ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

В работе представлены результаты микроструктурного анализа высокопрочного чугуна ВЧ 50. Степень глобулярности включений графита определяли через фактор формы F2, который в свою очередь определяется как отношение диаметров вписанной в частицу окружности к диаметру окружности, описанной вокруг частицы: чем ближе данное отношение к 1, тем выше степень глобулярности. Из данных о факторе формы F2 включений графита следует, что только 32,7 об. % графитных включений имеют близкую к глобулярной форму. Это свидетельствует о нарушении технологии модификации чугуна и получении в образце недомодифицированного графита. Проведенные исследования также показали, что представленный на исследование образец чугуна не проходил термической обработки, либо, в случае проведения термической обработки, она проводилась с неправильными параметрами: вероятнее всего температура термической обработки была меньше рекомендованной температуры (700 °С). Нарушение технологии модификации и дальнейшей термической обработки отливки приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик чугуна. Проведение повторной термической обработки по правильному режиму позволило улучшить микроструктуру и нивелировать эти недостатки. После повторной термической обработки в виде отжига при температуре 700 °С в течение 4 часов с последующим охлаждением до 400 °С вместе с печью, далее - на воздухе, позволило увеличить долю сфероидизированных частиц графита с 32,7 до 65 об. %. Отжиг проводили с целью повышения прочностных свойств материала, а также пластичности и ударной вязкости.

В работе представлены результаты исследования дислокационной структуры, величины кривизны-кручения кристаллической решетки, амплитуд полей внутренних напряжений, а также перераспределения атомов углерода в зонах устойчивой локализации деформаций в зависимости от состояния образцов из конструкционной стали 20. Исследовались образцы без эксплуатации, после эксплуатации без разрушения и с разрушением. Образцы растягивали с одинаковой скоростью до появления устойчивой зоны локализации деформации, после чего нагружение останавливали. Для исследования дислокационной структуры в работе использовали метод просвечивающей электронной микроскопии на тонких фольгах. Показано, что деформация образцов из конструкционной стали 20 в направлении «исходный» ® «не разрушенный» ® «разрушенный» во всех морфологических составляющих структуры, а также в целом по материалу постепенно приводит к измельчению структуры вплоть в отдельных участках материала до нанокристаллической. Дислокации перемещаются на границы фрагментов, скалярная плотность дислокаций r уменьшается. Одновременно уменьшаются и внутренние напряжения сдвига sЛ. Изменение локальных напряжений sд носит иной характер, а именно, пластическая составляющая локальных напряжений уменьшается, а упругая резко возрастает. Установлено, что деформация стали 20 приводит к разрушению частиц цементита, расположенных на границах дислокационных фрагментов (объемная доля уменьшается), и образованию карбидов внутри фрагментов (объемная доля их увеличивается). Углерод из разрушенных частиц цементита на границах фрагментов идет на образование частиц цементита внутри фрагментов, на дефекты кристаллической решетки и образование карбидов в новых морфологических структурах (микро- и нанозернах).

Проведено исследование сплава 0,6Mg1Si, с добавками скандия (0,05 %) и циркония (0,15 %), и изучены особенности его упрочнения как с помощью β’’-фазы (Mg5Si6), так и Al3Sc (и ее модификации). Для сплава 0,6Mg1Si0,05Sc0,15Zr многоступенчатая термическая обработка была осуществлена следующим образом: 550 °С 8 ч + 440 °С 8 ч + 500 °С 0,5 ч + 180 °С 5 ч, для сплава 0,6Mg1Si: 550 °С 8 ч + 180 °С 5 ч. Изучение мелкодисперсных упрочняющих частиц проводилось с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Кроме того, после каждого этапа термической обработки определялись механические свойства. Было установлено, что без применения термической обработки добавки Sc и Zr способствуют увеличению предела текучести в 3 раза и предела прочности в 2 раза. После термической обработки базовый сплав показывает большие прочностные показатели, чем легированный цирконием и скандием. Более низкие значения прочности связанны прежде всего с тем, что при естественном старении формируется в сплаве с добавками скандия формируется меньшее количество β’’-фазы (Mg5Si6) чем в базовом сплаве. Это связано с тем, что в сплаве с содержанием скандия невозможно проведение полноценной закалки, так как она будет вызвать растворение образовавшихся частиц (AlSi)3(Sc, Zr). В тоже время количество частиц формирующихся в ходе термической обработки частиц (AlSi)3(Sc, Zr) достаточно мало кроме того они имею неравноостную форму и не вносят заметного вклада в упрочнение.

