Статья: АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ СКВАЖИНАМИ ГИДРОРАЗРЫВА НА ФОРМИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ СЕТИ ТРЕЩИН В ТРУДНООБРУШАЕМОЙ КРОВЛЕ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ (2025)

Исследование распространения волн в сложных структурах, состоящих из различных материалов и имеющих разные условия на границе раздела, представляет большую важность во многих областях, таких как геофизика, неразрушающий контроль и сенсорные технологии. Горизонтально поляризованные сдвиговые волны распространяются в направлении нормали к поверхности среды. Поведение волн зависит от свойств материала, характера сцепления слоев и граничных условий. Для внутренних областей Земли характерна неоднородность, наличие напряжений и неидеального сцепления между слоями. В связи с этим настоящее исследование посвящено детальному изучению распространения нормальных горизонтально поляризованных поперечных волн в структуре сложной геометрии, состоящей из неоднородного слоя, лежащего на предварительно напряженном основании. Поскольку достичь идеального контакта между материалами с различными свойствами практически невозможно, сцепление между слоем и подложкой считается неидеальным. Для моделирования неидеальной границы раздела задавали различные условия, среди которых дислокационные, силовые и пружинные. Помимо условий на границе раздела вводили граничные условия на свободной поверхности слоя (свободная или жестко закрепленная граница). Для каждого сценария получены аналитические дисперсионные соотношения. Влияние различных параметров, таких как неоднородность, начальное напряжение, толщина слоя, дефекты и коэффициенты скачков, на распространение нормальных горизонтально поляризованных волн представлено в графическом виде.

Рассмотрены феноменология и природа двухуровневого (основы и вторых фаз) наноструктурирования при выполнении термомеханической обработки сложнолегированных алюминиевых сплавов, реализующей их холодную интенсивную пластическую деформацию. Обоснована важность учета и применения принципа оптимизации гетерогенности структуры, регламентирующего параметры вторых фаз сплавов, с целью контроля наноструктурирования их матрицы. Сформулирован ряд положений, которые могут послужить основой разработки критериев указанного принципа для термомеханической обработки с интенсивной пластической деформацией, обеспечивающих улучшенный комплекс свойств сплава через эффективный контроль наноструктурирования матрицы. Предложен новый подход к классификации наноструктурированных сплавов.

Проведено исследование влияния малоцикловой усталости при повышенных температурах на микроструктуру новой 10% Cr стали с низким содержанием азота и высоким содержанием бора, дополнительно легированной кобальтом, вольфрамом, молибденом и рением. После термической обработки реечная структура троостита отпуска с высокой плотностью дислокаций как внутри реечного пространства, так и в границах мартенситных реек стабилизирована частицами зернограничных карбидов М23С6 и М6С, а также карбонитридами NbX, равномерно распределенными в объеме матрицы. Средняя ширина мартенситных реек составляла 380 нм, а плотность свободных дислокаций внутри реечного пространства - 1.4 ∙ 1014 м-2. При малоцикловой усталости с увеличением амплитуды деформации от 0.2 до 1 % количество циклов до разрушения снижается на ~2 порядка, при этом вклад пластической составляющей деформации существенно увеличивается. Максимальное разупрочнение (24 %) наблюдается при температуре 650 °С и амплитуде деформации 0.6 % в середине количества циклов нагружения. После испытаний на малоцикловую усталость в структуре исследуемой стали обнаружены мелкие рекристаллизованные зерна, свободные от искажений решетки. Более того, реечная структура стали начинает трансформироваться в субзеренную структуру, при этом ширина реек и размер субзерен зависят от амплитуды деформации. Плотность свободных дислокаций практически не меняется с увеличением амплитуды деформации по сравнению с исходным состоянием, при этом плотность дислокаций в границах мартенситных реек существенно снижается с увеличением амплитуды деформации за счет снижения протяженности границ мартенситных реек. Фрактография изломов показала, что при обеих повышенных температурах испытания на малоцикловую усталость оксидные частицы выступают в качестве источников зарождения трещин.

