Прочность и пластичность металлов и сплавов при внешних энергетических воздействиях

ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 
ПРИ ВНЕШНИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ 
Монография 
Под редакцией В. Е. Громова 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 
1 

УДК 669.017 
ББК 34.431 
П84 
Авторы: 
К. В. Аксёнова, Л. П. Бащенко, В. Е. Громов, В. И. Данилов,  
Д. В. Загуляев, Ю. Ф. Иванов, Ф. И. Иванов, И. А. Комиссарова,  
С. В. Коновалов, Е. В. Мартусевич, С. В. Московский,  
С. А. Невский, О. А. Перегудов, Ю. А. Рубанникова, Д. А. Романов, 
В. Д. Сарычев, В. П. Сергеев, В. А. Федоров 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор В. В. Муравьев; 
доктор технических наук, профессор А. Н. Смирнов 
П84 
Прочность и пластичность металлов и сплавов при внешних 
энергетических воздействиях : монография / [К. В. Аксёнова и др.] ; под 
ред. В. Е. Громова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 208 с. : 
ил., табл. 
 ISBN 978-5-9729-0508-9
Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований, посвященных выявлению на различных структурных и масштабных уровнях закономерностей влияния внешних энергетических воздействий на металлы 
и сплавы. Проанализированы физические механизмы влияния данных видов 
воздействий на физические и механические свойства. Представлены физические основы технологии создания некоторых перспективных конструкционных 
и функциональных металлических материалов.  
Для специалистов в области физики конденсированного состояния, металловедения и термической обработки, физического материаловедения. Может 
быть полезно аспирантам и студентам соответствующих специальностей. 
УДК 669.017 
ББК 34.431 
ISBN 978-5-9729-0508-9 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 6 
 
ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ИЗНОСОСТОЙКИХ  
КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА НИЗКОУГЛЕРОДИСТУЮ  
СТАЛЬ ........................................................................................................................ 9 
Введение 
............................................................................................................. 9 
Материал и методы исследования 
................................................................. 10 
Результаты и их обсуждение 
.......................................................................... 11 
Заключение ...................................................................................................... 16 
Список литературы ......................................................................................... 16 
 
ГЛАВА 2. ПРИРОДА УПРОЧНЕНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ  
КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ 
..................................... 19 
Введение 
........................................................................................................... 19 
Материал и методы исследования 
................................................................. 21 
Результаты и их обсуждение 
.......................................................................... 22 
Заключение ...................................................................................................... 28 
Список литературы ......................................................................................... 29 
 
ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ  
ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  
КОНТАКТАХ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ .................................... 32 
Введение 
........................................................................................................... 32 
Материал и методы исследования 
................................................................. 34 
Результаты и их обсуждение 
.......................................................................... 38 
Основные выводы ........................................................................................... 44 
Список литературы ......................................................................................... 47 
 
ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРНО- 
ФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ ТИТАНА ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ  
ОБРАБОТКЕ, ТОКОВОМ ИМПУЛЬСНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ  
И МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ ................................................................ 50 
Введение 
........................................................................................................... 50 
Материал и методы исследования 
................................................................. 51 
Результаты и их обсуждение 
.......................................................................... 52 
Заключение ...................................................................................................... 61 
Список литературы ......................................................................................... 62 
3 

ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ФОРМИРОВАНИЯ  
МИКРО И НАНОСТРУКТУРНЫХ СОСТОЯНИЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ  
КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ ............................................ 65 
Введение 
........................................................................................................... 65 
Выводы ............................................................................................................. 75 
Список литературы ......................................................................................... 75 
 
ГЛАВА 6. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПЕРЛИТНОЙ  
СТАЛИ ПРИ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ............. 78 
Введение 
........................................................................................................... 78 
Материал и методы исследования 
................................................................. 79 
Результаты и их обсуждение 
.......................................................................... 80 
Заключение ...................................................................................................... 89 
Список литературы ......................................................................................... 91 
 
ГЛАВА 7. МИКРОТВЕРДОСТЬ И ПОЛЗУЧЕСТЬ АЛЮМИНИЯ 
ПРИ СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ 
............................................................... 93 
Введение 
........................................................................................................... 93 
Материал и методы исследования 
................................................................. 94 
Результаты и их обсуждение 
.......................................................................... 94 
Заключение .................................................................................................... 101 
Список литературы ....................................................................................... 103 
 
