В связи с постоянным увеличением осевых нагрузок и массы подвижных составов, предназначенных для пассажирского и грузового тяжеловесного движения, выдвигаются более жесткие требования со стороны потребителей рельсовой продукции. Используе­мые в настоящее время для промышленного производства рельсов углеродистые стали перлитного класса обладают высокими показателями потребительских свойств, а именно, стойкостью к износу, образованию контактно-усталостных дефектов, что позволяет обеспечить работоспособность в широком диапазоне эксплуатационных и климатических условий на всей протяженности сети железных дорог. Важной технической задачей является установление закономерностей формирования микроструктуры рельсов в зависимости от химического состава стали и влияния структуры на свойства готовой продукции. Одним из основных параметров, определяющих структуру и потребительские свойства железнодорожных рельсов из перлитной стали, является величина межпластинчатого расстоя­ния. Повышение эксплуатационной стойкости рельсов – одна из основных задач специалистов АО «ЕВРАЗ ЗСМК» ‒ металлургического завода Кузбасса, входящего в пятерку крупнейших в мире производителей железнодорожных рельсов. В результате проведенных исследований представлены результаты сравнительного анализа химического состава, величины межпластинчатого расстояния, а также прочностных и пластических свойств металла железнодорожных рельсов перлитного класса. В соответствии с ГОСТ Р 51685 – 2022 сталь марки 90ХАФ по содержанию углерода является заэвтектоидной. В результате проведенных исследований установлены связи между параметрами структуры и физико-механическими свойствами рельсов, а также между содержанием основных химических элементов в стали и межпластинчатым расстоянием перлита.

Использование процесса литья по выплавляемым моделям направлено на получение отливок сложной конфигурации с повышенной размерной и геометрической точностью из широкого диапазона литейных сталей и цветных сплавов. Ряд операций при осуществлении такого процесса сопровождается появлением дефектов теплофизической природы (усадка модельного материала и его температурное расширение при выплавлении, приводящее к нарушению целостности керамической формы), что, в известной мере, препятствует расширению номенклатуры литья. Формирование экспериментальных пористых выплавляемых моделей прессованием порошков воскообразных материалов направлено на устранение данных дефектов, но, в силу недостатка сведений о процессах, сопровождающих уплотнение воскообразных порошков (в ряде случаев, проявляющихся в упругом отклике материала или изменении прочностных характеристик прессовок), требует отдельного изучения. Ранее было установлено, что распределение значений плотности в прессовке, выполненной из порошка парафина, обеспечивается направленным нагружением уплотняемого материала, в том числе в поле действия центробежных сил, что позволяет получать конфигурацию поверхности тела вращения с прогнозируемым распределением свойств в каждом его участке. В настоящей работе, на примере формирования участка тела вращения, приведено сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей относительной плотности прессовок (полученных из разных фракций материала ПС 50/50) от напряжений, возникающих при их уплотнении в поле действия центробежных сил, а также средних значений плотностей прессовок от скорости вращения форм. Представлены картины напряженно-деформированного состояния прессовок при определении значений их прочности на сжатие, характерные для различных воскообразных материалов. Результаты эксперимента направлены на решение задач повышения эффективности процессов получения выплавляемых моделей, конфигурация которых представляет собой тело вращения, образованное уплотнением порошковых воскообразных материалов в поле действия центробежных сил.

Начиная с 2018 года на АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» производятся рельсы категории ДТ400ИК повышенной износостойкости и циклической трещиностойкости для тяжеловесного движения и сложных участков пути с крутыми кривыми радиусом менее 650 м. Методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии изучены структурно-фазовые состояния и дефектная субструктура на разных расстояниях (0, 2, 10 мм) от поверхности контакта «колесо – рельс» вдоль центральной оси симметрии головки рельса («поверхность катания») и по радиусу скругления головки рельса («выкружка») дифференцированно закаленных длинномерных рельсов категории ДТ400ИК из заэвтектоидной стали после длительной эксплуатации на экспериментальном кольце РЖД (пропущенный тоннаж 187 млн т). На основании полученных параметров структуры выполнены количественные оценки дислокационной субструктуры и основных механизмов упрочнения (упрочнение перлитной составляющей, некогерентными частицами цементита, границами зерен и субграницами, дислокационной субструктурой и внутренними полями напряжений), в различных морфологических составляющих и в целом по материалу, формирующих аддитивный предел текучести в исследуемой стали. Проведено сравнение количественных параметров тонкой структуры и вкладов в упрочнение на «поверхности катания» и «выкружке». Вблизи контакта «колесо – рельс» на поверхности катания превалирующей морфологической составляющей является субзеренная структура, в выкружке – феррито-карбидная смесь (полностью разрушенный перлит). Прочность металла головки рельсов зависит от расстояния до поверхности контакта «колесо – рельс». Основным механизмом упрочнения на поверхности катания является упрочнение полями внутренних напряжений, в выкружке – упрочнение некогерентными частицами.

