ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 621.789:538.911
DOI: 10.18503/1995-2732-2023-21-1-32-44
Аннотация
Актуальность работы. Применение модифицирования металлов и сплавов методами внешних энергетических воздействий позволяет локально упрочнить поверхностный слой деталей и узлов, изготавливаемых из алюминиевых сплавов. Цель работы. Выявление закономерностей влияния режимов электронно-пучковой обработки на механические характеристики и морфологию поверхности разрушения сплава АК5М2, поверхностно модифицированного титаном. Используемые методы. Применены современные методы физического материаловедения. Выполнено поверхностное модифицирование сплава АК5М2 пленкой Ti вакуумно-дуговым методом. Модифицированные образцы сплава АК5М2 облучались интенсивным импульсным электронным пучком при режимах, отличающихся плотностью энергии пучка электронов (от 10 до 50 Дж/см2). Механические испытания проведены путем одноосного растяжения до разрушения образцов сплава в исходном состоянии, модифицированных образцов до и после облучения по 5-ти режимам. Методами сканирующей электронной микроскопии проведен фрактографический анализ поверхности разрушения образцов, полученных в результате растяжения. Новизна. Разработка уникального способа модификации сплава АК5М2 позволяет улучшить его прочностные и морфологические свойства по сравнению с материалом в исходном состоянии. Результаты. В результате механических испытаний установлены значения предела текучести, временного сопротивления, относительного остаточного удлинения и сужения при разрыве. Установлена зависимость изменения деформационных характеристик и структуры поверхности разрушения от режимов ЭПО. На основании проведенных испытаний образцов сплава АК5М2, поверхностно модифицированного титаном, выявлен режим электронно-пучковой обработки, приводящий к формированию в поверхностном слое структуры, характеризующейся повышенными механическими свойствами. Практическая значимость. Поверхностное модифицирование титаном сплава АК5М2 после электронно-пучковой обработки при режиме с применением плостности энергии пучка электронов 30 Дж/см2 приводит к повышению прочностных характеристик. Параметры данного режима можно использовать для локального упрочнения деталей, изготовленных из данного сплава, например втулочных подшипников.
Ключевые слова
модификация сплавов, электронно-пучковая обработка, вакуумно-дуговой метод, механические характеристики АК5М2, фрактография
Для цитирования
Исследование механических характеристик и морфологии поверхности разрушения сплава АК5М2, поверхностно модифицированного титаном / Серебрякова А.А., Загуляев Д.В., Шляров В.В., Шлярова Ю.А., Иванов Ю.Ф., Устинов А.М. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2023. Т. 21. №1. С. 32-44. https://doi.org/10.18503/1995-2732-2023-21-1-32-44
1. Otani B. Silumin and its Structure // J. Inst. Met. 2022, no. 36, 1926 р.
2. Qi M., Kang Y., Qiu Q., Tang W., Li J. Microstructures, mechanical properties, and corrosion behavior of novel high-thermal-conductivity hypoeutectic Al-Si alloys prepared by rheological high pressure diecasting and high pressure diecasting // J. Alloys Compd. 2018, vol. 15(745), pp. 487-502.
3. Marukovich E., Stetsenko V. The problem of modifying an aluminumsilicon eutectic alloy of silumins. Way of solutions // Litiyo i Metallurgiya. 2018, vol. 91, no. 2, pp. 12-15.
4. Anantha Padmanaban D., Kurien G. Silumins. The automotive alloys // Advanced Materials and Processes. 2012, no. 170, pp. 28-30.
5. Mechanical properties and microstructures of a modified Al-Si-Cu alloy prepared by thixoforming process for automotive connecting rods / S. Samat, M.Z. Omar, A.H. Baghdadi, I.F. Mohamed, A.M. Aziz // J. Mater. Res. Tech. 2021, no. 10, pp. 1086-1102.
6. Javidani M., Larouche D. Application of cast Al-Si alloys in internal combustion engine components // International Materials Reviews. 2014, vol. 59, no. 3, pp. 132-158.