В работе электроэрозионным диспергированием сплава Т5К10 в масле получен порошок, который был нанесен на заготовки из стали 35 методом электроискрового легирования нелокализованным электродом, исследованы состав, структура и свойства полученных покрытий. Определены химический и фазовый составы и микроструктура полученных частиц. Установлено, что при электроэрозионном диспергировании в образующихся частицах порошка происходит полное растворение исходного карбида вольфрама в кубическом карбиде (Ti, W)C. Исследования кинетики массопереноса при электроискровом легировании нелокализованным электродом показали, что полученный порошок наносится вместе со стальными гранулами со скоростью 1,9-2,6 мг/(см2×мин). Полученные покрытия состоят из вольфрам-содержащих и железосодержащих фаз, элементы которых равномерно распределены по глубине покрытия. Концентрация элементов W, Ti, Co в покрытиях зависит от соотношения масс порошка и стальных гранул в наносимом порошке. Испытания показали, что, благодаря высокой концентрации легирующих элементов в покрытиях, они обладают высокой твердостью (6,4 ГПа-9,2 ГПа) и пониженной скоростью износа (0,13×105-0,39×105 мм3/Нм) по сравнению с исходной сталью 35 (2,6 ГПа и 2,47×105-2,65×105 мм3/Нм соответственно).

Присутствие остаточного аустенита после закалки конструкционной подшипниковой стали ШХ15 часто приводит к более низкой твердости и ударной вязкости, что нежелательно при изготовлении деталей прецизионного назначения. В настоящей работе установлена взаимосвязь структурных изменений вызванных разными режимами термической обработкой с механическими свойствами стали ШХ15, в том числе с применением обработки при отрицательных температурах как продолжение закалки. Исследовалось влияние отпуска при температурах 170 °C и 260 °C, сопряженного с обработкой холодом при -60 °C и криогенной обработкой в жидком азоте при -196 °C, на механические свойства закаленной стали ШХ15. Повышение температуры отпуска стали до 260 °С приводит к снижению всех показателей механических и эксплуатационных свойств (σв, КС и HRC). Обработка холодом и криогенная обработка способствуют увеличению доли мартенсита, сопровождающееся снижением остаточного аустенита, что вызывает повышение твердости. Наиболее оптимальной совокупностью механических, а следовательно, и эксплуатационных свойств будет обладать сталь ШХ15, подвергнутая закалке с температуры 845 °С, обработке холодом при -60 °С и последующему отпуску при 170 °С.

Использование сверхпластической деформации (СПД) позволяет технологически успешно решать проблемы формообразования при изготовлении изделий сложного профиля, в частности, полых конструкций. Успешность изготовления деталей определяется не только высокой точностью воспроизведения геометрической формы, но и достижением заданных механических свойств материала в готовом изделии. Свойства титановых сплавов определяются не только структурой, но и химическим составом. Особенностью СПД является ускоренный рост зерен за счет существенной активизации диффузионных процессов по границам зерен, выравнивание зерен по размеру, сохранение их равноосности, повышение однородности распределения легирующих элементов внутри зерен и фаз, размытие кристаллографической структуры. Между тем, не только структура, но и химическая композиция сплава непрерывно эволюционируют в процессе его технологической обработки. Для ответственных авиационных деталей вопрос локальной или общей загрязненности титанового сплава легкими элементами, такими как азот, углерод, кислород, водород, может оказаться критичным с точки зрения достижения необходимого качества. В этой связи пути гарантированного обеспечения высокого качества деталей, полученных с использованием сверхпластичности (СП) связаны в первую очередь предотвращением загрязненности титанового сплава указанными вредными примесями. Такими путями являются - снижение температуры СПД за счет использования ультрамелкозернистых (УМЗ) исходных заготовок, а также существенное сокращение длительности нахождения титанового сплава при повышенных температурах на всех технологических этапах с обязательным применением защитной атмосферы или вакуума.

