- English
- Русский
Важнейшие результаты, полученные в 2016 г.
Важнейшие результаты научных исследований, полученные в ИПСМ РАН в 2016 г.
1. Установлено, что экспериментальный сплав состава Ti-45Al-5Fe-5Nb(ат. %) на основе фаз γ(TiAl)+τ2(Al2NbTi) обладает повышенной пластичностью и прочностью на сжатие при комнатной температуре и приемлемой прочностью при повышенных температурах по сравнению с γ(TiAl) сплавами последнего поколения. При комнатной температуре были получены следующие свойства на сжатие: s1,25 = 960 МПа, sмакс. = 2250 МПа, e = 28 %, тогда как сплав Ti-45Al-5Nb-1Mo-0.2Bдемонстрировал s1,25 = 930 МПа, sмакс. = 1655 МПа и e = 16 %.Новый сплав показал улучшенную технологическую пластичность при повышенных температурах (Т ³ 800°С). Потенциальное применение нового сплава – в качестве лопаточного материала с рабочей температурой до 700-750°С. Предполагается, что свойства нового сплава позволят изготавливать лопатки с помощью штамповки при относительно низких температурах
Опубликован в статье:
Nazarova T.I., Imayev V.M., Imayev R.M., Fecht H.-J. Study of microstructure and mechanical properties of Ti-45Al-(Fe,Nb) (at. %) alloys// Intermetallics. 2017. V. 82. P. 26-31.
2. Предложен новый экспериментальный сплав на основе титанового сплава ВТ8 состава ВТ8-20Zr-0,1B(вес. %). Новый сплав относится к сверхпрочным титановым сплавам. Для него были получены следующие свойства на растяжение: sВ=1560 МПа и d=4% при комнатной температуре, sВ=1230 МПа и d=14% при Т=500°С. Достигнутая удельная прочность при Т=500°С (sВ/r»248 МПа/г×см-3) является рекордной при этой температуре для всех известных титановых сплавов. Установлено, что легированиецирконием значительно повышает эффективность термического упрочнения за счет необычного для титанового сплава с относительно невысоким коэффициентом β-стабилизации мартенситного превращения b®a¢¢с сохранением остаточной β-фазы при закалке из β-области и образования тонкодисперсной пластинчатой структуры с нанометрической толщиной пластин при последующем старении. Новый сплав может быть использован как конструкционный материал с рабочей температурой до 500ºС в тех случаях, когда требуется повышенная удельная прочность
Опубликован в статье:
Гайсин Р.А., Имаев В.М., Гайсина Э.Р., Шаймарданов Р.А., Имаев Р.М. О необычно высокой прочности двухфазного титанового сплава на основе ВТ8, высоколегированного цирконием // Письма о материалах. 2016. Т. 6. Вып. 4. С. 327-332.
3. Методом молекулярной динамики исследованы дискретные бризеры в наводороженном графене. Предложена и обоснована гипотеза о том, что дискретные бризеры могут выступать активаторами разводораживания, поскольку при повышенных температурах отрыв атома водорода происходит с большей вероятностью, если он является ядром дискретного бризера. Данное направление исследования является важным для водородной энергетики, поскольку исследуется возможность использования графена для транспортировки и хранения водорода.
Опубликован в статьях:
Ю.А. Баимова, Р.Т. Мурзаев, И. П. Лобзенко, С.В. Дмитриев, K. Zhou. Дискретные бризеры в графане: влияние температуры. Журнал экспериментальной и технической физики. 2016. Т. 149. Вып. 4. С. 1-6;
С.В. Дмитриев, Е. А. Корзникова, Ю. А. Баимова, M.G. Velarde. Дискретные бризеры в кристаллах. Успехи физических наук. 2016. Т. 186. Вып. 6. C. 471–488.