ГЛАВА 8. ФОРМИРОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРЫ  
И ФАЗОВОГО СОСТАВА ДОЭВТЕКТИЧЕСКОГО СИЛУМИНА  
ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКЕ И МНОГОЦИКЛОВОЙ 
УСТАЛОСТИ 
......................................................................................................... 106 
Введение 
......................................................................................................... 107 
Материал и методы исследования 
............................................................... 108 
Результаты и их обсуждение 
........................................................................ 109 
Заключение .................................................................................................... 118 
Список литературы ....................................................................................... 119 
 
ГЛАВА 9. КОМПЛЕКСНОЕ УПРОЧНЕНИЕ ТИТАНА  
ПРИ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОМ НАУГЛЕРОЖИВАНИИ  
И КАРБОБОРИРОВАНИИ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННО- 
ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКЕ 
................................................................................... 122 
Введение 
......................................................................................................... 122 
Материал и методы исследования 
............................................................... 124 
4 

Результаты и их обсуждение 
........................................................................ 126 
Основные выводы ......................................................................................... 133 
Список литературы ....................................................................................... 133 
 
ГЛАВА 10. ПРИРОДА УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ИНВАРИАНТА  
АВТОВОЛН ЛОКАЛИЗОВАННОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ ................................. 136 
Введение 
......................................................................................................... 136 
Основные представления и экспериментальные данные 
.......................... 139 
Обсуждение результатов .............................................................................. 146 
Заключение .................................................................................................... 148 
Список литературы ....................................................................................... 149 
 
ГЛАВА 11. СПЕКТРЫ ОПТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ  
НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ E-PBN6 ........................................................... 151 
Введение 
......................................................................................................... 151 
Методика спектрофотометрических измерений и спектры  
поглощения НК E-PbN6 
................................................................................. 152 
Список литературы ....................................................................................... 165 
 
Глава 12. МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЛЬЕФА  
НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ  
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 
................................................................................. 167 
Введение 
......................................................................................................... 167 
Методика экспериментов ............................................................................. 167 
Выводы ........................................................................................................... 180 
Список литературы ....................................................................................... 180 
 
ГЛАВА 13. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОКОМПОЗИТНЫЕ  
ПОКРЫТИЯ НА ЭЛЕМЕНТАХ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ 
...................... 183 
Повышение термоциклической стойкости многослойных  
теплозащитных покрытий на основе Zr-Y-O / Si-Al-N ............................. 183 
Повышение износостойкости экспериментальных образцов  
электроконтактных пар трения при обработке пучками ионов N 
и нанесении нанокомпозитных покрытий Cu-Mo-S 
.................................. 189 
Оптически прозрачные металло-керамические защитные покрытия  
на стеклах иллюминаторов космических аппаратов ................................. 197 
Заключение .................................................................................................... 201 
Список литературы ....................................................................................... 203 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
Прогресс в развитии современной техники требует использования новых 
конструкционных материалов с высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками. Такие материалы и изделия из них не могут быть получены и обработаны традиционными методами. Поэтому одной из важнейших 
задач научно-технической политики является создание и внедрение качественно новых технологических процессов, в том числе с использованием внешних 
энергетических воздействий на прочность и пластичность материалов. 
В основе создания материалов с заданными свойствами лежат два основных подхода: изменение химического состава и формирование необходимой 
структуры материала. На этих же принципах основаны методы упрочнения поверхностей за счет модифицирования слоя материала (без изменения геометрических размеров детали) и нанесения покрытия на поверхность детали, когда 
размеры детали изменяются на величину нанесенного слоя покрытия. В первом 
случае изменяются или структура материала в поверхностном слое, или химический состав и распределение элементов по глубине слоя, или одновременно, 
и то, и другое. Во втором случае главным фактором, определяющим упрочнение, является выбранный материал покрытия, отличающийся от основного материала детали и обеспечивающий требуемые свойства поверхности. 
Выяснение физических механизмов формирования и эволюции структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры в сталях и сплавах при 
внешних энергетических воздействиях - одна из важнейших задач физики 
твердого тела. Экспериментальные исследования структур и фазового состава, 
формирующихся в сечении изделий в результате таких воздействий, очень 
важны для понимания физической природы превращений, поскольку позволяют целенаправленно изменять структуру и эксплуатационные параметры изделий. При этом получение необходимого комплекса высоких прочностных и 
пластических свойств требует понимания физических механизмов и природы 
структурно-фазовых изменений на всех масштабных условиях - от макро до 
нано. Значительная роль в решении фундаментальных и прикладных задач 
принадлежит теоретическим подходам и модельным представлениям.  
Спектр способов внешних энергетических воздействий достаточно широк: традиционные виды химико-термической и термомеханической обработок, 
лазерная, плазменная, ультразвуковая обработка, электронные и ионные пучки 
и т. д. Способы поверхностного модифицирования, использующие концентрированные потоки энергии, такие как лазерное излучение, мощные электронные 
и ионные пучки, плазменные потоки и струи, являются очень экономичными. 
Они позволяют проводить обработку локально, т. е. в тех местах, которые 
6 