В задачах связанных с исследованиями многокомпонентных высокоэнтропийных сплавов обнаруживается большое многообразие наночастиц различных типов кристаллических структур и сверхструктур. В таких случаях представляется интересным иметь кристаллогеометрические характеристики зародышей систем. Число зародышей стандартных кристаллогеометрических структур подчиняется стандартным правилам кристаллографии. В процессах формирования высокоэнтропийных материалов в структурах формирующихся образований могут возникать зародыши, соответствующие определенным типам сверхструктур, межфазные границы. В случае бинарных сплавов таких сверхструктур может формироваться более сотни, и во много раз больше для многокомпонентных материалов [1-3]. В работах [4, 5] был предложен простой метод практической кристаллографии, согласно которому заполнение координационных сфер для кристаллов кубической симметрии представляется последовательностью и сочетанием семи правильных и полуправильных многогранников Платона и Архимеда - куба, октаэдра, кубооктаэдра, ромбокубооктаэдра, усеченного куба, усеченного октаэдра, усеченного кубооктаэдра с числом узлов - 8, 6, 12, 24, 24, 24, 48. В настоящей работе излагается методика применения подобного алгоритма в задачах конструирования наночастиц для сплава сверхструктуры В32.

В работе представлены результаты компьютерного моделирования алмазоподобных полупроводниковых наночастиц, построенных на базе арсенида галлия и на базе антимонида галлия. В работе были исследованы модели наночастиц размером 3´3´3 элементарные ячейки и размером 5´5´5 элементарных ячеек с различным содержанием атомов сурьмы в подрешетке BV. Методом нелокального орбитально-оболочечного функционала плотности были получены равновесные параметры связей пар атомов, входящих в состав кристаллической структуры исследуемых наноэлектромеханических систем (НЭМС). Методами молекулярной механики была изучена зависимость энергии наночастиц антимонида - арсенида галлия от размера наночастицы и содержания сурьмы в ее составе. Было показано незначительное изменение межатомного расстояния в полупроводниковых системах с алмазоподобной структурой и в НЭМС состоянии. Показано, что при введении атомов сурьмы в систему арсенида галлия система стабилизируется, а при введении атомов мышьяка в систему антимонида галлия система дестабилизируется.

В рамках данного исследования проведен детальный анализ волновых процессов в двумерной структуре черного фосфорена под воздействием непрерывного продольного сжатия. Это сжатие осуществлялось строго в двух кристаллографических ориентациях фосфорена - либо в направлении “зигзаг”, либо в направлении “кресла”. Сложная атомная геометрия фосфорена, значительно отличающаяся от структуры графена, вносит дополнительные особенности в динамику распространения волн, возникающих в материале в результате сжатия. Для моделирования динамических явлений были применены методы молекулярной динамики. Процесс возбуждения акустических и ударных волн был инициирован с помощью сжимающего поршня, движущегося с постоянной заданной скоростью. В ходе исследования был проведен детальный анализ распространения волнового фронта на атомном уровне. В рамках этого анализа были изучены колебания атомов, проходящих через волны, и изменения энергетических параметров атомов и волны в зависимости от скорости движения поршня. Полученные результаты вносят вклад в понимание нелинейных волновых процессов в двумерных материалах и расширяют представления о поведении волн в сложных геометрических кристаллических структурах. Это исследование помогает получить более глубокое понимание механизмов распространения и эволюции ударных и акустических волн в таких материалах, как фосфорен, и имеет важное значение для разработки новых наноматериалов и технологий. Полученные результаты расширяют наше понимание динамики материалов на атомном уровне и могут найти практическое применение в области нанотехнологий и разработке новых материалов с улучшенными свойствами.

