Авторы выполнили краткий обзор публикаций зарубежных и отечественных исследований за последние годы, в которых изучаются структуры, фазовые составы и свойства пленок и покрытий пятикомпонентных высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) на различные подложки и модифицирование поверхностей ВЭС различными видами обработки. В работе рассматриваются основные методы нанесения пленок и покрытий: магнетронное напыление, термическое распыление, лазерное напыление и электроосаждение. Особое внимание исследователи уделяют нанесению покрытий на нержавеющие стали и титановые сплавы. Положительное изменение трибологических, прочностных свойств и коррозионной стойкости пленочных покрытий проявляется в широком интервале температур. Обсуждаются возможные причины наблюдаемых эффектов с учетом роли твердорастворного упрочнения, формирования мелкозернистой структуры, образования оксидных слоев, обогащенных одним из компонентов ВЭС. Выделены новые способы нанесения покрытий из ВЭС и последующей обработки. Роль ниобия и титана в увеличении микротвердости, износостойкости и снижении коэффициента трения в покрытиях рассматривается на примере легирования этими элементами. Среди методов обработки поверхности ВЭС применяют электролитическое полирование, электроэрозионную обработку, механическую полировку и их комбинации. В ряде работ для повышения поверхностной прочности и износостойкости ВЭС предлагается использовать методику порошкового борирования. Проанализированы работы по одному из перспективных и продемонстрировавших высокую эффективность методов поверхностного упрочнения ВЭС – электронно-пучковой обработке.

В работе представлены результаты исследования электропластического эффекта в метастабильной высоколегированной аустенитно-мартенситной стали в виде тонкой ленты толщиной 0,3 мм при пластической деформации с током разных мод и режимов. Выбор материала исследования обусловлен проявлением в нем ТРИП-эффекта, вызываемом мартенситным превращением при деформации. Соотношение объемных фракций аустенита и мартенсита в стали до деформации составляет 50:50. В работе изучены деформационное поведение стали в форме кривых напряжение – деформация и механические свойства при комнатной температуре при статическом растяжении с током в виде коротких одиночных импульсов большой плотности, а также многоимпульсного тока с частотой 1000 Гц и постоянного тока. Микроструктура в исходном, до растяжения, состоянии исследована методами оптической и просвечивающей микроскопии. Микроструктура представляет собой крупные равноосные зерна аустенита и двойникованного мартенсита размером до 80 мкм. Фазовый состав стали до и после растяжения с током и без тока изучен методом рентгеновской дифракции. Деформация растяжением без тока способствует интенсивному мартенситному превращению и повышает объемную долю мартенсита с 50 до 82 %. Введение одиночных импульсов тока не влияет на ТРИП-эффект, вызывает скачки напряжения вниз и подтверждает возникновение электропластического эффекта. Показано, что мода тока оказывает сильное влияние на проявление ТРИП-эффекта, подавляет его при многоимпульсном и постоянном токе и вызывает резкое уменьшение пределов прочности, текучести и пластичности. Растяжение с током стабилизирует аустенит и уменьшает содержание образующегося мартенсита до 72 % при многоимпульсном режиме и до 50 % при использовании постоянного тока.

Исследована макроскопическая локализация пластической деформации при одноосном растяжении монокристаллов стали Гадфильда (Fe – 13 % Mn – 1,03 % C). На стадии легкого скольжения обнаружены существенные различия в характере макролокализации пластической деформации. Все наблюдавшиеся в этих случаях картины локализации деформации можно разделить на два типа. Первый тип локализации деформации соответствует зарождению на верхнем пределе текучести и дальнейшему распространению фронта деформации, который поэтапно переводит материал образца из недеформированного состояния в деформированное. Наиболее наглядно это проявляется в монокристаллах, ориентированных вдоль осей растяжения \([\bar{3}77]\) и \([\bar{3}55]\), где на площадке текучести картина локализации деформации представляется одиночной зоной. Такой деформационный фронт проходит в объеме образца только один раз как полоса Чернова-Людерса. При этом течение материала осуществляется без упрочнения до тех пор, пока все его элементы не окажутся переведенными в деформированное состояние. Одиночные зоны локализации деформации наблюдаются также на стадиях легкого скольжения и площадке текучести в монокристаллах стали Гадфильда, ориентированных вдоль осей растяжения \([\bar{1}23]\) и \([012]\). При втором типе локализации на стадии легкого скольжения происходит синхронное движение по образцу нескольких очагов деформации. Движение может быть однонаправленным и встречным. Дальнейшее деформирование монокристаллов стали Гадфильда, ориентированных вдоль осей растяжения \([\bar{3}55]\) или \([012]\), приводит на стадии легкого скольжения к движению двух очагов локализации деформации. В монокристаллах, ориентированных вдоль оси \([\bar{1}11]\), картина локализации деформации представлена в виде четырех очагов локализованной деформации. Следовательно, синхронное движение фронтов деформации происходит по уже деформированному материалу. В качестве причины различия двух типов локализации макродеформации на стадии легкого скольжения и площадке текучести может обсуждаться число активных систем скольжения или двойникования при растяжении исследованных монокристалов.

