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.