В статье рассматривается влияние основных технологических параметров маятникового поверхностного пластического деформирования (ППД) на механические свойства поверхностного слоя цилиндрических деталей из углеродистой стали. С использованием твердомера HBRV-187,5 и микротвердомера HMV-G21 определены твердость поверхностного слоя, микротвердость и глубина наклепанного слоя упрочненных деталей. Представлены результаты по расчету степени упрочнения, которые являются важной информацией для оценки эффективности способа ППД с точки зрения улучшения механических свойств металла. Экспериментальные исследования показали, что после маятникового ППД (при разных режимах обработки) твердость поверхностного слоя повышается на 9 – 12 % по сравнению с твердостью исходной поверхности, а микротвердость возрастает в 1,5 – 1,7 раз, что приводит к значительному упрочнению поверхностного слоя цилиндрической заготовки. Глубина упроченного слоя варьируется в интервале 0,9 – 1,1 мм, при этом степень упрочнения составляет 45 – 65 %. С помощью программного пакета Statistica 10.1, позволяющего решать задачи оптимизации на основе статистического анализа, построена модель оптимизации и определены оптимальные режимы упрочнения при маятниковом ППД, обеспечивающие одновременно и максимальную глубину упрочненного слоя, и наибольшую степень упрочнения поверхностного слоя. Оптимальные режимы упрочнения формируются при следующих режимах обработки: радиальный натяг t = 0,15 ÷ 0,2 мм; продольная подача s = 0,07 ÷ 0,11 мм/об; частота вращения заготовки n_з = 160 ÷ 200 мин⁻¹; частота маятникового движения рабочего инструмента n_ин = 110 ÷ 130 дв.ход/мин; угловая амплитуда рабочего инструмента α = 35 ÷ 40°. По результатам экспериментальных данных и численных расчетов установлено, что средний размер зерен при маятниковом ППД уменьшается на 30 – 40 % по сравнению с исходным размером, а плотность дислокаций возрастает в 2,5 раза.

Тепловой режим бочки рабочего валка непрерывного стана горячей прокатки – значимый фактор технологии, который влияет на качество формы стальной полосы, ее поперечное сечение, стойкость рабочих валков. Достоверный расчет параметров температурного режима позволяет определить форму теплового профиля и наилучшую профилировку поверхности бочки валка, добиться уменьшения дефектов планшетности готового проката. Наиболее распространенной является балансная модель теплового режима валка, точность которой в значительной степени определяется теплофизическими постоянными, в частности коэффициентами теплообмена валков: контактного – с полосой и конвективного – с охлаждающей водой. Имеются различные сведения о значениях и методах расчета этих коэффициентов, но большинство из них не учитывают наличие пауз в ритме прокатки чистовой группы клетей, длительность которых значительна. Отсутствие учета этого фактора влечет за собой существенные ошибки в расчетах теплового режима бочки валка. Проведен пассивный эксперимент, в ходе которого с помощью термопары измерены температуры поверхностей бочек рабочих валков в нескольких точках по их длине сразу же после вывалки. Также определены параметры прокатки стальных полос перед перевалкой: коэффициенты ритма прокатки, обжатия полосы в клетях, расходы воды на охлаждение валков и некоторые другие параметры. В результате получено эмпирическое уравнение для расчета коэффициента контактного теплообмена, учитывающее основные факторы технологии, в том числе длительность пауз в ритме прокатки. Использование уточненных коэффициентов для расчета температур бочки валка значительно повысило точность прогнозирования теплового режима, в частности теплового профиля рабочего валка, по значениям параметров прокатки.

Металлургическое производство является высокоэнергоемким процессом, поэтому поиск решений по снижению энергозатрат остается актуальной задачей для всех переделов. В этом плане производство готовой прокатной продукции рассматривается как наиболее перспективное направление для реализации энергосберегающих технологий. Возможны два пути снижения энергозатрат при горячей прокатке сортовых профилей: экономия энергии на нагрев и улучшение использования основного оборудования для снижения промежуточных затрат энергии. Ввиду разности силовых условий в момент захвата и на установившейся стадии процесса прокатки возникает резерв втягивающих сил трения, который можно использовать для дополнительного формоизменения в неприводных устройствах и тем самым повысить эффективность основного оборудования и снизить общие энергозатраты. Для практической реализации предложенной концепции была получена зависимость, позволяющая оценить потенциал мощности, который не используется на установившейся стадии процесса прокатки. С применением полученной зависимости было установлено, что при прокатке в гладких валках потенциал сил трения используется только на 50 – 60 %, а при прокатке в калибрах – на 35 – 40 %. Экспериментально установлено, что при прокатке фасонных профилей в пропусках с коэффициентом вытяжки менее 1,10 – 1,15 более 50 % энергии затрачивается на холостой ход. Однако заменив в этих пропусках приводные клети на неприводные кассеты (в непрерывных группах), можно повысить коэффициент полезного действия рядом стоящих клетей на 4 – 5 % и снизить энергозатраты.