4. Установлено, что при электроосаждении покрытий из электролитов, содержащих соли меди, сурьмы и олова, на медной и бронзовой подложке образуется твердый раствор олова, содержащий фазы Cu6Sn5и Sn3Sb2, по составу близкие к оловянному баббиту Б83 (Sn11Sb5.5Cu). Полученные покрытия в 8-10 раз снижают интенсивность массового изнашивания меди и бронзы на стадии приработки, а на стадии устойчивого износа наблюдается снижение интенсивности массового изнашиванияв 3 раза. Проведено компьютерное моделирование процесса износа полученного таким образом покрытия подшипника скольжения. Показано, что наличие покрытия толщиной 0,1 мм с мелкодис-персными и равномерно распределенными частицамиCu6Sn5примерно на 15% снижает максимальные напряжения в баббитовом вкладыше и на 12% ‑ в корпусе подшипника.
Опубликован в статьях:
Валеева А.Х., Валеев И.Ш. Исследование покрытий SnSbCu, электроосажденных на бронзу и медь. Письма о материалах. 2016. Т. 6. Вып. 2. С. 122-125
Валеева А.Х., Валеев И.Ш., Ахунова А.Х. Моделирование на DEFORM-2D контактных давлений при работе подшипников скольжения из баббита Б83. Фунд. пробл. совр. материаловедения. 2016. Т. 13. № 4. С. 530-533.
5. Проведены испытания на циклическую трещиностойкость по схеме трехточечного изгиба с нанесенной усталостной трещиной образцов титанового сплава Ti-6Al-4Vс различной микроструктурой (крупнозернистая пластинчатая, мелкозернистая глобулярная и бимодальная дуплексная), а также его твердофазных соединений, полученных линейной сваркой трением. На основе сравнения кинетических диаграмм скорости роста усталостных трещин показано, что циклическая трещиностойкость сварных соединений не уступает трещиностойкости основного металла - титанового сплава Ti-6Al-4Vв состоянии с мелкозернистой структурой.
Опубликован в тезисах:
Кашаев Р.М., Нагимов М.И., Хуснуллин А.М. Циклическая трещиностойкость соединения титанового сплава Ti-6Al-4V, полученного линейной сваркой трением // Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы. Сборник тезисов докладов открытой школы-конференции стран СНГ. Уфа. РИЦ БашГУ. 2016. С. 69.
Сведения о результатах по направлениям исследований в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы,полученных в 2016 году
Номер и наименование направления фундаментальных исследований |
Полученные результаты |
II. ФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИ |
|
8. Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости |
Обнаружено явление аномального роста зерен фазы Y123 при горячем кручении под давлением высокотемпературной сверхпроводящей керамики Y123. Аномальные зерна формируются на ранней стадии деформации, и их размер монотонно растет с увеличением угла кручения α. Предполагается, что эти зерна появляются в местах локализации наиболее интенсивного проскальзывания по границам зерен. Плотность аномально крупных зерен растет до определенной степени деформации, определяемой преимущественно углом кручения, а при дальнейшем возрастании α резко уменьшается благодаря развитию динамической рекристаллизации. Установлен механизм измельчения частиц вторичных фаз (Sr,Ca)14Cu24O41 и (Sr,Ca)2CuO3при горячей деформации высокотемпературной сверхпроводящей керамики на основе фазы Bi(Pb)2223. Причиной измельчения частиц является динамическая рекристаллизация в матричной фазе Bi(Pb)2223, в результате которой зерна Bi(Pb)2223 прорастают через указанные частицы. Обнаружен эффект деформационно-стимулированного роста колоний Bi(Pb)2223 при деформации, проявляющийся в том, что с уменьшением скорости кручения размер колоний уменьшается. Учет этого эффекта позволит разработать режимы получения микроструктуры, сочетающей острую текстуру и малый размер колоний, что, как ожидается, увеличит энергию пиннинга магнитных вихрей, связанную с малоугловыми границами. Проведено исследование микроструктуры и механических свойств образца сварного соединения магнитотвердого сплава 25Х15К и малоуглеродистой стали после термообработки на высококоэрцитивное состояние. Показано, что после термообработки в магнитотвердом сплаве 25Х15К