Предел пропорциональности и дефектная структура слоистого стального композиционного материала после интенсивной пластической деформации

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.

1. Шиганов И. Н., Овчинников В. В., Коберник Н. В. Композиционные материалы с металлической матрицей: сварные соединения и покрытия. — М.: КноРус, 2023. — 352 с.

2. 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: 10.18577/2307-6046-2025-0-7-45-60

3. Никитин 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: 10.18799/24131830/2024/3/4512

4. Кийко 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: 10.31044/1814-4632-2023-8-2-6

5. 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.

6. 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.2024.12.42-49

7. Усманов 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_5

8. Пуспасари 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: 10.17073/0368-0797-2024-1-37-46

9. Рогачев 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: 10.31044/1814-4632-2024-3-33-40

10. Карпов 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.

11. 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.

12. 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_22-33

13. Шакури 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: 10.1134/50011532301908014x

14. Белоусов И. С., Беспалов В. А. Экспериментальное определение вязкости межслойного разрушения композитного материала / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 12. С. 81 – 87. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-12-81-87

15. Панин 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_125-142

16. Косолапов 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: 10.18577/2307-6046-2025-0-11-86-101

17. Сибиряков 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.

18. 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-z

19. Рубцов А. С., Рыбин В. В. Структурные особенности пластической деформации на стадии локализации течения / Физика металлов и металловедение. 1977. Т. 44. № 3. С. 570 – 578.

20. 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.