zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2026-92-7-53-59zldm-2887Research ArticleМЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬMECHANICAL TESTING METHODSПредел пропорциональности и дефектная структура слоистого стального композиционного материала после интенсивной пластической деформацииProportionality limit and defect structure of laminated steel composite material after severe plastic deformationСибиряковМ. М.SibiryakovM. M.

Максим Михайлович Сибиряков

677980, г. Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Maksim M. Sibiryakov

1, Oktyabr’skaya ul., Yakutsk, 677980

ИвановА. М.IvanovA. M.

Афанасий Михайлович Иванов

677980, г. Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Afanasiy M. Ivanov

1, Oktyabr’skaya ul., Yakutsk, 677980

ПетровП. П.PetrovP. P.

Пётр Петрович Петров

677980, г. Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Petr P. Petrov

1, Oktyabr’skaya ul., Yakutsk, 677980

ПлатоновА. А.PlatonovA. A.

Анатолий Андреевич Платонов

677980, г. Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Anatoliy A. Platonov

1, Oktyabr’skaya ul., Yakutsk, 677980

СыромятниковаА. С.SyromyatnikovaA. S.

Айталина Степановна Сыромятникова

677980, г. Якутск, ул. Октябрьская, д. 1

Aitalina S. Syromyatnikova

1, Oktyabr’skaya ul., Yakutsk, 677980

a.s.syromyatnikova@mail.ruИнститут физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАНРоссияV. P. Larionov Institute of Physical and Technical Problems of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2026260720269275359Copyright © Сибиряков М.М., Иванов А.М., Петров П.П., Платонов А.А., Сыромятникова А.С., 20262026Сибиряков М.М., Иванов А.М., Петров П.П., Платонов А.А., Сыромятникова А.С.Sibiryakov M.M., Ivanov A.M., Petrov P.P., Platonov A.A., Syromyatnikova A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/2887

Современная промышленность требует разработки новых материалов, обладающих определенными характеристиками. Цель работы — исследование предела пропорциональности и дефектной структуры слоистого стального композиционного материала, полученного сваркой давлением, после интенсивной пластической деформации (ИПД) по схеме равноканального углового прессования (РКУП). Слоистый стальной композиционный материал изготавливали кузнечной сваркой чередующихся пластин из низколегированной стали 09Г2С и легированной углеродистой стали 40Х. РКУ-прессование слоистого композита 09Г2С + 40Х в один проход выполняли параллельно плоскости слоев при угле пересечения каналов 120° и температуре 823 К. Микроструктуру композита исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-7800F. Предел пропорциональности материала определяли по результатам испытаний на одноосное сжатие с помощью универсальной испытательной машины Zwick/Roell-Z600. Рентгеноструктурный анализ (РСА) композита проводили с использованием высокоточного порошкового рентгеновского дифрактометра Ultima IV (Rigaku) в излучении CoKα (длина волны λ = 1,790255 Å). Отмечено увеличение предела пропорциональности композита, обусловленное измельчением зерен, изменением параметра кристаллической решетки, повышением плотности дислокаций. В результате кузнечной сварки произошло деформационное упрочнение в переходном слое между сталями 09Г2С и 40Х, вызванное процессами зернограничной диффузии в результате искажения кристаллической решетки. Установлено, что после кузнечной сварки и РКУП переходный слой состоит из деформированных ферритных зерен со средним размером 5,0 ± 0,5 мкм. РКУП по-разному влияет на дефектность различных слоев соединения: в слое из 09Г2С и в переходном слое плотность дислокаций значительно выше, чем в слое из 40Х. В переходном слое в результате пластической деформации на субструктурном (мезоскопическом) масштабном уровне увеличение плотности дислокаций выступает как микромеханизм формирования мелкозернистой структуры.