Биосовместимые магниевые сплавы являются перспективными для применения в качестве материалов для изготовления биорезорбируемых имплантатов. Данная работа посвящена определению рациональных режимов равноканального углового прессования (РКУП) сплава Mg-8.6Zn-1.2Zr с целью формирования структурного состояния, обеспечивающего высокие характеристики прочности и коррозионной стойкости. Установлено, что один проход РКУП при температуре 400 °С позволяет достичь заметного прироста предела прочности (до 330 МПа), однако при этом ухудшается коррозионная стойкость. Анализ вкладов в предел текучести показал, что даже при высокой температуре 400 °С вклад от дислокационного упрочнения соизмерим с вкладом от измельчения зеренной структуры. Иммерсионные испытания свидетельствуют о том, что после первого прохода РКУП при 400 °С скорость коррозии в растворе Рингера достигает 9 мм/год. Было предложено провести дополнительно второй проход РКУП со снижением температуры до 250 °С, что в результате позволило сохранить предел прочности на уровне 325 МПа и поднять коррозионную стойкость до уровня, соответствующего исходному отожженному состоянию, с величиной скорости коррозии 6 мм/год. EBSD-исследования позволяют связать такое поведение с увеличением в структуре количества специальных границ типа Σ13a, Σ15b, Σ17a после второго прохода цикла РКУП.

В ряде случаев полимерные композитные материалы могут демонстрировать существенно нелинейный характер деформирования. В данной работе была исследована эффективность применения двух относительно простых моделей, учитывающих нелинейный характер деформирования тканевого композита с термореактивной матрицей. В обоих случаях было принято предположение о независимости кривой сдвига от вида напряженного состояния, а также определены границы применимости соответствующего допущения. Представлен простой алгоритм калибровки моделей, не требующий данных о поведении композитов при двухосном нагружении, который позволяет идентифицировать параметры моделей на основе стандартных испытаний на растяжение и сдвиг. Обе модели деформирования были реализованы в конечно-элементном пакете ANSYS Workbench для детального анализа напряженно-деформированного состояния полимерных композитных материалов при комбинированном нагружении. Верификацию моделей деформирования проводили по результатам испытаний образцов композита c тканевым армированием, вырезанных под различными углами к направлению основы, а также образцов композита с симметричной укладкой ±φ. Было установлено, что предложенные модели деформирования могут предсказывать нелинейный механический отклик тканевых композитов с термореактивной матрицей в условиях комбинированного нагружения с приемлемой точностью при деформациях сдвига до 5 %.

Упругие свойства ряда бинарных сплавов титана Ti-Ме (Ме = V, Nb, Mo, Ta) c объемно-центрированной структурой расчетов с использованием методов точных МТ-орбиталей в приближении когерентной способности. Показано, что константы упругости C 11 и C 12 увеличиваются с концентрацией второго компонента в сплавах β-Ti-Me, хотя последняя слабо зависит от содержания, тогда как C 44 снижается в V и Nb, но это предусмотрено для Мо и Та. Расчет плотностей электронного течения показал, что концентрационное поведение C 11 обусловлено своеобразными химическими связями со следующими соседями, что наиболее выражено при увеличении числа d-электронов данного элемента. Установлено, что для всех изученных бинарных сплавов наименьшие значения модуля Юнга могут быть обнаружены вблизи области нестабильности β-фазы, а также в направлении <100>. С ростом содержания тантала анизотропия модуля Юнга уменьшается, но тогда ее характер сохраняется, как сплавы с V, Nb и Mo, при некоторых основах второго компонента становятся практически изотропными и меняется характер анизотропии. В результате полученные характеристики упругости бинарных титановых сплавов находятся в хороших согласованиях с учетом экспериментальных и теоретических данных.