Работа посвящена исследованию возможности получения карбидостали на основе порошковой быстрорежущей стали 10Р6М5 с добавками карбидов вольфрама (WC) и титана (TiC) методом индукционной наплавки. Подобранные составы наплавляемой шихты и предложенный состав флюса на основе плавленой буры с добавками борной кислоты и ряда оксидов удовлетворяют технологии. Разработанная технология включает в себя флюс, способ брикетирования шихты с помощью поршневого устройства, минимизирующего перемещение ферромагнитных компонентов шихты под влиянием электромагнитного поля индуктора в процессе наплавки. Получены и исследованы наплавленные слои карбидостали на основе быстрорежущей стали с упрочнением карбидами вольфрама и титана. Исследование полученных слоев проводилось методами оптической и электронной микроскопии (с применением микроанализатора), рентгенофазовым методом контролировался фазовый состав наплавленных слоев, твердость слоев измерялась методом Роквелла. Добавление карбида вольфрама в порошковую быстрорежущую сталь приводит при наплавке к формированию ледебуритной структуры, характерной для высоковольфрамистых быстрорежущих сталей. Повышение количества карбида вольфрама в составе карбидостали приводит только к частичному его расплавлению в жидкой стали, что способствует сохранению в микроструктуре частиц внесенных карбидов. Карбид титана, добавленный в состав карбидостали, существенно меняет морфологию ледебуритных выделений. По данным рентгенофазового анализа в составе карбидосталей наблюдается ряд карбидов типа Me₁₂C, Мe₆С, Мe₂С и МeС, свойственных карбидосталям, полученным различными методами (плазменной наплавкой, спеканием, пропиткой карбидного каркаса и др.). Показано, что твердость образцов карбидосталей с добавками карбидов вольфрама и титана варьируется от 59 до 63 HRC, в зависимости от состава и технологических режимов наплавки.

Авторы изучили триботехническое поведение стали Ст3 в условиях сухого скользящего электрического контакта с плотностью тока более 100 А/см² при разных коэффициентах трансформации питающего трансформатора. Снижение коэффициента трансформации приводит к снижению износостойкости и электропроводности контакта. Методами металлографии было обнаружено образование слоев переноса на контактных поверхностях. Толщины слоев переноса не превышают 20 мкм. Морфологические картины изношенных контактных поверхностей в масштабе номинальной (геометрической) площади контакта состоят из двух секторов, где один сектор имеет признаки расплава. Рентгеновский фазовый анализ показал, что слои переноса содержат более 70 об. % FeO. Именно поэтому слои переноса можно представить как квази-диэлектрическую среду, где FeO выступает как диэлектрик. Авторы делают предположение, что в зоне контакта возникают сильные импульсы самоиндукции, которые вызывают токи смещения высокой плотности. Эти токи воздействуют непосредственно на ионы FeO и переводят их в расплав. Данные представления позволяют утверждать, что расплав состоит из атомов или ионов железа и кислорода. Снижение коэффициента трансформации (то есть увеличение индуктивности вторичной обмотки питающего трансформатора) вызывает усиление импульсов самоиндукции и токов смещения, что приводит к увеличению количества расплава FeO, его легкому удалению из зоны контакта и к соответствующему уменьшению износостойкости и электропроводности контакта. Полученные данные могут служить ориентирами при выборе износостойких материалов для сильноточного скользящего контакта и, в частности, при задании его конструкции.

Сплавы специального назначения на основе системы Al – Si – Cu в современных условиях широко используются в различных отраслях промышленности, включая двигателе- и приборостроение. В работе изучено влияние отжига в интервале 100 – 900 °С на микроструктуру, плотность и микротвердость сплава Al – 30 % Si – 50 % Cu. С помощью сканирующей электронной микроскопии установлено, что с повышением температуры отжига происходят изменение формы частиц эвтектического кремния и их коагуляция. Согласно результатам микрорентгеноспектрального анализа изменение строения эвтектики сопровождается сегрегацией меди в ее отдельных участках. После отжига происходит небольшое уменьшение плотности и микротвердости сплава.