The article considers the issues of increasing the strength and changing the defect structure in a layered steel composite obtained by pressure welding (forge welding) after severe plastic deformation (SPD) using the equal-channel angular pressing (ECAP) scheme. The aim of the work is to investigate the defect structure of the layered steel composite material after SPD. The layered steel composite material was obtained as a result of forge welding of eight plates of low-alloy steel 09G2S and alloyed carbon steel 40Kh with alternating layers. ECA pressing of the layered composite 09G2S + 40Kh in one pass was performed parallel to the plane of the layers at an intersection angle of the channels of 120° and a temperature of 823 K. The microstructure of the composite was examined using a JSM-7800F scanning electron microscope. The proportional limit of the material was determined based on the results of uniaxial compression tests using a Zwick/Roell-Z600 universal testing machine. X-ray diffraction analysis (XRD) of the composite was performed using a high-precision Ultima IV (Rigaku) powder X-ray diffractometer in CoKα radiation (wavelength λ = 1.790255 Å). An increase in the proportionality limit of the composite is shown, caused by grain refinement, a change in the crystal lattice parameter, and an increase in the dislocation density. Forge welding resulted in strain hardening in the intermediate layer (transitional between 09G2S and 40Kh steels) caused by grain boundary diffusion processes due to distortion of the crystal lattice. It was found that after forge welding and ECAP, the transition layer with a width of 4.3 ± 0.4 μm consists of deformed ferrite grains with an average size of 5.0 ± 0.5 μm. The transition layer contains impurities — manganese sulfide particles. ECAP affects the defectiveness of different layers of the joint differently: in the 09G2S layer and in the intermediate layer, the dislocation density increases significantly, while in the 40Kh layer, these values decrease slightly. In the intermediate layer, as a result of plastic deformation at the substructural (mesoscopic) level, the significant increase in dislocation density acts as a micromechanism for the formation of a fine-grained structure.

