Tilda Publishing

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ФИЗИКА И ХИМИЯ
ОБРАБОТКИ
МАТЕРИАЛОВ

Tilda Publishing

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2024, № 4, СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Tilda Publishing

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2024, № 4, аннотации статей

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 539.2

Микроструктура и физико-механические свойства стали, обработанной
импульсным электронным пучком

Н. И. Поляк, В. М. Анищик

Белорусский государственный университет, 220030 Минск, Республика Беларусь, пр. Независимости, 4
E-mail: n.poliak@mail.ru, anishchik@mail.ru
Поступила в редакцию 12 февраля 2024 г., окончательный вариант — 20 февраля 2024 г., принята к публикации 4 июня 2024 г.

Исследовано влияние обработки 1-м и 20-ю импульсами электронного пучка с энергией E = 300 кэВ, плотностью тока J = 3 А/см2 и длительностью импульса t = 50 нс на состояние поверхности углеродистой стали. Показано, что обработка поверхности импульсным электронным пучком приводит к существенным изменениям её морфологии, возрастающих с увеличением числа импульсов, появлению новых фаз и как следствие, изменению параметров тонкой структуры (периода кристаллической решетки, микронапряжений, размеров блоков мозаики) и физико-механических свойств.

Ключевые слова: импульсный электронный пучок, сталь, микроструктура, фазовый состав, инструментальное индентирование, твердость, упругопластические характеристики.

DOI: 10.30791/0015-3214-2024-4-5-15

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 544.032.65; 621.7.044.7

Режимы облучения и фазовый взрыв при абляции стальных мишеней сканирующим пучком импульсного излучения Yb:YAG лазера наносекундного диапазона длительности

С. Б. Михайлов¹, С. Г. Горный¹, Н. В. Жуков<sup>2

1</sup> ООО “Лазерный центр”, 195067 Санкт-Петербург, ул. Маршала Тухачевского, 22
E-mail: msk@newlaser.ru; SGorny@newlaser.ru
² Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, 119991 ГСП-1, Москва, ул. Вавилова, 38
E-mail: souler177@gmail.com
Поступила в редакцию 5 марта 2024 г., окончательный вариант — 28 марта 2024 г., принята к публикации 4 июня 2024 г.

Приведены результаты экспериментов по абляции стальных мишеней сканирующим пучком импульсного излучения лазера наносекундного диапазона длительности. Определены зависимости глубины и энергетической эффективности абляции от плотности мощности в диапазоне плотности мощности q = 2·108 – 7·108 Вт/см2. Установлено, что при облучении мишеней из углеродистых сталей в процессе абляции реализуется механизм взрывного вскипания (фазовый взрыв), для характеристики которого введено понятие “силы взрыва” — Pe. Приведены значения Pe, определённые по опубликованным данным для различных материалов. Установлена зависимость глубины абляции от интервала между импульсами и рассмотрены физические процессы, обуславливающие её ход.

Ключевые слова: лазерная абляция, абляция стали, эффективность абляции, фазовый взрыв, интервал между импульсами.

DOI: 10.30791/0015-3214-2024-4-16-25

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 621.373.826:621.78+661.8’02+539.25

Окислительные процессы на поверхности зоны лазерной обработки инструментальных сталей

А. Т. Козаков¹, С. И. Яресько², А. В. Сидашов<sup>3

1</sup> Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета,
344091 Ростов-на-Дону, Проспект Стачки, 194
E-mail: kozakov_a@mail.ru
² Самарский филиал ФГБУН Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук,
443011 Самара, ул. Ново-Садовая, 221
E-mail: yarsi54@gmail.com
³ Ростовский государственный университет путей сообщения,
344038 Ростов-на-Дону, пл. Народного Ополчения, 2
E-mail: iav-1980@yandex.ru
Поступила в редакцию 14 декабря 2023 г., окончательный вариант — 19 марта 2024 г., принята к публикации 4 апреля 2024 г.

Представлены результаты исследования состава оксидов, образующихся на поверхности зоны лазерного воздействия (ЗЛВ) на воздухе инструментальных сталей 9ХС, Р6М5 и Р9К5, отличающихся химическим составом и степенью легирования. Методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии установлено, что сформированные оксидные плёнки имеют качественно совпадающую “слоистую” структуру и существенно отличаются друг от друга, как по общей толщине, так и по толщинам входящих в них оксидных плёнок разного фазового состава. Показано, что образовавшаяся плёнка в значительной мере многослойная и многокомпонентная. Для легированных инструментальных сталей установлено существенное перераспределение концентраций легирующих элементов по глубине ЗЛВ, что определяет состав образующихся оксидов и их расположение относительно материала основы. Отмечено, что независимо от состава стали внешний слой оксидной плёнки на поверхности ЗЛВ состоит преимущественно из смеси оксидов FeO и Fe2O3, глубже по направлению к основному металлу находится слой Fe3O4 и смесь высших оксидов легирующих элементов, располагающихся в следующей последовательности вглубь от поверхности ЗЛВ: WO3, V2O5, MoO2, Cr2O3 и CoO. Для стали Р9К5 обнаружено селективное обогащение поверхности атомами W и Mo, приводящее к упрочнению межзёренных границ и появлению локального упрочненного слоя на глубине 90 нм. Установлено, что интегральная толщина оксидной пленки на поверхности ЗЛВ исследованных сталей не превышает 200 – 250 нм.