7. Robles Hernandez F.C., Herrera Ramírez J.M., Mackay R. Al-Si Alloys: Automotive, Aeronautical, and Aerospace Applications. Cham, 2017.
8. Грищенко Н.А., Сидельников С.Б., Губанов И.Ю. Механические свойства алюминиевых сплавов: монография. Красноярск: СФУ, 2012. 196 с.
9. Модификация структуры и свойств эвтектического силумина электронно-ионно-плазменной обработкой / А.П. Ласковнев, Ю.Ф. Иванов, Е.А. Петрикова и др. Минск: Беларус. навука, 2013. 287 с.
10. Волочко А.Т. Модифицирование эвтектических и первичных частиц кремния в силуминах. Перспективы развития // Литьё и металлургия. 2015. №4. C. 39-45.
11. Study on surface alloying of 38CrMoAl steel by electron beam / Ren X., Wang R., Wei D. et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2021, vol. 505, pp. 44-49.
12. Influence of irradiation number of high current pulsed electron beam on the structure and properties of M50 steel / Xu F., Tang G., Guo G., Ozur G. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B Beam Interactions with Materials and Atoms. 2010, vol. 15, pp. 2395-2399.
13. The effect of high-intensity electron beam on the crystal structure, phase composition, and properties of Al-Si alloys with different silicon content / D.V. Zaguliaev, S.V. Konovalov, Yu.F. Ivanov, V.Е. Gromov, V.V. Shlyarov, Yu.A. Rubannikova // Progress in Physics of Metals. 2021, vol. 22, no. 1, pp. 129-157.
14. A facility for metal surface treatment with an electron beam / N.N. Koval', P.M. Shchanin, V.N. Devyatkov, V.S. Tolkachev, L.G. Vintizenko // Instruments and Experimental Techniques. 2005, vol. 48, pp. 117-121.
15. Vorobyov M.S., Koval N.N., Sulakshin S.A. An electron source with a multiaperture plasma emitter and beam extraction into the atmosphere // Instruments and Experimental Techniques. 2015, vol. 58, pp. 687-695.
16. Koval' N.N., Ivanov Yu.F. Nanostructuring of surfaces of metalloceramic and ceramic materials by electronbeams // Russian Physics Journal. 2008, vol. 51, pp. 505-516.
17. Pulsed electron beam facility (GESA) for surface treatment of materials / V. Engel’ko, B. Yatsenko, G. Mueller, H. Bluhm // Vacuum. 2001, vol. 62/2-3, pp. 211-216.
18. Electron beam facility GESA-SOFIE for insitu characterization of cathode plasma dynamics / R. Fetzer, W. An, A.Weisenburger, G. Müller // Vacuum. 2017, vol. 145, pp. 179-185.
19. Application of high-current pulsed electron beams for modifying the surface of gasturbine engine blades / V.A. Shulov, A.N. Gromov, D.A. Teryaev, V.I. Engel’ko // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2016, vol. 57, pp. 256-265.
20. Proskurovsky D.I., Rotshtein V.P., Ozur G.E. Use of low-energy, high-current electron beams for surface treatment of materials // Surface Coat. Technol. 1997, vol. 96, pp. 117-122.
21. Pulsed electron-beam technology for surface modification of metallic materials / D.I. Proskurovsky, V.P. Rotshtein, G.E. Ozur, A.B. Markov, D.S. Nazarov, M.A. Shulov, Yu. F. Ivanov, R.G. Buchheit // Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces and Films. 1998, vol. 16, pp. 2480-2488.
22. Ozur, G.E., Proskurovsky D.I. Generation of Low-Energy High-Current Electron Beams in Plasma-Anode Electron Guns // Plasma Physics Reports. 2018, vol. 44, pp. 18-39.
23. Электронно-ионно-плазменная модификация поверхности цветных металлов и сплавов / под общ. ред. Н.Н. Коваля и Ю.Ф. Иванова. Томск: Изд-во НТЛ, 2016. 312 с.
