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

Гл. 1 В отчетный период были продолжены работы по исследованию ультрапрочных конструкционных деформационно-упрочняемых сталей (УДУКС) с целью повышения механических и функциональных свойств. Исследована структура ультрапрочной конструкционной стали методами рентгеноструктурного анализа и растровой электронной микроскопии. Проведены экспериментальные исследования и опытно-технологические работы по разработке технологии производства горячекатаного листа из ультрапрочной деформационно-упрочняемой конструкционной стали (УДУКС). В процессе работы проводились экспериментальные исследования структуры и физико-механических свойств ультрапрочной деформационно-упрочняемой конструкционной стали на экспериментальной партии горячекатаного листа в условиях научно-производственной базы ИМЕТ РАН. Проведена оценка стандартных механических свойств ультрапрочной деформационно-упрочняемой конструкционной стали. Разработана методика и программа баллистических испытаний на противопульную стойкость листового проката из стали 55Х2Н3Т-ВД. Проведены предварительные испытания в испытательной лаборатории АО «НИИ стали». Проведено исследование влияния режимов термической обработки на процессы формирования зеренной структуры хром-никель-марганцевых высокоазотистых аустенитных сталей Изучено влияние режимов термической обработки на процессы рекристаллизации и фазовый состав высокоазотистых аустенитных сталей. Выбор времени и температуры нагрева для термической или термопластической обработки является необходимым условием для получения высоких механических свойств металла. Особо следует отметить важность выбора режимов нагрева для горячей деформации металла – ковки, прокатки, волочения, по результатам которой необходимо сформировать максимально мелкозернистую и однородную структуру металла и, в то же время, избежать образования избыточных фаз, способствующих образованию трещин в процессе деформации. Также понимание особенностей процессов формирования зеренной структуры высокоазотистых аустенитных сталей дает возможность целенаправленно формировать комплекс прочностных и пластических свойств на максимально возможном для данного типа материалов уровне. При формировании структуры металла необходимо учитывать наличие в химическом составе стали элементов, являющихся сильными нитридообразователями. Исследованы структура высокопрочной мартенситно-ферритной азотосодержащей стали 03Х17Н2АФ после различных режимов термической обработки. Установлено, что максимальная прочность (HRC = 40, σВ = 1250 МПа, σ0,2 = 850 МПа) у стали 03Х17Н2АФ достигается после закалки от 950°С с охлаждением в воде, что обусловлено формированием мартенситно-ферритно-аустенитной структуры, содержащей (α ~ 82%, δ ~ 17%, γ ~ 1%) с небольшим количеством карбонитридов хрома типа Cr2(С,N). Получение оптимального для практического применения сочетания прочности (σВ = 1020 МПа, σ0,2 = 840 МПа), пластичности (δ = 14%, ψ = 41%) и ударной вязкости (KCU+20°С = 1,65 МДж/м2 KCU-70°С = 0,7 МДж/м2) возможно после закалки от 850°С с охлаждением в воде, благодаря формированию мартенситно-ферритно-аустенитной структуры, содержащей (α ~ 79%, δ ~ 15%, γ ~ 6%) с небольшим количеством карбонитридов хрома типа Cr2(С,N). Исследование влияния гидрирования фуллеренов на механизм формирования сверхтвердого состояния продуктов их превращения проведено путем синтеза образцов из слабогидрированных (до состава С60Н3,5) и негидрированных фуллеренов, разделенных пластиной молибдена в ячейке высокого давления, и сопоставления свойств образцов на сопряженных поверхностях по результатам рентгеноструктурного анализа, комбинационного рассеяния света, динамического индентирования и трибологических испытаний. Установлено, что присутствие водорода меняет последовательность фазовых превращений в фуллерене, стимулируя образование 3D-полимера на основе 2D-полимеризованной структуры и предотвращая образование sp2 разупорядоченного углерода. Такая схема, реализованная благодаря гидрированию, снижает давление образования сверхтвердой фазы до промышленно