Исследованы особенности структурно-фазового состояния композита на основе нержавеющей аустенитной стали с добавлением 25 % (об.) алюминиевой бронзы. Композит получали электронно-лучевой аддитивной технологией с одновременной подачей двух проволок. Проведен анализ структурно-фазового состояния, изучены механические характеристики. Проведена оценка вкладов различных механизмов в упрочнение композита. Установлено, что в композите сталь – 25 % бронзы формируется многофазная структура, которая состоит из 43,9 % аустенита, 32,0 % феррита и 24,2 % бронзы. Показано, что в зернах аустенита выделяются дисперсионно упрочняемые частицы меди, объемная доля которых составляет 47 %. В зернах феррита выделяются дисперсионно упрочняемые частицы NiAl с объемной долей 20 %. Данные просвечивающей электронной микроскопии свидетельствуют о когерентном сопряжении решеток дисперсионно упрочняемых частиц с матрицей. Такая структура композита обеспечивает повышение предела прочности в среднем на 50 % по сравнению с аустенитной сталью, полученной электронно-лучевой аддитивной технологией без добавления алюминиевой бронзы. Установлено, что вклады различных механизмов упрочнения в предел текучести аустенита, феррита и бронзы составили 959,3, 972,7 и 408,7 МПа соответственно. Зерна бронзы не вносят значительного вклада в повышение предела текучести композита, за исключением его прироста за счет дислокационного упрочнения. Основные вклады в повышение предела текучести композита вносят зерна аустенита за счет зернограничного, дисперсионного и дислокационного упрочнений и зерна феррита за счет зернограничного, твердорастворного и дислокационного упрочнений.

Для выплавки высококачественного металла транспортного назначения необходимо сократить содержание в нем вредных примесей, в том числе и растворенных газов. Содержание водорода в готовой продукции не должно превышать 2 ppm. Для получения низкого остаточного содержания водорода в стали в конвертерном цехе АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» (ЕВРАЗ НТМК) транспортный металл обрабатывают на установках циркуляционного вакуумирования. Циркуляционный вакууматор находится на последней стадии обработки стали перед разливкой на машинах непрерывного литья заготовок, поэтому важно изучать и совершенствовать технологические процессы в нем. Для изучения физико-химических процессов, протекающих в рассматриваемом металлургическом агрегате, была создана гидродинамическая модель системы циркуляционный вакууматор – сталеразливочный ковш. На основании теоретических расчетов и проведенных опытов на физической модели были определены основные зависимости между конструкционными и технологическими параметрами металлургического агрегата. Полученное уравнение позволяет определить скорость циркуляции металла в вакуум-камере в зависимости от расхода газа, подаваемого во впускной патрубок, и внутреннего диаметра впускного патрубка на установках циркуляционного вакуумирования, предназначенных для обработки металла в сталеразливочных ковшах емкостью 140 – 180 т. Теоретические расчеты подтверждены на практических плавках в сталеплавильном агрегате. Показано, что при износе футеровки впускного патрубка вакуум-камеры для получения стабильного остаточного содержания водорода необходимо вносить изменения в технологический процесс вакуумирования. Дополнительно, на основании теоретических расчетов определены рациональные технологические параметры обработки стали на установке циркуляционного вакуумирования.

