Разработка новых металлических конструкционных материалов, сочетающих высокую прочность с особыми физико-химическими и эксплуатационными свойствами

Проведены экспериментальные исследования и опытно-технологические работы по разработке технологии производства поковок из ультрапрочной деформационно-упрочняемой конструкционной стали с градиентной структурой. Проведены плавки экспериментальных составов кобальтсодержащих высокоазотистых сталей. Показано влияние кобальта как аустенитообразующего элемента. Установлено, что все полученные составы являются аустенитно-ферритными. Проведены испытания образцов экспериментальных плавок на растяжение и определены их механические свойства. Изучено влияние температуры прокатки и закалки на структуру и трещиностойкость коррозионностойких азотосодержащих мартенситноферритной стали 03Х17АН2 и аустенитной 03Х21АГ14Н8МФ с низким содержанием углерода. Показано, что в процессе нагрева стали 03Х17АН2 при 800°С втечение 30 мин. с последующем охлаждением в воде формируется мелкозернистая структура, состоящая из 75% мартенсита, 10% аустенита и 15% δ-феррита и небольшого количества мелких частиц карбонитридов хрома. закалка от 800°С - 30 мин. по сравнению с прокаткой при 1050-900°С и 1150-950°С или закалкой от 950 и 1150°С, после которых наблюдали крупнозернистую структуру (α + γ + δ) и мелких частиц карбонитридов хрома, обеспечивает большую трещиностойкость при 20°С и -70°С. Нагрев высокоазотистой (0,43 %) стали 03Х21АГ14Н8МФ при 1100°С втечение 30 мин. с последующем охлаждением в воде формирует однофазную аустенитную двойниковую структуру без нитридов хрома типа Cr2N. Азот в этой стали обеспечивает стабильность аустенита по отношению к γ → ε и γ → α превращениям при охлаждении до криогенных температур и пластической деформации. Сталь 03Х21АГ14Н8МФ после закалки от 1100°С при снижении температуры до -196°С сохраняет высокую трещиностойкость (KCU-196°С = 1,9 МДж/м2). В целях определения растворимости Мо в оцк фазе Fe в зависимости от температуры c помощью КМР и учетом релаксации решетки определена энтальпия образования ферромагнитной С14 Лавес –фазы Fe2Mo относительно оцк фаз Fe и Mo для основного состояния; для С14 фаз Fe, Mo и Fe2Mo и оцк фаз Fe и Mo рассчитаны упругие постоянные монокристаллов, модули упругости (модуль Юнга, сдвига и объемный модуль) и температуры Дебая поликристаллов. Для системы Fe-V построена концентрационная зависимость энергии образования - фазы (после отбора КМР стабильных конфигураций - фаз для трех составов), а также были также рассчитаны распределения магнитных моментов атомов Fe (по подрешеткам -фазы) для стехиометрических составов соединений - фазы системы Fe -V в зависимости от объема. Исследованы трибологические свойства композиционных материалов (КМ), полученных методом термобарического синтеза (5-9 ГПа, 800-1400оС), армированных частицами алмазоподобного углерода и алмазами со связкой из Co, Ti-Cu, Pt с разным соотношением компонентов. При использовании оптической и электронной микроскопии, динамического индентирования и триботехнических испытаний установлены корреляции между структурой и свойствами КМ и армирующей фазы и определены пределы применимости КМ в качестве трибо- и электротехнических материалов. Показано, что сверхнизкий (0,1-0,01) коэффициент трения достигается у КМ, армированных сверхтвердой (35-50 ГПа) алмазоподобной фазой, полученной из механоактивированных или наводороженных фуллеритов с кобальтовой связкой, а также у КМ с алмазами независимо от типа связки и размера частиц. Износостойкость КМ возрастает с увеличением содержания и твердости армирующих алмазоподобных частиц, достигая характеристик КМ с алмазами. Условием получения сверхизностойких КМ является температура синтеза не выше 800оС, что обеспечивает коллапс фуллереновых молекул, но ограничивает графитизацию алмазоподобной структуры. В условиях сухого трения такие КМ применимы при кратковременных нагревах до 1000оС, а при постоянной работе - при температуре до 300оС. В работе выполнен сравнительный анализ фазово-структурного состояния, статических магнитный свойств и высокочастотной магнитной проницаемости нанокристаллических ферромагнитных пленок системы Fe-Ti-B. Пленки составов Fe81.5Ti13.1B3.9O1.5 и Fe70,4Ti8,8B20,2O0,6 получены методом магнетронного осаждения в условиях работы магнетрона на постоянном токе и последующего вакуумного отжига. Методом рентгеновской дифракции установлено, что в зависимости от химического состава плёнок в них формируется нанокристаллическая либо