивает максимальные прочностные характеристики титана, сопоставимые с характеристиками титановых сплавов. Технически чистый титан ВТ1-0 с объемно ультрамелкозернистой структурой может служить эффективной заменой титановых сплавов медицинского назначения как ВТ6, ВТ16.

Методом просвечивающей электронной микроскопии проведено исследование особенностей структурных состояний, формирующихся в сплава V-4%Ti-4%Cr в зависимости от режимов его термомеханической обработки с применением метода многократного всестороннего прессования. Показано, что использование этого метода позволяет модифицировать гетерофазную и зеренную (субзеренную) структуру сплава и существенно повысить характеристики его прочности и пластичности.

В работе представлены результаты исследования микроструктуры, механических свойств и фазового состава низкоуглеродистой стали 10Г2ФТ (Fe-1,12Mn-0,08V-0,07Ti-0,1C) до и после равноканального углового прессования. Установлено, что равноканальное угловое прессование стали 10Г2ФТ в двух исходных состояниях: феррито-перлитном и мартенситном, приводит к формированию преимущественно субмикрокристаллической структуры со средним размером структурных элементов 0,3 мкм, вызывает рост прочностных свойств и частичное растворение карбидов.

Рассмотрена принципиальная возможность использования метода микродугового оксидирования для получения кальций-фосфатных покрытий на поверхности циркониевого сплава. Выполнено сравнение технологических параметров режимов формирования покрытий. Приведены результаты исследования морфологии полученных покрытий, их механических свойств (адгезионная прочность покрытия к подложке, шероховатость) и элементного состава.

В результате исследований выявлен ряд закономерностей, связанных с толщиной покрытия и формированием промежуточных слоев, содержащих атомы примесных элементов - С и О; влияние сорта имплантируемых ионов на топографию поверхности, на механизмы разрушения и критические значения параметров адгезионной прочности системы "покрытие/подложка".

Установлены температурно-деформационные режимы теплой прокатки в ручьевых валках, обеспечивающие получение титана с субмикрокристаллической структурой. Определены режимы отжига полученного субмикрокристаллического титана, приводящие к уменьшению внутренних напряжений и повышению пластичности с сохранением субмикрокристаллической структуры высокой прочности. Приведены данные о микроструктуре, деформационном поведении, упругопластических свойствах и типе разрушения прутков с субмикрокристаллической структурой.

Исследованы температурные зависимости прочности, пластичности и механизма разрушения интерметаллических соединений Ni-24 ат.% Al и Ni-24 ат.% Al +0,1 вес.% В, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из порошковых смесей чистых элементов в режиме теплового взрыва под давлением. Проведен анализ влияния когезивной прочности границ зерен интерметаллида на температурную зависимость его прочности.

В настоящий тематический сборник включены статьи по проблемам наплавки, напыления, припекания защитных порошковых покрытий, спекания металлических порошков, прочности и теплофизики порошковых покрытий. Включены вопросы модельных представлений и экономики применительно к порошковым покрытиям, а также вопросы геометрии их поверхностей. Материалы сборника могут быть полезными для инженеров и научных работников в области сварочных процессов, процессов нанесения защитных износостойких покрытий, аспирантов и студентов технических вузов, физических и механико-математических специальностей университетов и педвузов.

В сборнике содержатся результаты экспериментальных исследований и численного моделирования ряда прикладных задач высокоскоростных соударений ударников с различными преградами. для условий взаимодействия ударников с мягкими преградами типа грунта и воды значительное внимание уделено вопросам определения сил, действующих на ударники в нестационарной стадии процесса, развитию лабораторных методики определения динамических характеристик грунтов. В задачах воздействий ударников на жесткие металлические преграды представлены результаты определения параметров динамики деформирования и разрушения преград и ударников, влияния на них прочностных свойств материалов. В большинстве работ сборника сочетаются расчетные и опытные данные. Сборник может быть полезен для инженеров, научно-технических работников и студентов, изучающих вопросы высокоскоростных соударений твердых тел, динамики и прочности конструкций.

Межкафедральный сборник статей содержит результаты научно-исследовательских работ, выполненных сотрудниками четырех факультетов ЛПИ при участии работников промышленности за несколько лет и посвященных различным аспектам решения комплексной проблемы создания прогрессивных конструкций различного назначения и разработки наиболее эффективных технологических процессов их производства с использованием высококачественных сварочных материалов и нового оборудования. Предлагаемые в сборнике статьи предназначены для инженерно-технических работников проектных и производственных организаций, а также для научных работников сварочного производства. Эти материалы могут быть полезны студентам старших курсов сварочной специальности. Рекомендован к изданию головным советом "Металлургия".