происходит распад твердого раствора на изоморфные фазы a1 и a2 без изменения размера aзерен. В малоуглеродистой стали размер зерен несколько увеличивается. Такая термообработка снижает предел прочности соединения с 540 МПа до 255 МПа, что, тем не менее, превышает значение предела прочности литого магнитотвердого сплава 25Х15К в высококоэрцитивном состоянии. Изготовлена газоразрядная лампа, которая позволяет измерять токи газового разряда с четырех катодов одновременно. Проведены измерения вольтамперных характеристик газового разряда с образцов сплава АМг6 и никеля с различным размером зерен, определена их эффективность в качестве холодных катодов. Показано, что эффективность холодных катодов из образцов с малым размером зерен (d=200 нм) превышает на 20-30% эффективность холодных катодов из образцов с большим размером зерен (d>2 мкм). Повышение эффективности связано со снижением работы выхода электронов в образцах холодных катодов с уменьшением размера зерен. Исследовано влияние низкотемпературной деформационно-термической обработки на твердость и магнитные свойства полумагнитотвердой мартенситностареющей стали ЭП 836 ВД. Показано, что старение при250°С, введенное дополнительно после используемой ранее обработки, завершающейся старением при 550°С, приводит к дальнейшему увеличению твердости от HRC 52 до HRC 55-57, а коэрцитивная сила и остаточная индукция материала при этом увеличиваются на 5-10%, достигая 3,5 кА/м и 0,9 Тл, соответственно. Предложена трехмерная модель строения межфазных b/a границ в сплавах титана и схемы сопряжения ОЦК и ГПУ решеток по различным кристаллографическим плоскостям. Для различных вариантов сопряжения оценены изменения удельной энергии b/a границ в сплаве ВТ6 и техническом титане, легированном водородом, в интервале температур развития b-aпревращения. При этом учитывалось влияние состава фаз и температуры на параметры их решеток и упругие характеристики. Установлена принципиальная разница в изменении энергии межфазных b/a границ в титановом сплаве ВТ6 и в титане, легированном водородом, при понижении температуры. Она объясняется противоположным влиянием легирующих элементов замещения и внедрения на параметры решеток фаз: ванадий и алюминий уменьшают параметры решеток b и a фаз титана, а водород – увеличивает. Понижение температуры в процессе b-a превращения в титановом сплаве ВТ6 приводит к увеличению удельной поверхностной энергии всех рассмотренных межфазных границ примерно в 1,3-1,5 раза, но не оказывает значимого влияния на ее анизотропию. В сплавах титана с водородом удельная энергия широкой границы между a и b пластинами в 3–5 раз меньше удельной энергии границ, образующих боковую и торцевую поверхности этих фаз. Энергия межфазных b/a границ, образованных одинаковыми плоскостями сопряжения, в титане, легированном водородом, существенно меньше, чем в сплаве ВТ6. In-situ отжигом в колонне просвечивающего электронного микроскопа тонких фольг ультрамелкозернистого (УМЗ) сплава Al-4% Cu-0,5% Zr (вес. %) показано, что в сплаве при высоких температурах одновременно с ростом зерен происходит и их вращение. При этом процесс роста и вращения наблюдается для зерен, окруженных как большеугловыми, так и малоугловыми границами. По результатам прямого эксперимента и анализа литературных данных можно утверждать, что вращение зерен является общим механизмом релаксации структуры в процессах деформации и отжига. |
9. Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы |
Методом молекулярной динамики исследованы дискретные бризеры в наводороженном графене. Предложена и обоснована гипотеза о том, что дискретные бризеры могут выступать активаторами разводораживания, поскольку при повышенных температурах отрыв атома водорода происходит с большей вероятностью, если он является ядром дискретного бризера. Данное направление исследования является важным для водородной энергетики, поскольку исследуется возможность использования графена для транспортировки и хранения водорода. |
III. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ |
|