С использованием исследования и разработки основных положений внепечной обработки рельсовой стали в агрегате ковш – печь рассмотрены особенности технологии вдувания порошкообразных реагентов в расплав через погружную фурму. В условиях продувки проанализированы характеристики влияния направленного теплового потока через условную разделительную стенку фурмы от металла к двухфазному газопорошковому потоку. С применением численных методов определены параметры влияния температуры поверхности погружной фурмы на характеристики транспортирующего газа, концентрацию порошка и его плотность, и на характеристики газопорошкового течения, в том числе коэффициент аэродинамического сопротивления, давление транспортирующего газа, разность скоростей фаз, эквивалентный диаметр, коэффициент формы частиц. Полученные результаты экспериментов показывают, что при одном и том же расходе транспортирующего газа более значительные тепловые потоки, обеспечивающие стабильную работу дутьевого устройства, создаются при использовании более легкого газа (азота), при этом диаметр порошкообразных частиц практически не влияет на количество теплоты, передаваемой от стенки фурмы к транспортирующему газу. Установлено, что при использовании погружных фурм и нагрева газопорошкового потока до температуры 500 – 600 °С в 2 – 10 раз изменяется сила межфазного взаимодействия в зависимости от коэффициента формы частиц, концентрации вдуваемого порошка, давления транспортирующего газа, разности скоростей фаз и плотности порошка.

Одним из основных в металлургической, строительной и горной отраслях промышленности является процесс измельчения различных материалов как первичная подготовка сырья. На дробление материалов для получения необходимой фракции ежегодно расходуется до 4 % мирового производства электроэнергии, а для отдельно взятой шахты доля энергозатрат на дробление может достигать 50 % от годового объема. Часть электроэнергии тратится на создание запаса мощности дробильной машины (далее – дробилки) в связи с тем, что в настоящее время нет методик теоретического расчета мощности ее электропривода и определения затрат энергии на разрушение горных пород. Сырье, добытое на разных месторождениях, обладает различными физико-механическими свойствами, что оказывает существенное влияние на процесс измельчения. Различие в мощности электроприводов дробильных машин обусловлено разностью их типоразмеров, а география их применения учитывается созданием запаса мощности. Вышеприведенные факторы негативно сказываются на операционных расходах предприятий металлургической промышленности. В работе рассмотрены некоторые конструкции дробилок, в которых разрушение дробимого куска происходит в результате возникновения сложного напряженного состояния. Предложена новая конструкция конусной дробилки с упорами, позволяющая снизить затраты энергии на дробление материалов. Благодаря наличию упоров и простой кинематике движения рабочего органа достигается снижение сил, необходимых для разрушения кусков хрупких материалов в независимости от их свойств. При этом в дробимых кусках, разрушаемых в конусной дробилке с упорами, возможно создание сдвигового напряженного состояния, при котором теоретически достигается снижение силы, необходимой для дробления хрупких материалов в два раза в сравнении с дробилками сжатия. Описаны условия возникновения сдвигового напряженного состояния в дробимых кусках при их дроблении в конусной дробилке с упорами. Представлены рекомендации по созданию этих условий.

На напряженное состояние (НС) многослойных оболочковых форм (ОФ) большое влияние оказывают ее морфологическое строение, его варианты и связи между контактирующими слоями. Целью настоящей работы является установление влияния скольжения без трения слоев относительно соседнего контактирующего слоя на НС многослойной оболочковой формы. Моделируется процесс определения напряженно-деформированного состояния (НДС) в оболочковой форме при заливке ее сталью, в которой имеется поверхность между слоями. В ней осуществляется полное скольжение одного слоя ОФ относительно примыкающего к нему соседнего слоя. Ставится задача найти геометрическое местоположение рассматриваемой поверхности по толщине ОФ из условия сформулированной целевой функции с соответствующей системой ограничений. Построение математической модели основывается на уравнениях линейной теории упругости, теплопроводности, решение которых осуществляется апробированным численным методом. В осесимметричной постановке рассматривается сложная трехкомпонентная система: жидкий металл, твердый металл, керамическая оболочковая форма. Твердый металл и оболочковая форма считаются изотропными. Трещиностойкость оболочковой формы оценивается по возникающим в ней напряжениям. На контакте с опорным наполнителем (ОН) возможен его отход от поверхности ОФ в процессе охлаждения жидкого металла. В этом случае решается контактная задача (переназначение граничных условий). Составлен алгоритм решения задачи. Результаты численного моделирования отображены графически в виде эпюр. Проведен подробный анализ полученных результатов. Показана несостоятельность изготовления такой многослойной формы. Результаты исследований могут быть полезны при расчетах других функциональных многослойных оболочковых систем.