При изготовлении лент аморфных сплавов (АС) методом сверхбыстрого одновалкового спиннингования существует проблема различия качества их поверхностей. На стороне лент, прилегающей к закалочному барабану, возникают структурные неоднородности, которые могут нарушать изотропию свойств. В связи с этим существует потребность в разработке перспективной технологии поверхностного модифицирования АС, которая позволит не только устранять шероховатости, но и контролируемо управлять структурой по глубине ленты, а также селективно обрабатывать отдельные ее участки для повышения механических, магнитных и каталитических характеристик. Применение короткоимпульсных лазерных установок имеет большой потенциал для реализации этих целей. В работе с привлечением профилометрии, инденирования, оптической и просвечивающей электронной микроскопии комплексно изучено влияние воздействия эксимерного ультрафиолетового лазера, работающего в нанометровом диапазоне длин волн на структурную эволюцию, механическое поведение и морфологические видоизменения поверхности АС Fe_53,3Ni_26,5B_20,2 при варьировании числа импульсов и их частоты. Показано, что лазерное облучение контактной, матовой стороны исследуемой ленты АС по подобранному режиму (100 импульсов, f = 20 Гц, E = 150 мДж, W = 0,6 Дж/см²) эффективно воздействует на рельеф поверхности, сглаживает производственные неровности (поры, газовые строчки, царапины и т. д.). Кроме того, установлены параметры лазерной обработки, способствующие размягчению структуры АС, а значит улучшению обрабатываемости для возможного формования, а также режим перевода АС в аморфно-нано­кристаллическое состояние с повышенной твердостью и сохранением способности к пластическому сдвигу.

Статья предназначена для исследователей, работающих в области переохлажденных расплавов. В ней рассматривается важный теоретический вопрос, связанный с возможностью установления локального термодинамического равновесия на границе раздела фаз при кристаллизации из переохлажденных металлических расплавов. Такие процессы играют ключевую роль в формировании структуры материалов при их затвердевании, особенно в условиях быстрого охлаждения, характерных для современных технологий металлургии и порошковой металлургии. При переохлаждении в расплаве начинают формироваться зародыши новой твердой фазы. Для математического описания роста зародыша необходимо задать граничные условия, определяющие состав прилегающей жидкой фазы. В традиционных подходах предполагается, что вблизи зародыша может быть установлено локальное равновесие, параметры которого извле­каются из равновесной диаграммы состояния. Однако, как показали исследования авторов для двухкомпонентных систем, в некоторых случаях локальное равновесие невозможно в принципе. В данной работе проведен теоретический анализ условий равновесия. Для этого рассматривались химические потенциалы компонентов обеих фаз: твердого зародыша и жидкого расплава. По равновесной диаграмме состояния соответствующей макросистемы можно составить представление о химических потенциалах их компонентов, в частности, в какой фазе химический потенциал каждого компонента ниже. Показано, что, когда зародыш новой фазы состоит из одного компонента, такое локальное равновесие, в принципе, всегда возможно. Однако, когда зародыш является раствором, такое возможно лишь при определенных условиях. В этих случаях применение граничных условий первого рода становится некорректным, и необходимо учитывать скорости химических реакций перехода каждого компонента из одной фазы в другую.

При кристаллизации жидкого металла в оболочковой литейной форме на ее поверхностях возникают значительные нормальные напряжения: на внутренней – сжимающие, на наружной – растягивающие. Особенно ярко они проявляются в начальный момент времени охлаждения. Это может привести к повреждению литейной формы, а значит, и к повреждению кристаллизующейся металлической отливки. Снизить уровень напряженно-деформированного состояния в поверхностных слоях можно с помощью нанесения на внешнюю и внутреннюю поверхности специальных кольцевых (температурных) выточек (швов). В настоящей работе сформулирована и решена задача по влиянию температурных швов во внутренних и внешних слоях оболочковой формы (ОФ) на уровень её напряженно-деформированного состояния (НДС) при кристаллизации стальной отливки. В качестве параметра стойкости ОФ к трещинообразованию приняты нормальные напряжения σ₂₂, σ₃₃, возникающие как на внутренней, так и внешней поверхностях ОФ в начальный момент заливки металла и охлаждения стальной отливки. Рассматривается осесимметричная задача для цилиндрической керамической ОФ. На основе сформулированной целевой функции приведен алгоритм решения задачи с использованием уравнений линейной теории упругости, уравнения теплопроводности и апробированного численного метода. В результате решения задачи определено минимальное количество и места расположения выточек на внутренней и внешней поверхности ОФ, обеспечивающих уменьшение нормальных напряжений. Результаты решения задачи представлены в виде эпюр напряжений по сечениям рассматриваемой области. Дан анализ полученных результатов стойкости ОФ к трещинообразованию. Даны рекомендации по использованию результатов работы в различных научно-технических областях.