Ключевые слова: лазерная обработка, инструментальные стали, поверхность, оксидная пленка, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, элементный состав, фазовый состав.

DOI: 10.30791/0015-3214-2024-4-26-39

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 621.7.01

Анализ пластической деформации методом обратных задач

Т. В. Бровман

Тверской государственный технический университет,
170026 Тверь, наб. Аф. Никитина, 22
E-mail: brovman@mail.ru
Поступила в редакцию 22 мая 2023 г., окончательный вариант — 21 августа 2023 г., принята к публикации 17 января 2024 г.

Исследовано нестационарное течение металла при прокатке переднего и заднего концов полосы, которое важно для анализа условий захвата заготовки валками и правильной профилировки её торцевых поверхностей, обеспечивающих уменьшение потерь металла на обрезь. Поверхностные слои в процессе прокатки получают более высокую вытяжку, чем центральные, а концы заготовок приобретают вогнутую форму, вследствие чего их приходится отрезать. Для уменьшения удлинения поверхностных слоев передний конец полосы необходимо прокатывать при условиях, когда заготовка перемещается быстрее валков. Расчеты обратных задач при конечных заданных положениях деформируемой среды позволяют восстановить начальный профиль заготовки по заданному конечному.

Ключевые слова: пластичность, концы заготовок, обратная задача.

DOI: 10.30791/0015-3214-2024-4-40-46

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 691.223.7, 544.77

Методические аспекты определения поверхностного натяжения минеральных порошковых систем с использованием компактов

В. Е. Данилов¹, А. М. Айзенштадт¹, Е. В. Королев², А. В. Шаманина¹, Г. А. Гарамов<sup>1

1</sup> Высшая инженерная школа, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова,
163002 Архангельск, наб. Северной Двины, 22
E-mail: v.danilov@narfu.ru; a.isenshtadt@narfu.ru; alexandra.shamanina@yandex.ru; georgiigaramov1997@gmail.com
² Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
190005 Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4
E-mail: prorector_nr@spbgasu.ru
Поступила в редакцию 16 марта 2023 г., окончательный вариант — 16 марта 2023 г., принята к публикации 17 января 2024 г.

Рассмотрены методические аспекты использования компактов (образцов-запрессовок) при изучении поверхностного натяжения, смачивания и ряда других важных коллоидно-химических свойств полиминеральных порошков, в том числе подвергнутых механоактивации. Исследовано влияние изменений, происходящих с материалами в процессе прессования, и разработаны рекомендации по изготовлению образцов-запрессовок для измерения поверхностного натяжения. Компакты из механоактивированного кварцсодержащего полиминерального порошка различной степени дисперсности изготавливали прессованием под давлением от 15,9 до 707,4 МПа.
У полученных образцов определяли поверхностное натяжение (полярную и дисперсионную составляющие), цветовые координаты и прочностные свойства. Показано, что между рассматриваемыми характеристиками и продолжительностью измельчения, а также давлением прессования, имеются функциональные зависимости. Впервые установлен характер изменений полярной составляющей поверхностного натяжения минеральных порошков при их механоактивации и прессовании (изготовлении компакта). Выявлена особенность прессования тонкодисперсных порошков, заключающаяся в уменьшении значений показателя поверхностного натяжения (из-за более плотной упаковки частиц в образцах и, как следствие, образования большого количества связей Ван-дер-Ваальса), в то время как у грубодисперсных наблюдается повышение его значений за счет дробления хрупких зерен минералов и, как следствие, происходит образование новых активных центров. На основе полученных данных по определению поверхностного натяжения минеральных порошковых систем с использованием компактов разработаны рекомендации по их изготовлению для избежания возможных ошибок при измерении величины поверхностного натяжения исходных минеральных порошков.

Ключевые слова: полиминеральные порошки, полидисперсные порошки, компакты, поверхностное натяжение, связи Ван-дер-Ваальса, дробление зерен минералов, образование активных центров.

DOI: 10.30791/0015-3214-2024-4-47-64

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 669:533,9

Экстракция платины из силикатного расплава в руднотермической печи постоянного тока

А. А. Николаев, С. М. Муромский, О. А. Овчинникова, Т. Н. Пенкина

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН),
119334 Москва, Ленинский пр-т, 49
E-mail: anikolaev@imet.ac.ru
Поступила в редакцию 4 декабря 2023 г., окончательный вариант — 4 декабря 2023 г., принята к публикации 4 июня 2022 г.