предел пропорциональностидефектная структураслоистый стальной композиционный материалкузнечная сваркаравноканальное угловое прессованиепараметр кристаллической решеткиплотность дислокаций.proportionality limitdefect structurelayered steel composite materialforge weldingequal-channel angular pressingcrystal lattice parameterdislocation densityРабота выполнена в рамках проекта государственного задания FWRS-2024-0035 Института физико-технических проблем Севера им. В. П. Ларионова ФИЦ ЯНЦ СО РАН Программы фундаментальных исследований Сибирского отделения РАН с использованием научного оборудования ЦКП ФИЦ ЯНЦ СО РАН.ReferencesШиганов И. Н., Овчинников В. В., Коберник Н. В. Композиционные материалы с металлической матрицей: сварные соединения и покрытия. — М.: КноРус, 2023. — 352 с.Shiganov I. N., Ovchinnikov V. V., Kobernik N. V. Composite materials with a metal matrix: welded joints and coatings. — Moscow: KnoRus, 2023. — 352 p. [in Russian].Волкова Е. Ф., Акинина М. В., Мостяев И. В. и др. Магниевые сплавы как основа металломатричных композиционных материалов: исследование структуры и свойств / Труды ВИАМ. 2025. № 7(149). С. 45 – 60. DOI: 10.18577/2307-6046-2025-0-7-45-60Volkova E. F., Akinina M. V., Mostyaev I. V., et al. Magnesium alloys as a basis for metal-matrix composite materials: a study of the structure and properties / Tr. VIAM. 2025. No. 7(149). P. 45 – 60 [in Russian]. DOI: 10.18577/2307-6046-2025-0-7-45-60Никитин Д. С., Насырбаев А., Циммерман А. И. и др. Формирование композитов с алюминиевой матрицей, армированных наночастицами карбида вольфрама / Известия Томского политехнического университета. 2024. Т. 335. № 3. С. 124 – 136. DOI: 10.18799/24131830/2024/3/4512Nikitin D. S., Nasyrbaev A., Cimmerman A. I., et al. Formation of aluminum matrix composites reinforced with tungsten carbide nanoparticles / Izv. Tomsk. Politekh. Univ. 2024. Vol. 335. No. 3. P. 124 – 136 [in Russian]. DOI: 10.18799/24131830/2024/3/4512Кийко В. М., Коржов В. П. Композит с матрицей на основе Ti-Al-Nb, армированной волокнами сапфира / Деформация и разрушение материалов. 2023. ¹ 8. С. 2 – 8. DOI: 10.31044/1814-4632-2023-8-2-6Kiiko V. M., Korzhov V. P. Composite with a Ti-Al-Nb matrix reinforced with sapphire fibers / Deform. Razrush. Mater. 2023. No. 8. P. 2 – 8 [in Russian]. DOI: 10.31044/1814-4632-2023-8-2-6Valiev R. Z., Alexandrov I. V., Kawasaki M., Langdon T. G. Ultrafine-grained materials / The minerals, Metals & Materials Series (e-Book). — New York: Springer International Publishing, 2024. — 177 p.Valiev R. Z., Alexandrov I. V., Kawasaki M., Langdon T. G. Ultrafine-grained materials / The Minerals, Metals & Materials Series (e-Book). — New York: Springer International Publishing, 2024. — 177 p.Савенков Г. Г., Смаковский М. С., Столяров В. В. и др. Механические свойства ультрамелкозернистой алюминиевой бронзы при высоких скоростях деформации / Металловедение и термическая обработка металлов. 2024. № 12. С. 42 – 49. DOI: 10.30906/mitom.2024.12.42-49Savenkov G. G., Smakovskii M. S., Stolyarov V. V. Mechanical properties of ultrafine-grained aluminum bronze at high strain rates / Metalloved. Term. Obrab. Met. 2024. No. 12. P. 42 – 49 [in Russian]. DOI: 10.30906/mitom.2024.12.42-49Усманов Э. И., Резяпова Л. Р., Валиев Р. З. Высопрочное состояние и механизмы упрочнения титана с ультрамелкозернистой структурой / Физическая мезомеханика. 2023. Т. 26. № 3. С. 5 – 17. DOI: 10.55652/1683-805x_2023_26_3_5Usmanov E. I., Rezyapova L. R., Valiev R. Z. High-strength state and strengthening mechanisms of titanium with ultrafine grain structure / Fiz. Mezomekh. 2023. Vol. 26. No. 3. P. 5 – 17 [in Russian]. DOI: 10.55652/1683-805x_2023_26_3_5Пуспасари В., Астава И. Н. Г. П., Хербирово С., Мабрури Э. Механические свойства и микроструктура сплава Al-Mg(5052), обработанного методом равноканального углового прессования (РКУП) с вариациями методов РКУП и термической обработки / Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2024. Т. 67. № 1. С. 37 – 46. DOI: 10.17073/0368-0797-2024-1-37-46Puspasari V., Astava I. N. G. P., Herbirovo S., Mabruri E. Mechanical properties and microstructure of Al-Mg(5052) alloy processed by equal channel angular pressing (ECAP) with variations of ECAP and heat treatment methods / Izv. Vuzov. Cher. Met. 2024. Vol. 67. No. 1. P. 37 – 46 [in Russian]. DOI: 10.17073/0368-0797-2024-1-37-46Рогачев С. О., Белов Н. А., Тен Д. В. и др. Влияние кручения под высоким давлением и последующего отжига на механические свойства сплава Al – 4 %Cu – 3 %Mn / Деформация и разрушение материалов. 2024. № 3. С. 33 – 40. DOI: 10.31044/1814-4632-2024-3-33-40Rogachev S. O., Belov N. A., Ten D. V., et al. The effect of high-pressure torsion and subsequent annealing on the mechanical properties of Al-4 % Cu-3 % Mn alloy / Deform. Razrush. Mater. 