Природа неустойчивостей пластического течения θи S-типа рассмотрена в рамках концепции автоволн локализованной пластичности. Показано, что в одном и том же материале (АРМКО-железо) возможно возникновение неустойчивости деформации в виде распространения автоволн переключения или возбуждения. Автоволна переключения представляет собой равномерно движущийся при постоянном напряжении фронт локализации деформации, а автоволна возбуждения - такой же фронт, но движущийся с постоянно уменьшающейся скоростью при снижающемся напряжении. Проявление той или другой автоволн определяется температурно-скоростными условиями деформирования. Существует интервал низких температур, когда независимо от скорости деформирования реализуется только автоволна переключения, а скорость деформационного фронта экспоненциально растет с ростом деформирующего напряжения. При повышенных температурах возможно формирование автоволны возбуждения, когда происходит скачкообразное движение деформационного фронта в моменты спада деформирующего напряжения. Скорость фронта в таких условиях зависит от напряжения линейно. Показано, что скорости деформационных фронтов всегда определяются скоростями локальных деформаций на их фронтах. Установлено, что автоволна переключения (неустойчивость θ-типа) контролируется термически активируемым движением дислокаций, а автоволна возбуждения (неустойчивость S-типа) - вязким (надбарьерным) движением.

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) - термопластичный высокоэффективный полимер, востребованный в биомедицине, судои машиностроении, производстве антропоморфных роботов и умных протезов. Высокоориентированные волокна на основе СВМПЭ обладают рекордной удельной прочностью и могут быть использованы для изготовления самоармированных полимерных композитов. Исследование эволюции при нагреве супрамолекулярной структуры СВМПЭ с помощью рентгеновского рассеяния позволяет прояснить механизмы, реализуемые при термомеханической деформации, в том числе при проявлении эффекта памяти формы. В данной работе лабораторная установка рентгеновского рассеяния XENOCS XEUSS 3.0 была использована для анализа наноструктуры в однонаправленном самоармированном полимерном композите на основе СВМПЭ. Были определены температурные зависимости радиуса инерции вращения и размерного фактора. Было определено, что значительные изменения этих параметров происходят в температурных диапазонах, соответствующих началу проявления эффекта памяти формы (снизу) и температуры плавления (сверху). Рассмотрена связь между анизотропной супрамолекулярной структурой материала и эволюцией двумерных диаграмм малоуглового рентгеновского рассеяния.

В настоящей работе впервые проведено исследование влияния дополнительной деформационно-термической обработки, включающей отжиг при 150 или 230 °С и дополнительную деформацию кручением под высоким давлением при комнатной температуре на 0.25 оборота, на микроструктуру, механические свойства и электропроводность сплава Al-1.17Mg-0.33Zr (мас. %) проводникового назначения в ультрамелкозернистом состоянии, предварительно сформированном обработкой кручением под высоким давлением при комнатной температуре. Показано, что дополнительная деформационно-термическая обработка при обеих температурах отжига приводит к проявлению в материале эффекта пластификации - значительному увеличению пластичности (на порядок и более) при сохранении высокой прочности на уровне 80 % от прочности сплава в состоянии до обработки. Проведено сравнение полученного эффекта с таковым для ультрамелкозернистых сплавов Al-Mg-Zr с меньшей концентрацией магния. Показано, что в результате применения деформационно-термической обработки (отжига при 150 °С и дополнительной деформации кручением под высоким давлением на 0.25 оборота) величина достигнутой пластичности уменьшается, а прочность повышается с увеличением концентрации Mg от ~0.5 до ~1.2 мас. %. Ультрамелкозернистый сплав Al-1.17Mg-0.33Zr демонстрирует более высокую термостабильность по сравнению с ультрамелкозернистыми сплавами Al-Mg-Zr с меньшим содержанием Mg. Это позволило при реализации деформационно-термической обработки использовать более высокую температуру отжига (230 °С). Установлено, что деформационно-термическая обработка, включающая отжиг при 230 °С и деформацию кручением под высоким давлением на 0.25 оборота, обеспечивает достижение наилучшего сочетания прочности (предела текучести ~380 МПа, предела прочности ~475 МПа) и пластичности (удлинения до разрушения 9 %, равномерной деформации 4 %), которое не уступает коммерческим сплавам Al-Mg с содержанием магния ~4 % после традиционной упрочняющей обработки или обработки, включающей равноканальное угловое прессование. Физические причины достижения такой комбинации свойств анализируются в сопоставлении с микроструктурными изменениями, происходящими в процессе деформационно-термической обработки.