23. Механика деформирования и разрушения материалов, сред, изделий, конструкций, сооружений и триботехнических систем при механических нагрузках, воздействии физических полей и химически активных сред |
Установлено влияние деформационной обработки методом всесторонней изотермической ковки на микроструктуру и механические свойства низкоуглеродистой стали 12ГБА, используемой в нефтяной и газовой промышленности. Показано, что после обработки методом всесторонней ковки с температурой заключительного этапа ковки 550°С в стали формируется УМЗ структура с размером зерен/субзерен 0,5 мкм и равномерным распределением карбидных частиц. В полученном состоянии сталь 12ГБА имеет предел текучести и предел прочности, равные 600 МПа и 730 МПа, соответственно, что в полтора-два раза превышает соответствующие характеристики крупнозернистой стали. Одновременно ударная вязкость стали 12ГБА в УМЗ состоянии сохраняется на весьма высоком уровне, при этом вязко-хрупкий переход начинается при температурах ниже -80°С, то есть температура перехода снижается более чем на 40°С относительно крупнозернистого состояния. Показано, что деформационная обработка трубной стали класса прочности К65 посредством многократной теплой прокатки ведет к измельчению зерен/субзерен феррита и карбидных частиц до размеров 0,4 мкм и 0,1-0,2 мкм, соответственно. При этом частицы карбидов имеют глобулярную форму и относительно равномерно распределены в ферритной составляющей структуры стального материала. Исследованная сталь после многократной теплой прокатки отличается высокими прочностными характеристиками при комнатной температуре. Так, например, предел прочности и предел текучести составляют 852 МПа и 810 МПа, соответственно, что почти в полтора-два раза выше прочностных характеристик данной стали в состоянии после контролируемой прокатки. Методом всесторонней изотермической ковки сплава ВТ6 с исходной тонкопластинчатой и глобулярно-пластинчатой структурой получены однородная УМЗ структура с размером зерен 0,5-0,7 мкм и бимодальная структура, представляющая собой двухфазную смесь ультрамелких равноосных зерен a и b фаз с размером 0,8-1 мкм и глобулярных зерен первичной a-фазы с размером 5-20 мкм. Прочностные характеристики сплава в обоих состояниях близки по величине. При переходе от однородного УМЗ состояния к бимодальному происходит повышение величины ударной вязкости KCT в сплаве примерно на 25%. Исследованы характеристики высокоскоростной сверхпластичности ультрамелкозернистого алюминиевого сплава 1570С (Al-5Mg-0,18Mn-0,2Sc-0,08Zr), подвергнутого холодной прокатке с целью получения листов. Показано, что сплав после прокатки сохраняет способность для обработки в условиях высокоскоростной сверхпластичности в интервале температур 425-500°С, если доля ультрамелких зерен в его структуре до прокатки не превышает 80%. В противном случае сплав теряет эту способность из-за огрубления зеренной структуры при нагреве под сверхпластическую деформацию по причине аномального роста отдельных зерен, а также потери когерентности и огрубления наноразмерных дисперсоидов Al3(Sc,Zr). Проведено молекулярно-динамическое исследование механизмов деформации нанокристаллических чистого алюминия и бинарных сплавов Al-Co и Al-Mg с распределением легирующих элементов либо вдоль границ зерен, либо в виде твердого раствора. Установлено, что деформация чистого Al связана с зернограничным проскальзыванием и одновременно с миграцией границ зерен. Зернограничные сегрегации могут существенно изменить механизмы пластической деформации. Атомы Mg в границах зерен ведут к миграции границ и росту зерен, в то время как твердый раствор Mg деформируется так же, как чистый Al. В отличие от Mg, зернограничные сегрегации атомов Со задерживают зернограничное проскальзывание и миграцию границ, приводя к более высокой прочности нанокристаллического сплава Al-Co. Прочность сплава с атомами Co в виде твердого раствора очень мала из-за аморфизации структуры, облегчающей пластическое течение. Таким образом, зернограничные сегрегации могут значительно влиять на процессы деформации