2024. No. 3. P. 33 – 40 [in Russian]. DOI: 10.31044/1814-4632-2024-3-33-40Карпов М. И., Коржов В. П., Внуков В. И. и др. Структура и твердость многослойного наноструктурного композита Cu/Ag / Вестник ТГУ. 2010. Т. 15. Вып. 3. С. 941 – 942.Karpov M. I., Korzhov V. P., Vnukov V. I., et al. Structure and hardness of multilayer nanostructured Cu/Ag composite / Vestn. TGU. 2010. Vol. 15. No. 3. P. 941 – 942 [in Russian].Никулин С. А., Рогачев С. О., Рожнов А. Б. и др. Структура и свойства слоистого композита сталь/ванадиевый сплав/сталь, полученного кручением под высоким давлением / Деформация и разрушение материалов. 2015. № 12. С. 6 – 9.Nikulin S. A., Rogachev S. O., Rozhnov A. B., et al. Structure and properties of a high-pressure torsion-treated steel/ vanadium alloy/steel laminated composite / Deform. Razrush. Mater. 2015. No. 12. P. 6 – 9 [in Russian].Бобрук Е. В., Рамазанов И. А., Астанин А. А. Эволюция микроструктуры и механические свойства металломатричного композита Al-B с ультрамелкозернистой алюминиевой матрицей / Физическая мезомеханика. 2024. Т. 27. № 4. С. 22 – 33. DOI: 10.55652/1683-805x_2024_27_4_22-33Bobruk E. V., Ramazanov I. A., Astanin A. A. Microstructure evolution and mechanical properties of an Al-B metal matrix composite with an ultrafine-grained aluminum matrix / Fiz. Mezomekh. 2024. Vol. 27. No. 4. P. 22 – 33 [in Russian]. DOI: 10.55652/1683-805x_2024_27_4_22-33Шакури С., Эгхбали Б. Характеристика микроструктуры и механических свойств многослойного композита Al/Cu/Mg/Ni, полученного аккумулируемой прокаткой с соединением / Физика металлов и металловедение. 2019. Т. 120. № 8. С. 867 – 877. DOI: 10.1134/50011532301908014xShakuri S., Eghbali B. Characterization of the microstructure and mechanical properties of the multilayer Al/Cu/Mg/Ni composite obtained by accumulative rolling with connection / Fiz. Met. Metalloved. 2019. Vol. 120. No. 8. P. 867 – 877 [in Russian]. DOI: 10.1134/50011532301908014xБелоусов И. С., Беспалов В. А. Экспериментальное определение вязкости межслойного разрушения композитного материала / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 12. С. 81 – 87. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-12-81-87Belousov I. S., Bespalov V. A. Experimental determination of interlayer fracture toughness of composite material / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. No. 12. P. 81 – 87 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-12-81-87Панин А. В., Казаченок М. С., Шугуров А. Р. и др. Деформация и разрушение 3D-напечатанных композитов Ti-6Al-4V/TiC, полученных проволочной электронно-лучевой аддитивной технологией, при одноосном растяжении / Физическая мезомеханика. 2025. Т. 28. № 4. С. 125 – 142. DOI: 10.55652/1683-805x_2025_28_4_125-142Panin A. V., Kazachenok M. S., Shugurov A. R., et al. Deformation and fracture of 3D-printed Ti-6Al-4V/TiC composites obtained by wire electron beam additive technology under uniaxial tension / Fiz. Mezomekh. 2025. Vol. 28. No. 4. P. 125 – 142 [in Russian]. DOI: 10.55652/1683-805x_2025_28_4_125-142Косолапов Д. В., Ходыкин Л. Г. Нявкин А. Н., Ходыкин Д. Л. Применение металлических композиционных материалов при изготовлении двигателя внутреннего сгорания в автомобилестроении / Труды ВИАМ. 2025. № 11(153). С. 86 – 101. DOI: 10.18577/2307-6046-2025-0-11-86-101Kosolapov D. V., Khodykin L. G., Nyavkin A. N., Khodykin D. L. The use of metal composite materials in the manufacture of internal combustion engines in the automotive industry / Tr. VIAM. 2025. No. 11(153). P. 86 – 101 [in Russian]. DOI: 10.18577/2307-6046-2025-0-11-86-101Сибиряков М. М., Иванов А. М., Сыромятникова А. С. Упрочнение слоистого стального композита равноканальным угловым прессованием / Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. 2025. ¹ 3(89). С. 338 – 343.Sibiryakov M. M., Ivanov A. M., Syromyatnikova A. S. Strengthening of laminated steel composite by equal-channel angular pressing / Uch. Zap. Krym. Inzh.-Pedagog. Univ. 2025. No. 3(89). P. 338 – 343 [in Russian].Ungar T., Biermann H., Mughrabi H. Dislocation distributions as seen by X-ray line profiles / Mater. Sci. Eng. A. 1993. Vol. 164. Nos. 1 – 2. P. 175 – 179. DOI: 10.1016/0921-5093(93)90657-zUngar T., Biermann H., Mughrabi H. Dislocation distributions as seen by X-ray line profiles / Mater. Sci. Eng. A. 1993. Vol. 164. Nos. 1 – 2. P. 175 – 179. DOI: 10.1016/0921-5093(93)90657-zРубцов А. С., Рыбин В. В. Структурные особенности пластической деформации на стадии локализации течения / Физика металлов и металловедение. 1977. Т. 44. № 3. С. 570 – 578.Rubtsov A. S., Rybin V. V. Structural features of plastic deformation at the stage of flow localization / Fiz. Met. Metalloved. 1977. Vol. 44. No. 3. P. 570 – 578 [in Russian].Барахтин Б. К., Гуляев В. П., Ноев И. И., Петров П. П. Энергетические характеристики деформирования и разрушения конструкционных сплавов. — Якутск: Изд. ЯНЦ СО АН СССР, 1990. — 104 с.Barakhtin B. K., Gulyaev V. P., Noev I. I., Petrov P. P. Energy characteristics of deformation and fracture of structural alloys. — Yakutsk: Izd. YANTs SO AN SSSR, 1990. — 104 p. [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.