непосредственно испытывают разрушение в процессе эксплуатации детали. 
Один из таких конструктивно простых способов, получивших развитие в последнее десятилетие, состоит в легировании поверхности импульсными плазменными струями, формируемыми при электрическом взрыве проводников. 
Электровзрывное легирование (ЭВЛ) проводится с оплавлением поверхности, а 
распределение легирующих элементов по глубине осуществляется конвективными процессами. Улучшение качества поверхности после ЭВЛ эффективно 
достигается при дополнительной электронно-пучковой обработке. 
Слабые и сильные электомагнитные поля и токи вот уже на протяжении 
последних 50 лет являются эффективным инструментом управления прочностью и пластичностью. Огромный объем выполненных исследований показал 
актуальность и практическую значимость этих методов в физике конденсированного состояния. 
В современных условиях эксплуатации машин и конструкций в число основных задач выдвигается повышение прочности, ресурса, живучести и долговечности. Экстремальные условия по уровню механических, тепловых, электромагнитных, гидро- и аэродинамических повторных нагрузок обусловливают 
наличие в нагруженных зонах пластических деформаций. Наиболее ответственные и уникальные изделия, машины и конструкции эксплуатируются  
в режимах циклических деформаций, определяющих разрушение уже при незначительных нагрузках. Долговечность и надежность машин во многом определяются их сопротивлением усталости, так как в подавляющем большинстве 
случаев для деталей машин основным видом нагружения являются динамические, повторные и знакопеременные нагрузки, а основной вид разрушения - 
усталостный. Управление такими процессами возможно созданием субмикро и 
нанокристаллической структуры. Интенсивные пластические (мегапластические) деформации, реализуемые, например, при длительной эксплуатации рельсов приводят к образованию в поверхностных слоях таких структур. Выявление 
механизмов возможно лишь при анализе закономерностей эволюции параметров тонкой структуры и оценки вкладов структурных составляющих и дефектной субструктуры в упрочнение рельсов при длительной эксплуатации. В настоящее время это возможно при использовании высокоинформативных методов 
просвечивающей электронной микроскопии, позволяющих проводить комплексный анализ как морфологии и дефектной структуры, так и фазового состава  
с достаточной степенью локальности по сечению рельсов. 
Получение покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками, 
обеспечивающими повышение надежности и долговечности работы изделий в 
экстремальных условиях, характеризующихся повышенными механическими 
7 

нагрузками, износом, коррозией, наличием агрессивных сред и циклическим 
воздействием, является фундаментальной задачей. 
Для повышения эксплуатационных свойств поверхностных слоев металлических изделий и конструкций используются различные виды концентрированных потоков энергии. В практике восстановления изношенных поверхностей в различных отраслях промышленности используются различные виды 
наплавки - дуговая, лазерная, электрошлаковая, электронно-лучевая и другие. 
Вышеуказанные направления изучения прочности и пластичности металлов 
и сплавов при внешних энергетических воздействиях являются основными, реализуемыми в научной школе кафедры естественнонаучных дисциплин СибГИУ. 
Теоретические и модельные представления и подходы помогают глубже разобраться в сложных взаимосвязанных процессах структурно-фазовых превращений на разных масштабных уровнях при энергетических воздействиях и, соответственно, физической природе явлений. 
Написание глав осуществлено научными коллективами из академических 
институтов и высших учебных заведений. 1 глава - Рубанникова Ю. А., Громов В. Е.; 2 глава - Мартусевич Е. В., Иванов Ю. Ф.; 3 глава - Московский С. В., 
Романов Д. А.; 4 глава - Коновалов С. В., Комиссарова И. А.; 5 глава - Невский С. А., Сарычев В. Д.; 6 глава - Перегудов О. А., Громов В. Е., Иванов Ю. Ф.;  
7 глава - Загуляев Д. В.; 8 глава - Аксенова К. В., Громов В. Е.; 9 глава - Бащенко Л. П.; 10 глава - Данилов В. И.; 11 глава - Иванов Ф. И.; 12 глава - Федоров В. А.; 13 глава - Сергеев В. П. 
Авторы считают своим прямым долгом вырозить искреннюю признательность рецензентам докторам наук, профессорам А. Н. Смирнову и В. В. Муравьеву за анализ работ и сделанные замечания. 
 