доступного давления синтеза 8 ГПа при температурах до 1170 К. Трехмерная полимеризация и подавление графитации гидрированного фуллерена в диапазоне 970-1170 К обеспечивают значительное увеличение твердости, вдвое по сравнению с образцами из негидрированных фуллеренов. Превосходные трибологические свойства как однофазных компактов, так и композитов с кобальтовой матрицей с включениями 3D-полимеризованного гидрированного фуллерена открывают возможность практического использования нового материала, в частности, в качестве миниатюрных подшипников скольжения. Методом магнетронного распыления в режиме постоянного тока композитных мишеней (Fe диск, покрытый сегментами СВС керамики TiB2, либо металлическими пластинами Y), получены пленки сплавов систем Fe-Ti-B (Fe72.4Ti5.4B19.2O3.0 и Fe54.8Ti15.8B27.4O2.0) и Fe-Y-O (Fe74Y5O21). Анализ фазово-структурного состояния пленок методами рентгеновской дифракции (РД) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) показал формирование в них многослойной структуры (аморфный слой вблизи подложки и нанокристаллический слой вблизи поверхности). Увеличение содержание TiB2 в мишени приводит к увеличению содержания Ti и B в пленках и измельчению среднего размера зерна в нанокристаллическом слое (с 1.2 до 0.7 нм). Пленки Fe-Y-O, по результатам РД, характеризуются смешанной (аморфная + нанокристаллическая) структурой, представленной основной фазой – αFe и дополнительными Fe2Y и Y2O3. Разработан новый метод поиска пути термического расширения соединения основанный на сравнении свободных энергий, рассчитанных вдоль различных «траекторий» теплового расширения. Это позволило свести задачу к одномерному случию и расматривать свободную энергию соединения зависящих только от одной переменной, объему. Метод был применен для расчетов термических и термодинамических свойств интерметаллического соединения Лавес фазы Fe2Mo со структурой С14. Поведение теплового расширения Fe2Mo не является изотропным. Использовались квантово-механические расчеты при конечных температурах в рамках теории функционала плотности (DFT). Учитывались все соответствующие вклады свободной энергии, включая электронные, колебательные и магнитные возбуждения. Использовалась квазигармоническая теория Дебая - Грюнайзена. Были смоделированы теплоемкость, тепловое расширение при постоянном давлении, упругие постоянные и объемный модуль для разных температур. Для соединения µ-фазы Fe7Mo6 (для Т = 0К) были рассчитаны коэффициенты тензора деформации Cij, объемный модуль упругости B, модуль сдвига G, модуль Юнга E, коэффициент Пуассона ν, температура Дебая. Результаты расчетов проанализированы и согласуются с имеющимися экспериментальными и теоретическими данными. Рассмотрены физические факторы и условия, приводящие к формированию устойчивых вихревых структур во внутренних турбулентных закрученных течениях, имеющих место в сложных каналах различных энергетических и теплообменных аппаратов. Обоснована возможность применения теории винтовых потоков и уравнения для скорости изменения спиральности для определения критических условий возникновения детерминированной вихревой структуры турбулентных течений и прогнозирования эффектов возникновения крупномасштабных вихреобразований в различных элементах энергетических систем. Дано описание явления кризиса закрученного потока. Показано, что привлечение анализа термодинамической устойчивости для описания сложных вихревых потоков позволяет расширить возможности применимости методов математического моделирования для описания процессов формирования вихревых структур. Представлены результаты расчетно-теоретического моделирования процессов вихреобразования при течении закрученного потока в трубопроводах переменного сечения, являющихся элементами трубопроводных систем ядерной энергетической установки (ЯЭУ). Гл. 2 1. Дополнительное легирование магниевого сплава ИМВ7-1 иттрием и гадолинием в пределах 5,5-8,5%, а также самарием в пределах 2,5-6,5% приводит к существенному повышению его прочностных свойств. 