и прочность нанокристаллических алюминиевых сплавов путем воздействия на такие важные механизмы их пластической деформации, как зернограничное проскальзывание и миграция границ зерен. Проведено исследование влияния равноканального углового прессования (РКУП) на микроструктуру и механическое поведение сплава Cu-0,3% Cr-0,5% Zr, находящегося в двух исходных состояниях - твердорастворном и состаренном. В обоих случаях РКУП приводит к существенному увеличению прочности материалов (предел прочности в первом случае достигает величины около 480 МПа, во втором - 510 МПа). Показано, что механическое поведение сплава после РКУП может быть объяснено в рамках модели Орована, усовершенствованной Бэконом, Коксом и Скаттергодом (BKS-model), если учесть дополнительное динамического старение твердого раствора при РКУП при повышенной температуре. Полученные высокопрочные состояния сплава CuCrZr представляют интерес для электротехнических применений. Исследованы микроструктура и механические свойства сплава Al-7Si-0,4Mg, подвергнутого аккумулятивной обратной экструзии в интервале температур 200-500°С. Измельчение зерен, достигаемое только однократной обратной экструзией, позволяет получать состояния, прочностные свойства в котором сопоставимы с характеристиками состояний, полученных РКУП. После экструзии при 200°С пределы текучести и прочности достигают 160 и 400 МПа, соответственно, против 245 и 270 МПа после 10 проходов РКУП. При этом удлинение до разрушения остается в пределах 7-8%, что лишь незначительно ниже пластичности исходного состояния (9%). Результаты показывают, что процесс аккумулятивной обратной экструзии может быть более эффективным и технически более простым способом получения высокопрочных УМЗ материалов, чем другие методы интенсивной пластической деформации. |
24. Механика технологий, обеспечивающих устойчивое инновационное развитие инфраструктур и пониженной уязвимости по отношению к возможным внешним и внутренним дестабилизирующимфакторам природного и техногенного характера |
Для определения возможности восстановления жаропрочных свойств гранульного сплава ЭП741НП после формообразования в условиях сверхпластичности, в нем была подготовлена УМЗ структура типа микродуплекс и проведена термическая обработка при различных температурах. Варьирование режимов термообработки позволяет получать структурные состояния с различным размером зерен от 10 до 70 мкм. При этом достигается значительное повышение уровня свойств по сравнению со значениями, установленными техническими условиями для сплава ЭП741НП, подвергнутого только горячему изостатическому прессованию: прочностных ‑ на 12-20%, пластических ‑ на 50-75%, характеристик длительной прочности ‑ не менее чем в 3 раза. С целью получения бездефектной заготовки с рекристаллизованной структурой выполнена деформация в толстой оболочке образцов из высоколегированного никелевого сплава экспериментального состава - Ni-50(Co,Cr,W,Ta,Ti,Al,Mo,Nb,Re)-0,1(C,LaY,Ce,B) (вес. %). Сплавы данной группы с повышенным содержанием рения обычно являются монокристаллическими и считаются непригодными для деформации. Показано, что сплав после деформации имеет однородную мелкозернистую структуру и высокие прочностные свойства (σв=1600 МПа, σ0,2=1300 МПа). Проведение термической обработки с высокотемпературным отжигом на твердый раствор при температуре, близкой к температуре полного растворения g¢ фазы, привело к росту g зерен и, соответственно, к понижению прочностных свойств при комнатной температуре до σв=1370 МПа. Проведены испытания на циклическую трещиностойкость по схеме трехточечного изгиба с нанесенной усталостной трещиной образцов титанового сплава ВТ6 с различной микроструктурой (крупнозернистая пластинчатая, мелкозернистая глобулярная и бимодальная дуплексная), а также его твердофазных соединений, полученных линейной сваркой трением. На основе сравнения кинетических диаграмм скорости роста усталостных трещин показано, что циклическая трещиностойкость сварных соединений не уступает трещиностойкости основного металла - титанового сплава ВТ6 в состоянии с мелкозернистой структурой. |