Флавоноид кверцетин является природным полифенольным антиоксидантом. Перспективным способом увеличения растворимости и биологической активности кверцетина является проведение его твердофазной механохимической реакции с твердыми щелочами. Некоторые свойства кверцетина ярче проявляются в жидкой среде, в водных растворах. Структурная формула кверцетина показывает наличие пяти гидроксильных групп, способных диссоциировать с образованием аниона. Для кверцетина чаще рассматривается только одна ступень диссоциации. Величина приводимых значений константы диссоциации находится в диапазоне pK1=5-9. Исследование диссоциации кверцетина осложнено заметным окислением с ростом рН раствора. Предлагается проводить титрование в атмосфере инертного газа. В работе представлены результаты рН-метрического титрования кверцетина щелочью в водно-спиртовом растворе. На основании моделей диссоциации одно-, двух- и трехосновной слабых кислот проводился анализ кривых титрования кверцетина. Разработана компьютерная программа анализа кривых, отклонения экспериментальных результатов титрования от модельных расчетов обрабатывались по МНК. Лучшим образом кривая титрования описывается моделью двухосновной слабой кислоты. Определены константы диссоциации для этой модели: рК1=8,64, рК2=11,09 Значение рК1 удовлетворительно согласуется с литературными данными. При титровании в водной среде кислоты с рК>12 не определяются. Поэтому вопрос об остальных константах диссоциации остается открытым. Проведен анализ начального участка кривой титрования по ее второй производной. В зависимости от знака второй производной меняется форма кривой титрования на начальном участке, что позволяет грубо оценить первую константу диссоциации и сравнить с получаемыми результатами вычислений. Подход позволяет критически оценивать литературные данные.

Известно, что развитие биомедицинских технологий увеличивает спрос на создания биосовместимых материалов, которые обладали бы схожими свойствами с костной тканью и подходили для его имплантации. Многие композиционные материалы представляют собой мультифазные системы, состоящие из полимерной матрицы и неорганического компонента различных форм и размеров. Полимерная составляющая необходима для улучшения механических и биосовместимых свойств. Данный компонент может быть представлен биосовместимым, макропористым и нетоксичным полимером, продукты распада которого будут приниматься организмом за обычные метаболиты и будут выводиться из него. Неорганический компонент может быть представлен гидроксиапатитом, состав и структура которого аналогичны костному апатиту, что обеспечивает взаимную интеграцию и образование химических связей между фповреждённой костью и имплантатом. В физиологических условиях происходит образование кальций-фосатного слоя, что обеспечивает биологическую активность гидроксиапатита. Кальций-фосфатный слой может характеризоваться различной структурой и составов, так как происходит взаимодействие с ионами, находящимися в физиологических жидкостях организма.

Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии выполнен анализ структуры, фазового состава, дислокационной субструктуры в головке длинномерных дифференцированно закаленных рельсов специального назначения из стали Э90ХАФ после пропущенного тоннажа 187 млн. тонн брутто. Исследования проведены вдоль центральной оси и радиуса скругления выкружки на поверхности и на расстоянии 10 мм от нее. Установлено, что структура стали представлена зернами пластического перлита и феррито-карбидной смеси с частицами карбида пластической и глобулярной морфологии. Выявлена фрагментация пластин цементита (размеры фрагментов 10-12 нм) и феррита (размеры фрагментов 250-500 нм). Отмечено формирование изгибных контуров экстинкции, свидетельствующих об упруго-напряженном состоянии головки рельсов в результате длительной эксплуатации. Выявлены источники кривизны-кручения кристаллической решетки- внутрифазные (границы раздела зерен перлита) и межфазные (границы раздела пластин феррита и цементита перлитных колоний) границы. Формирующаяся структура на поверхности катания отличается от структуры поверхности выкружки. В последней не выявляется субзеренной структуры. Проведено сравнение деформационного преобразования поверхностных слоев с ранее опубликованными результатами для рельсов общего назначения из доэвтектоидной стали. Рассмотрены механизмы разрушения пластин цементита и повторного выделения частиц наноразмерной карбидной фазы округлой формы (третичный цементит). Проведено сравнение скалярной плотности дислокационной субструктуры поверхности катания по центральной оси и радиусу скругления выкружки.