Представлены результаты комплексного исследования особенностей микроструктуры и закономерностей упрочнения меди после механической активации в планетарных шаровых мельницах, кручения под давлением и комбинированной обработки, включающей механическую активацию и последующую консолидацию кручением под давлением на наковальнях Бриджмена. Обсуждаются основные структурные факторы, определяющие закономерности упрочнения в зависимости от способа и степени деформации.

Работа посвящена теоретическому исследованию влияния геометрических (ширина) и механических характеристик межфазных границ на прочность, величину предельной деформации и работу разрушения металлокерамических композиционных материалов. Исследование проведено путем компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов с использованием развитой «мезоскопической» структурной модели композита, явным образом учитывающей наличие широких переходных зон «армирующие включения - матрица». Показано, что формирование в материале относительно широких межфазных границ, характеризующихся плавным изменением механических свойств материала при переходе от керамических включений к связующему, позволяет существенно повысить механические характеристики композита. При этом большое значение имеет не только ширина, но и величина градиента изменения механических свойств в переходной зоне. Так, наличие в межфазных областях дефектов и включений наноскопического и атомарного масштабных уровней может приводить к росту внутренних напряжений в интерфейсных зонах, формированию в них резкого градиента механических свойств и, как следствие, снижению деформационных характеристик и работы разрушения композита.

Работа посвящена теоретическому исследованию влияния ряда параметров напряженного состояния фрагментов залеченных разломных зон на особенности их механического отклика при сдвиговом деформировании в условиях неравноосного сжатия. Исследование проводилось на основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов. В качестве основного параметра напряженного состояния среды в работе использован безразмерный параметр - степень неравноосности сжатия, характеризующий отношение бокового и нормального напряжений в плоскости деформирования. Основной целью работы являлся анализ зависимостей сдвиговой прочности, величины предельной сдвиговой деформации и изменения объема фрагмента среды (дилатансии) от степени неравноосности сжатия на начальной стадии активизации фрагмента разломной зоны. Показано, что важным фактором, влияющим на условия, при которых происходит активизация залеченной разломной зоны, является степень неравноосности сжатия среды. При этом величина сдвиговых напряжений, действующих во фрагменте среды, а также соответствующие ей уровни предельной сдвиговой деформации и дилатансии, при которых возможна активизация разломной зоны, существенно зависят от динамики изменения и соотношения локальных значений некоторых инвариантов тензора напряжений. Среди них можно выделить такие характеристики напряженного состояния, как давление и интенсивность напряжений. Это связано с тем, что данные параметры определяют возможность функционирования в геологической среде одного из ключевых деформационных механизмов, который связан с формированием и эволюцией повреждений на границах раздела структурных элементов в блочной среде. В частности, снижение во фрагменте среды уровня давления при относительно низких уровнях интенсивности напряжений может приводить к увеличению его предельной сдвиговой деформации и дилатансии в момент начала активизации разломной зоны. В то же время значительное увеличение интенсивности напряжений при одновременном снижении давления может приводить к значительному снижению сдвиговой прочности геосреды.

Численно моделируется взаимодействие стального цилиндрического ударника с элементом ракетного двигателя на твердом топливе (РДТТ). Материал оболочки РДТТ — ортотропный органопластик, жестко скрепленный с твердым топливом. Исследуется влияние геометрических и кинематических параметров ударника и ориентации упругих и прочностных свойств оболочки на параметры волны сжатия, выходящей на твердое топливо. Рассмотрен диапазон скоростей взаимодействия от 400 до 1000 м/с. Задача решается численно, методом конечных элементов в трехмерной постановке. Поведение материала ударника описывается упругопластической моделью, поведение анизотропного материала оболочки описывается в рамках упругохрупкой модели, топливо моделируется упругой средой.

Изучены закономерности деформационного поведения ультрамелкозернистого алюминиевого сплава, полученного интенсивной пластической деформацией. Показано, что в сравнении с ультрамелкозернистым алюминием выделяющиеся в объеме и на границах зерен сплава частицы вторичных фаз препятствуют развитию зернограничного проскальзывания и локализации пластической деформации. Это приводит к увеличению протяженности стадии деформационного упрочнения и соответствующему повышению величины равномерного удлинения в гетерофазном алюминиевом сплаве по сравнению с чистым алюминием.

The paper reports on theoretical study to elucidate the influence of geometric (width) and mechanical characteristics of phase interfaces on strength, ultimate strain, and fracture energy of metal ceramic composites. The study was performed by computer simulation with the movable cellular automaton method and a well-developed mesoscale structural composite model that takes explicit account of wide transition zones between reinforcing inclusions and the matrix. It is shown that the formation of relatively wide “ceramic inclusions-binder” interfaces with gradual variation in mechanical properties allows a considerable increase in the mechanical properties of the composite. Of great significance is not only the interface width but also the gradient of mechanical properties in the transition zone. The presence of defects and inclusions of nano- and atomic scales in interface regions can increase internal stresses in these regions, induce a steep gradient of mechanical properties in them, and hence decrease strain characteristics and fracture energy of the composite.