29. Триботехника и износостойкость высоконагруженныхэлементов машин |
Установлено, что при электроосаждении покрытий из электролитов, содержащих соли меди, сурьмы и олова, на медной и бронзовой подложке образуется твердый раствор олова, содержащий фазы Cu6Sn5 и Sn3Sb2, по составу близкие к оловянному баббиту Б83 (Sn11Sb5.5Cu). Полученные покрытия в 8-10 раз снижают интенсивность массового изнашивания меди и бронзы на стадии приработки, а на стадии устойчивого износа наблюдается снижение интенсивности массового изнашивания в 3 раза. Проведено компьютерное моделирование процесса износа полученного таким образом покрытия подшипника скольжения. Показано, что наличие покрытия толщиной 0,1 мм с мелкодисперсными и равномерно распределенными частицами Cu6Sn5 примерно на 15% снижает максимальные напряжения в баббитовом вкладыше и на 12% ‑ в корпусе подшипника. |
V. ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ И НАУКИ О МАТЕРИАЛАХ |
|
45. Научные основы создания новых материалов с заданными свойствами и функциями, в том числе высокочистых и наноматериалов |
Установлено, что экспериментальный сплав состава Ti-45Al-5Fe-5Nb (ат. %) на основе фаз γ(TiAl) и τ2(Al2NbTi), обладает повышенной пластичностью и прочностью на сжатие при комнатной температуре и приемлемой прочностью при повышенных температурах по сравнению с γ(TiAl) сплавами последнего поколения. При комнатной температуре были получены следующие свойства на сжатие: s1,25 = 960 МПа, sмакс. = 2250 МПа, e = 28 %, тогда как сплав Ti-45Al-5Nb-1Mo-0,2B демонстрировал s1,25 = 930 МПа, sмакс. = 1655 МПа и e = 16 %. Новый сплав показал улучшенную технологическую пластичность при повышенных температурах (Т ³ 800°С). Потенциальное применение нового сплава – в качестве лопаточного материала с рабочей температурой до 700-750°С, при этом изготовление лопатки, по-видимому, осуществимо посредством штамповки при относительно низких температурах. Предложен новый экспериментальный сплав на основе титанового сплава ВТ8 состава ВТ8-20Zr-0,1B (вес. %). Новый сплав относится к сверхпрочным титановым сплавам. Для него были получены следующие свойства на растяжение: sВ=1560 МПа и d=4% при комнатной температуре, sВ=1230 МПа и d=14% при Т=500°С. Достигнутая удельная прочность при Т=500°С (sВ/r»248 МПа/г×см-3) является рекордной при этой температуре для всех известных титановых сплавов. Установлено, что легирование цирконием значительно повышает эффективность термического упрочнения за счет необычного для титанового сплава с относительно невысоким коэффициентом β-стабилизации мартенситного превращения b®a¢¢ с сохранением остаточной β-фазы при закалке из β-области и образования тонкодисперсной пластинчатой структуры с нанометрической толщиной пластин при последующем старении. Новый сплав может быть использован как конструкционный материал с рабочей температурой до 500ºС в тех случаях, когда требуется повышенная удельная прочность. Методом сварки давлением в вакууме изготовлен пятислойный композит на основе низкоуглеродистой стали 12ГБА с УМЗ структурой и алюминия. Стальные пластины были вырезаны из заготовки стали 12ГБА, подвергнутой деформационной обработке методом всесторонней изотермической ковки с понижением температуры этапов от 700 до 500°С и имеющей после ковки однородную УМЗ структуру со средним размером зерен/субзерен 0,3 мкм. В качестве слоя между стальными пластинами использовали алюминиевую фольгу марки АД0 толщиной 11 мкм. Диффузионную сварку давлением осуществили при температуре 500°С, что позволило сохранить в стальном материале УМЗ структуру. Сваркой давлением с использованием сверхпластичности впервые на практике получено качественное твердофазное соединение разнородных никелевых сплавов, в частности, интерметаллидного сплава ВКНА-25 и никелевого сплава ЭП975 с крупнозернистой структурой, через прослойку из УМЗ сплава ЭП975. Твердофазное соединение после термической обработки характеризуется прочностью на растяжение, составляющей 0,9 от прочности интерметаллидного сплава. |