24. Barrirero J. Eutectic Modification of Al-Si casting alloys. Materials Science. 2019, 113 p.
25. Федун В., Коляда Ю. Динамика фазовых превращений при поверхностной модификации металлов и сплавов электронным пучком // Вопросы атомной науки и техники. 2010. № 7. С. 316-320.
26. Bratushka S., Malikov L.V. Ionplasma modification of titanium alloys // Problems of Atomic Science and Technology. 2021, pp. 126-140.
27. Andrianova N., Borisov A., Krit B., Mashkova E., Ovchinnikov M., Timofeev M., Umarov F. Ionplasma modification of the surface of light fiber materials. Journal of Physics: Conference Series. 2020, no. 1713, pp. 012006.
28. Эволюция структуры и свойств силумина АК10М2Н, облученного интенсивным импульсным электронным пучком / В.Е. Громов, И.Ф. Иванов, Д.В. Загуляев и др. // Неорганические материалы. 2018. Т. 54. № 12. С. 1372-1378.
29. Electronion-plasma modification of the structure and properties of commercial steels / Yu. Ivanov, A. Klopotov, A. Potekaev, N. Koval, V. Vlasov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017, no. 168, 012070.
30. Zaguliaev D., Gromov V., Konovalov S. Electron-Ion-Plasma Modification of a Hypereutectic Al-Si Alloy (1st Edition), CRC Press, 2020.
31. Структура и упрочнение силумина, модифицированного электронноионной плазмой: монография / В.Е. Громов, Д.В. Загуляев, Ю.Ф. Иванов, С.В. Ко¬новалов, С.А. Невский, В.Д. Сарычев, Е.А. Будовских, Ю.А. Рубанникова; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Сибирский государственный индустриальный университет. Новокузнецк: Издательский центр СибГИУ, 2020. 287 с.
32. ISO 6892-1:2016. Metallic materials – Tensile testing. Part 1: Method of test at room temperature. 2016. 79 p.
33. Inkson B.J. Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) for materials characterization. Materials Characterization Using Nondestructive Evaluation (NDE) Methods Elsevier Ltd. 2016, pp. 17-43.
34. Primig S., Theska F., Haghdadi N. 'Electron Micros-copy Methods', in Encyclopedia of Materials: Metals and Alloys, Elsevier, 2021, pp. 203-211.
35. Kuo J. Electron Microscopy: Methods and Protocols (3rd Ed.). Humana Press, Totowa, NJ, 2014, 799 p.
36. Evolution of strength properties and defect substructure of the hypoeutectic A319.0 alloy irradiated by a pulsed electron beam and fractured under tensile stress / D.V. Zaguliaev, Yu.F. Ivanov, A.A. Klopotov, A.M. Ustinov, V.V. Shlyarov, D.F. Yakupov. Materialia, 2021, vol. 20, 101223.
37. Zbigniew H., Stachurski Z., Wang G., Tan X. Plastic deformation and yield strength of metals // An Introduction to Metallic Glasses and Amorphous Metals. 2021, pp. 235-312.
38. Chung K., Lee M.-G. Basics of Continuum Plasticity: Plasticity Characteristics (in Simple Tension / Compression). Springer, 2018, pp. 23-42.
39. Dynamics of elemental and phase composition of the surface of AK5M2 alloy modified with Ti and irradiated by an electron beam / A.A. Serebryakova, D.V. Za¬gulyaev, Yu.A. Shlyarova. Yu.F. Ivanov and A.M. Ustinov // Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2022, vol. 16, no. 6, pp. 1081-1088.
40. Герасимова Л.П., Ежов А.А., Маресев М.И. Изломы конструкционных сплавов: справочник. М.: Металлургия, 1987. 272 с.
41. Чегуров М.К., Сорокина С.А. Основы фрактографического анализа изломов образцов из конструкционных сплавов: учеб. пособие. Н. Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2018. 79 с.