Проведены исследования микроструктуры и фазового состава титанового сплава ВТ1-0, имплантированного ионами алюминия, на зернах двух типов: 1.4 и 0.4 мкм. Установлено, что в результате облучения образуется ионно-легированный слой, на основе зерен альфа-Ti. Размеры, форма и места локализации вторичных фаз (Ti3Al, Аl3Ti и ТiО2) зависят от размера зерна титановой матрицы. Рассчитана величина дисперсионного упрочнения.??.

Представлены токовые зависимости электропроводности и интенсивности изнашивания электроконтакта сталь/сталь 45 в условиях скольжения без смазки при плотности тока более 100 А/см2. Установлено, что увеличение содержания легирующих элементов или упрочняющих фаз в первичной структуре стали приводит к низкой прочности поверхностного слоя, что проявляется в высокой интенсивности изнашивания контакта и в катастрофическом изнашивании при низкой плотности тока.

Методами электронной микроскопии и дифракции обратно рассеянных электронов проведены исследования влияния отжигов и небольших деформаций (до 20 %) на структуру и спектр разориентировок границ зерен субмикрокристаллического никеля. Установлено, что увеличение доли большеугловых границ зерен в зернограничном ансамбле субмикрокристаллического никеля в процессе отжигов происходит в основном за счет образования двойников отжига. Показана зависимость эволюции структуры и спектра разориентировок границ зерен никеля в процессе деформации от механизма деформации. В условиях ползучести развитие зернограничного проскальзывания способствует сохранению субмикрокристаллической структуры и увеличению доли большеугловых границ зерен в зернограничном ансамбле никеля.

Проведены структурные исследования и испытания на изгиб порошковых композитов, полученных горячим уплотнением механических смесей из элементарных порошков алюминия, титана и кремния. Определены режимы термосиловой обработки, при которых сохраняется исходный фазовый состав механической смеси и достигаются максимальная прочность и пластичность композитов. Определено, что прочность и пластичность композитов определяются алюминиевой матрицей, формирующейся при сваривании смежных порошковых частиц.

In the paper, we use the nonlinear multiscale approach of physical mesomechanics to demonstrate that the scales of local crystal structure curvature in solids play a fundamental role in the generation of strain-induced defects and cracks. It is shown that strain-induced defects arise at the interfaces of 2D planar and 3D crystal subsystems by the mechanism of “laser pumping” and cracks nucleate as structural phase decay in the zones of crystal structure curvature where the nonequilibrium thermodynamic potential or so-called Gibbs energy is higher than zero. Nonlinear fracture mechanics eliminates the problem of singularity Mr in equations of crack growth but requires accounting for local lattice curvature at the crack tip.

Исследовано поведение при деформации сжатием и сдвигом пористых, 10-70 %, образцов из оксида алюминия и диоксида циркония. Анализ кривых «напряжение - деформация» показал, что имеет место переход от типично хрупкого разрушения для относительно плотных образцов обоих составов до псевдопластичного при высоком уровне пористости. Значения предела прочности при сжатии, эффективных модулей упругости и сдвига, а также коэффициента Пуассона уменьшаются с увеличением объёма порового пространства керамических образцов, что коррелирует с появлением в них множественного растрескивания, формирующегося в ходе деформации.

Методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии исследованы закономерности разрушения покрытий SiAIN на подложках Cu при одноосном растяжении. Показано, что скалывание покрытий происходит в зонах локальной кривизны границы раздела «SiAIN - Cu», образующихся в результате скольжения дислокаций в подложке. Предварительная ионная бомбардировка подложки позволяет подавить выход дислокаций на границу раздела «покрытие - подложка», а также повысить адгезионную прочность покрытий и предотвратить их краевое отслоение. В то же время возникающая в результате ионной бомбардировки волнистая граница раздела «покрытие - подложка» приводит к появлению нормальных к ней напряжений, которые обусловливают коробление и скалывание покрытий в областях положительной локальной кривизны границы раздела.

Методом рентгеноструктурного анализа исследована структура интерметаллида TiNi подвергнутого поверхностной электронно-лучевой модификации. выявлено 3, дифференцированных по микрокристаллической структуре слоя: внешний остротекстурированный слой толщиной 1:3 мкм с текстурой в направлении [100]В2 и уменьшенным на 1% параметром периодичности решетки в направлении нормали к поверхности, промежуточный градиентно-напряженный слой толщиной 10:15 мкм с текстурой исходно слитка и неизмененный материал. Поверхностный слой, как и промежуточный, находится в растянутом вдоль поверхности и сжатом нормально поверхности состоянии. Это искажение решетки максимально в поверхностном слое и убывает вглубь материала.