2. Применение ротационной ковки и последующего старения значительно повышает прочность сплавов Cu-0,8%Hf, Cu-0,77%Cr-0,86%Hf и Cu-0,47%Cr-0,23%Nb с одновременным получением высокой электропроводности. Гл. 3 «Стали». Исследовано влияния неметаллических включений на свойства основного металла и сварных соединений новой высокопрочной азотосодержащей аустенитной стали 05Х21АГ15Н8М2ФЛ. Образующиеся в стали оксисульфиды марганца не охрупчивают сталь при -110…-160оС, как при статическом нагружении, так и при ударном изгибе. Для использования этой стали в качестве сварочной присадки должен проводиться её дополнительный рафинирующий переплав. «Интерметаллиды». Изучены свойства порошков из тугоплавких моноалюминидов RuAl и NiAl, полученных литьем: влияние механоактивации на морфологию, гранулометрический и фазовый состав, способность к консолидации. Порошки перспективны как материал для получения плазменным распылением микрогранул для лазерной 3D печати. «Деформация и сверхпластичность». Исследованы деформация и структура при одноосном растяжении образцов Al-Li сплава 1420 в температурной области сверхпластичности (370oC) и влияние на характеристики деформации ультразвуковых колебаний. Их действие проявляется в уменьшении сопротивления деформированию и увеличении общей деформации. Сделан вывод об облегчении под действием ультразвука перемещения дислокаций при внутризеренной деформации, характерной для стадии упрочнения. Гл. 4 Установлено, что увеличение сдвиговой компоненты нагружения приводит к снижению скорости роста усталостной трещины и увеличению площади зоны стабильного роста усталостной трещины в образцах из ПММА. Показано, что изменение ориентации нагрузки при испытании образцов из стали 30ХГСА приводит к изменениям механических, акустических свойств и к изменению критической температуры хрупкости, о чем свидетельствует смена вязкого рельефа изломов на хрупкий при нагрузке, ориентированной под углом 45о. Акустический «отклик» материала с изменением ориентации нагрузки связан с изменением всех оцененных акустических параметров (суммарного числа событий, bАЭ – параметра и скорости счета). Гл. 5 Проведен экспериментальный анализ влияния термической обработки, включающей горячее изостатическое прессование, на структуру и механические свойства литейного алюминиевого сплава Al8Si3,5Cu. Показано, что исходная литая структура сплава содержит значительное количество пор газо-усадочного происхождение. Горячее изостатического прессование (ГИП) полученных отливок, проведенное при повышенном внешнем давлении 100 МПа и температуре 505 °С, позволило практически полностью устранить исходную пористость газо-усадочного происхождения, присутствующую в значительном количестве в исходной литой структуре отливок. Кроме того, произведено изучение микротвердости и механических свойств при испытаниях на одноосное растяжение изучаемого сплава в различных структурных состояниях, достигнутых комбинированием режимов термического воздействия, включающих ГИП и упрочняющую термическую обработку. Изучено совместное влияние примесей железа и кремния на структуру и фазовый состав перспективных деформируемых сплавов на базе Al2Cu2Mn. Показано, что при содержании примеси железа и кремния до 0,4 масс.% не наблюдается образованием нежелательных первичных кристаллов железосодержащих интерметаллидных фаз. Исследовано влияние радиально-сдвиговой прокатки (РСП) на структуру и свойства сплава типа АА7075. Анализ микроструктуры конечной заготовки диаметром 14 мм (суммарная степени деформации составила ~ 87 %) показал, что в процессе РСП и последующего охлаждения заготовки наблюдается формирование равномерно распределенных дисперсных включений растворимых вторичных кристаллов, образованных цинком и магнием и более крупных фасетчатых нерастворимых кристаллов, образованных железом. Кроме того, проведен анализ влияния РСП на микротвердость и прочность получаемых заготовок. Также проведены предварительные работы по анализу влияния скорости селективного лазерного плавления (СЛП) при фиксированной мощности лазерного излучения на качество получаемых сингл треков из порошка сплава эквиатомного стехиометрического состава TiAl.