рентгеноаморфная структура, характеризующаяся наличием фаз αFe(Ti) и TiB2. Выполнены измерения петель гистерезиса плёнок, определены величины намагниченности насыщения и коэрцитивной силы. Впервые выполнены для плёнок данного состава эксперименты по изучению ферромагнитного резонанса (ФМР). Установлено, что ФМР в исследованных плёнках появляется на частотах 1,0-1,5 ГГц. Количественно оценена взаимосвязь статических магнитных свойств и высокочастотной магнитной проницаемости. Изучение влияния различных условий термической обработки и дополнительного легирования самарием на механические свойства оптимизированного по составу легкого конструкционного магниевого сплава системы Mg-Y-Gd-Zr, разработанного ранее в ИМЕТ РАН, а так же продолжение структурных исследований алюминиевых сплавов системы Al-Mg2Si при совместном легировании их скандием и цирконием, а также скандием и гафнием, касающиеся особенностей распада пересыщенного твердого раствора в них после закалки и интенсивной пластической деформацией (ИПД). Изучение изменения трещиностойкости сплавов Сu-0,15%Zr и Сu-0,5%Сr-0,08%Zr после интенсивной пластической деформации путем ротационной ковки (РК), а также испытание электродов контактной сварки из УМЗ медного сплава Cu-0,5%Cr-0,08%Zr после ротационной ковки (РК). Установлено, что дополнительное легирование сплавов системы Mg-Y-Gd-Zr добавками 3-5%Sm (самария) ускоряет упрочняющий процесс распада магниевого твердого раствора в этих сплавах и повышает их прочностные свойства. Установлен оптимальный режим термической обработки старением сплавов с самарием: 200°С, 32 ч. Также установлена последовательность выделения метастабильных и стабильных фаз в процессе старения алюминиевых сплавов на основе системы Al-Mg2Si после закалки и РКУП, которые определяют прочностные свойства сплавов Показано, что ротационная ковка существенно повышает коэффициент трещиностойкости сплавов Cu-0,15%Zr и Cu-0,5%Cr-0,08%Zr. Применение РК и последующего старения позволяет значительно повысить стойкость электродов контактной сварки, изготовленных из сплава Cu-0,5%Cr-0,08%Zr. Исследованы структура, фазовый состав, прочностные свойства и хладостойкость а высокопрочных аустенитных сталей и стали смешанного класса со сверхравновесной концентрацией азота. Существенное влияние на колебания уровня свойств оказывают размер зерна и наличие нитридной фазы Cr2N, выделившейся при температурах конца горячей ковки. Исследование влияния типа кристаллической решетки (неупорядоченная о.ц.к. и упорядоченная о.ц.к. типа В2) материалов на основе систем Al-Me (Me – Ru, Ni, Fe) на процессы, происходящие при интенсивной деформации порошков в высокоэнергетических аппаратах, и свойства порошков. Посредством перекрёстной криогенной прокатки (ПКП) с суммарным обжатием 90% измельчена микроструктура литой латуни Л70. ПКП способствует активизации процессов двойникования и образования полос сдвига в зернах со стабильной кристаллографической ориентировкой и, соответственно, формированию однородной СМК-структуры. . Проведены работы по анализу влияния динамического баротермического воздействия методом радиально-сдвиговой прокатки на структуру и свойства промышленных алюминиевых сплавов 1050 и 7075. Установлено формирование градиентной кристаллитной структуры, обеспечивающей наилучшее сочетание прочности и пластичности сплавов. Показана перспективность сплава на основе Al8Zn7Ni3Mg. Изучены фрактографические особенности разрушений феррит-содержащих сталей после испытаний на ударный изгиб в интервале вязко-хрупкого перехода. Произвольное извлечение из облака рассеяния немногочисленных величин ударной вязкости при испытаниях в интервале температур вязко-хрупкого перехода не позволяет достоверно охарактеризовать вязкость высоковязких феррит-содержащих сталей. Характерной особенностью разрушения высоковязких феррит-содержащих сталей в интервале вязко-хрупкого перехода является образование расщеплений путем квази-хрупкого разрушения вдоль плоскости прокатки (в Z-направлении). Разрушение образцов в интервале вязко-хрупкого перехода характеризуется возникновением как хрупких, так и вязких микротрещин в пластической зоне в областях берегов расщеплений, а также в пластической зоне под поверхностью квази-скола. Критерием для сравнительной оценки вязкости высоковязких феррит-содержащих сталей являются количественные характеристики расщеплений и харакетеристики пластичности (ширины шейки) образцов, а также эти измерения позволяют разделить высокотемпературный и низкотемпературный участки интервала ВХП.