В статье решается задача определения термоупругих напряжений в калиброванных бойках установки совмещенного литья и деформации при получении стальных полых заготовок с использованием разработанной авторами методики расчета. Авторы обосновывают актуальность определения термоупругих напряжений в калиброванных бойках при обжатии стенки полой заготовки и на холостом ходу при охлаждении бойков водой и представляют геометрию бойка для получения полой заготовки за один проход. Представлены исходные данные для расчета термоупругих напряжений в калиброванных бойках установки совмещенного литья и деформации при получении полых заготовок и температурные граничные условия для их расчета. Для определения температуры бойка приводятся граничные условия и значения теплового потока и эффективного коэффициента теплоотдачи. Результатом расчета термоупругих напряже­ний в четырех сечениях являются характерные линии и точки, расположенные на контактной поверхности бойка и в приконтактном слое на глубине 5 мм от рабочей поверхности. Для расчета термоупругих напряжений в калиброванных бойках с использованием метода конечных элементов с применением пакета ANSYS приводятся размеры сетки конечных элементов. Авторы определили величины и закономерности распределения термоупругих напряжений в калиброванном бойке при обжатии стенки полой заготовки и на холостом ходу при получении за один проход такой заготовки на установке совмещенного литья и деформации. На основании расчетных значений температуры и величины максимальных сжимающих термоупругих напряжений на контактной поверхности в качестве материала для изготовления бойков предложено использовать трубную заготовку.

Авторы исследовали микроструктуру и механические свойства образцов, полученных методом проволочного электронно-лучевого аддитивного производства (WEBAM), и их обрабатываемость по силам фрезерования с использованием метода Тагучи. В образцах в различных направлениях наблюдались зерна предыдущего аустенита и отожженный мартенсит. Зерна предыдущего аустенита растут вдоль направления наплавки и демонстрируют выраженную ориентацию. На боковой поверхности образца зерна предыдущего аустенита являются столбчатыми, их твердость составляет примерно 505 HV_0,1. На верхней поверхности образца зерна предыдущего аустенита являются изометрическими, их твердость составляет примерно 539 HV_0,1. В разных частях образца степень превращения в мартенсит различается. В части, близкой к боковой поверхности, мартенсит более мелкий и предыдущие аустенитные межзеренные границы не наблюдаются. Его твердость составляет примерно 514 HV_0,1. В нижней части образца, вследствие множественных термоциклов, происходит разложение мартенсита, при этом его твердость низкая и составляет примерно 480 HV_0,1. В верхней части образца наблюдаются мартенсит и предыдущие аустенитные межзеренные границы, твердость составляет примерно 513 HV_0,1. Из-за высокой твердости образца при попутном фрезеровании более сильный удар режущей кромки о образец приводит к увеличению силы резания. Вследствие низкой пластичности образца при встречном фрезеровании уменьшение объема материала, вдавливаемого в заднюю поверхность инструмента, приводит к снижению силы резания. При увеличении скорости подачи на зуб деформация материала увеличивается, температура повышается, что приводит к снижению прочности материала и, соответственно, замедляет рост силы резания.

Развитие металлургии предусматривает дальнейшее увеличение объемов и совершенствование процессов выплавки стали за счет внедрения различных прогрессивных ресурсо- и энергосберегающих технологий. Основные и наиболее универсальные управляющие воздействия, влияющие на ход и технико-экономические показатели процесса, неразрывно связаны с оптимизацией параметров технологии. Оптимизация параметров технологического процесса ориентирована на достижение наилучших результатов в области производительности, качества продукции и снижения затрат ресурсов. Это достигается посредством регулярного мониторинга и анализа ключевых показателей, а также внесения необходимых корректировок в управление процессом. Удачное сочетание указанных факторов способствует максимизации производственной эффективности и повышению конкурентоспособности продукции на рынке. Для расчета статических режимов процесса целесообразно использование ресурсов математического моделирования и разработки инструментальной системы. При создании статической модели расчета электросталеплавильный процесс рассматривали как сложную термодинамическую систему, в которую поступают конденсированные и газообразные входные среды, а конечными продуктами являются металл, шлак и газ. Расчет статических режимов электросталеплавильного процесса, осуществляемый на основе материального и теплового балансов, базируется на законах сохранения массы и энергии относительно составляющих гетерогенной системы. Решение оптимизационной задачи на основе формальных методов предусматривает выбор различных критериев и задание системы ограничений (требования к составу металла, диапазоны изменения расходов компонентов шихтовых материалов и параметров состояния системы, соблюдение закона сохранения массы на уровне потоков, веществ и элементов, соблюдение закона сохранения энергии). Особенностью разработанного метода математического моделирования и оптимизации электросталеплавильного процесса является системное решение комплекса взаимосвязанных оптимизационных задач по определению оптимальных условий протекания процессов в металлургической системе и оптимальных режимов реализации технологии электроплавки.