8 

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ИЗНОСОСТОЙКИХ  
КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА НИЗКОУГЛЕРОДИСТУЮ 
СТАЛЬ 
Резюме. Методами современного физического материаловедения проведено исследование структурно-фазовых состояний, механических и трибологичееских свойств B, Cr и Nb содержащих покрытий, наплавленных на низкоуглеродистые стали Хардокс 400 и Хардокс 450 электродуговым методом. 
Установлены механизмы упрочнения за счет образования субмикро и наноразмерной структуры, содержащей карбиды, карбобориды и бориды.  
 
Введение 
 
Один из наиболее эффективных и экономичных методов защиты поверхности - это электродуговая наплавка, позволяющая обеспечить оптимальное соотношение свойств поверхности и объема материала. Она применяется не только 
для ремонта изношенных элементов конструкций, но и для придания особых 
свойств поверхностям новых изделий перед вводом их в эксплуатацию [1െ5].  
В последние годы получили развитие научные исследования и практические разработки в области наплавки композиционных покрытий, упрочненных 
частицами карбидов, боридов и других высокотвердых и высокомодульных 
фаз. Такие покрытия эффективно работают в условиях сильного абразивного 
изнашивания и применяются в различных областях промышленности (строительной, металлургической, горнодобывающей и др.). В этом случае основными факторами, обеспечивающими упрочнение, является выбранный материал 
наплавочного покрытия.  
Из-за износа и коррозии деталей и конструкций ежегодные убытки в 
промышленности всех стран мира составляют миллиарды долларов, поскольку 
при остановках производства, связанных с ремонтом, выпуск продукции снижается. По данным фирмы «Eutectic  Castolin» (Швейцария) стоимость ежегодных простоев в промышленности равна около 15  общих годовых затрат; 
80  общего времени простоев составляют потери рабочего времени вследствие поломок оборудования. Борьба с изнашиванием и коррозией осложнена 
тем, что использование объемно-легированных материалов, являвшееся до последнего времени основным способом решения этой задачи, становится все более проблематичным из-за истощения запасов легирующих элементов и значительного увеличения их стоимости.  
Интенсификация технологических процессов добычи полезных ископаемых предъявляет повышенные требования к комплексу механических свойств 
9 

рабочих поверхностей оборудования, используемого на предприятиях горнометаллургического комплекса. Наиболее остро эта проблема стоит для крупногабаритных деталей и конструкций, таких, например, как ковши экскаваторов, 
кузова самосвалов и других, поэтому исследования в этой области являются актуальными как в научном, так и в практическом плане. В последние годы получили развитие исследования в области наплавки композиционных покрытий, 
упрочненных частицами карбидов, боридов и других высокотвердых и высокомодульных фаз. Основными факторами, определяющими их эксплуатационные 
свойства, являются химический и фазовый составы материала покрытия. Для 
обоснованного выбора материала покрытий, соответствующих условиям их 
эксплуатации, необходимо проведение подробных исследований их свойств и 
структуры.  
Целью настоящей работы явился сравнительный анализ структурнофазовых состояний и выявление природы высоких физико-механических 
свойств покрытий, наплавленных на износостойкие стали Хардокс 400 и Хардокс 450 электродуговым методом порошковыми проволоками различного химического состава.  
 
Материал и методы исследования 
 
Стали Хардокс 400 и Хардокс 450, элементный состав которых приведен 
в таблице 1.1, характеризуются низким содержанием легирующих элементов, 
вследствие чего она хорошо сваривается и обрабатывается. Благодаря специальной системе закалки листов, суть которой заключается в быстром охлаждении прокатанного листа без последующего отпуска, достигается мелкозернистая структура стали и ее высокая твердость. 
Таблица 1.1 
Химический состав используемых материалов (Fe - остальное) 
Содержание элементов,  (по массе) 
С 
Si 
Mn 
P 
S 
Cr 
Ni 
Mo 
B 
Nb 
Материал 
подложки 
и порошковая 
проволока 
Сталь 
Хардокс 400 
0,18 
0,70 
1,60 
0,025 
0,01 
1,0 
0,25 
0,25 
- 
- 
Сталь 
Хардокс 450 
0,19െ0,26 0,70 
1,6 
0,025 
0,01 
0,25 
0,25 
0,25 
0,004 
- 
Борсодержащие 
покрытие 1 
0,70 
1,0 
2,0 
- 
- 
0,0 
2,0 
- 
6,5 
- 
Ниобий и хром 
содержащее  
покрытие 2 
2,06 
0,65 
2,51 
0,03 
- 
13,48 
- 
- 
- 
6,36 
10