Экспериментально исследована пирометаллургическая экстракция платины из оксидной системы на основе SiO2, Al2O3 и CaO, представляющей собой невостребованный отход стекольной промышленности с содержанием платины 0,03 %. Проведена восстановительная плавка в лабораторной руднотермической печи постоянного тока, снабжённой графитовым тиглем объёмом 10 дм3 с аксиально установленным графитовым электродом. Тигель имел магнезитовую футеровку и располагался в стальном кожухе. На электрод подавали отрицательный потенциал, на тигель — положительный. Плавку осуществляли при токе 300 А и напряжении 100 В. Материал загружали по ходу плавки по мере его расплавления. Температура расплава составляла 1850 К. Было переплавлено 41,6 кг шихты за 6,5 часов с промежуточным сливом расплава. Слив осуществляли частично путём наклона тигля, оставляя на дне металлическую фазу. Получено 322 г металлической фазы, представлявшей собой ферросилиций и содержащей ≈ 20 % Si и 1,44 % Pt. Рассмотрены энергетический и материальный балансы плавки. Исследована микроструктура исходного материала и продуктов плавки. В исходном материале платина содержится в виде вкраплений размером порядка 10 мкм, которые при расплавлении материала осаждаются на дно тигля и растворяются в ферросилиции, образовавшемся в результате углетермического восстановления. Показано, что для определения скорости осаждения в условиях электроплавки применим закон Стокса. При застывании ферросилиция платина и медь образуют отдельные фазы, в которых содержание платины составляет порядка 50 %.

Ключевые слова: платина, экстракция, отходы, оксиды, расплав.
DOI: 10.30791/0015-3214-2024-4-65-71

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 546.281.261

Совмещение методов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и инфильтрации для получения псевдосплава W – Cu

В. Ю. Баринов¹, С. С. Манохин², Ю. Р. Колобов<sup>2

1</sup> ФГБУН Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН РАН),
142432 Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8
E-mail: barinov@ism.ac.ru
² ФИЦ Проблем химической физики и медицинской химии РАН, 142432 Черноголовка, пр. Академика Семенова, 1
E-mail: manohin@icp.ac.ru; kolobov@icp.ac.ru
Поступила в редакцию 7 июля 2023 г., окончательный вариант — 18 июля 2023 г., принята к публикации 4 июня 2024 г.

Исследована возможность получения псевдосплава вольфрам – медь методом инфильтрации с использованием в качестве источника нагрева высокоэкзотермичной реакции горения кремния в азоте. За счет тепла, выделяющегося в результате горения, пористый вольфрамовый каркас пропитывался расплавленной медью. Получен псевдосплав с относительной плотностью 0,9.

Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез, СВС, псевдосплав, вольфрам, медь, инфильтрация, горение, кремний, азот.

DOI: 10.30791/0015-3214-2024-4-72-76

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 621.7.011

Исследование усадки кристаллизующегося металла
в условиях контролируемого наложения давления

В. Ф. Коростелев¹, М. С. Денисов<sup>2, 1

1</sup> Институт машиностроения и автомобильного транспорта Владимирского государственного университета
имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, 600000 Владимир, ул. Горького, 87
E-mail: korostelev@vlsu.ru
² Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ), 600000 Владимир, ул. Горького, 87
E-mail: denisovmaxim90@mail.ru
Поступила в редакцию 25 мая 2023 г., окончательный вариант — 21 августа 2023 г., принята к публикации 17 января 2024 г.

Рассмотрен технологический процесс жидкой штамповки — кристаллизация под давлением, являющийся одним из перспективных и направленных на расширение области применения высокопрочных алюминиевых сплавов типа Д16, В95 и других. Так как при жидкой штамповке в сечениях толщиной более 40 мм возникают дефекты газо-усадочного происхождения и ликвации, не устраняемые известными способами, то в качестве подхода к решению данной проблемы предложено использовать зависимость изменения объёма кристаллизующегося металла от величины давления. Установлено, что скрытое от известных методов изучения процесса кристаллизации свойство металла, называемое в работе термином “уплотняемость кристаллизующегося металла”, может составить до 5 – 6 % от общего объёма металла. Предложена оригинальная методика исследования, определены контролируемые и управляемые параметры процесса, обеспечивающие формирование структуры без дефектов. На примере производства пресс-форм для литья пластмассовых деталей показаны преимущества предлагаемого процесса литья с наложением давления на кристаллизующийся металл.

Ключевые слова: жидкая штамповка, запрессовка металла в междендритные полости, контроль и управление наложением давления, объёмная и направленная кристаллизация, плотность, твердость, прочность металла.

DOI: 10.30791/0015-3214-2024-4-77 – 84