Использование 3D-печати изделий из металлических материалов является современной перспективной технологией, способствующей повышению производственной эффективности. Однако применение данной технологии сопряжено с рядом проблем, например, с повышенной микроструктурной неоднородностью и дефектностью металла. В связи с этим требуется проведение исследований, направленных на выявление таких режимов 3D-печати, которые бы обеспечили получение наиболее однородной, стабильной и бездефектной структуры. В работе изучено структурообразование стали марки 30ХГСА в процессе аддитивной электродуговой наплавки при различных режимах печати. Для оценки качества полученных заготовок применялись микроструктурный и фрактальный анализы, а также измерение микротвердости. При всех режимах наплавки выявлена значительная структурная неоднородность наплавленной заготовки, которая объясняется термическим воздействием наплавляемого слоя на уже закристаллизовавшийся металл. Тем не менее, установлен режим, который дает наиболее благоприятную микроструктуру с точки зрения ее однородности и равноосности зерен. При увеличении значений погонной энергии процесса аддитивного электродугового выращивания наблюдается увеличение производительности процесса и фиксируется уменьшение количества пор в материале. Однако при значениях погонной энергии процесса наплавки свыше 1000 Дж/мм увеличивается структурная неоднородность материала и значительно снижается его микротвердость. Исходя из проведенных исследований, в качестве режима 3D-печати электродуговой наплавкой для сплава Нп-30ХГСА может быть выбран режим с погонной энергией порядка 920 Дж/мм. Он обеспечивает наименьшую структурную неоднородность и достаточно высокую производительность процесса выращивания с отсутствием дефектов в виде пор и элементов нерасплавившейся проволоки.

Для улучшения триботехнического поведения и жаростойкости стали 35 были приготовлены методом электроискрового легирования композиционные металлокерамические Fe–Al/HfC покрытия. В качестве электрода использовался нелокализованный анод, состоящий из смеси железных и алюминиевых гранул с молярным соотношением 3:2, и с добавле­нием порошка карбида гафния. Привес катода имел положительные значения, свидетельствующие о том, что порошок карбида гафния может осаждаться на сталь 35 с использованием анодной смеси Fe₆₀Al₄₀. Привес катода монотонно увеличивался с ростом добавки порошка HfC в анодную смесь. Структура покрытий представлена матрицей из интерметаллида FeAl, армированной зернами карбида гафния, что соответствует структуре металлокерамического композита. Концентрация карбида гафния в покрытии увеличивалась с ростом добавки порошка HfC в анодную смесь. Осаждение Fe–Al/HfC покрытий по предложенной методике приводит к снижению коэффициента трения стали 35 от 6 до 40 %. В зависимости от концентрации карбида гафния в анодной смеси, износостойкость Fe–Al/HfC покрытий изменялась немонотонно с максимумом при 8 % (об.). Применение Fe–Al/HfC покрытий позволяет повысить износостойкость поверхности стали 35 до 10 раз. Сравнение итогового привеса образцов после 100 ч испытаний на жаростойкость при температуре 700 °С дает возможность заключить, что электроискровые Fe–Al/HfC покрытия способствуют повышению жаростойкости стали 35 от 1,7 до 2,2 раза. Анализ результатов проведенного исследования позволяет сделать заключение о слабой адгезии Fe–Al композиции к карбиду гафния. Это отразилось в снижении твердости, износостойкости и жаростойкости покрытий при повышении концентрации HfC в анодной смеси выше 8 % (об.).

Исследуется влияние ускоренного охлаждения после поперечно-винтовой прокатки низкоуглеродистой стали класса прочности К60 на формирование структуры и механические свойства при статическом растяжении и ударном изгибе. Показано, что использование прерванного ускоренного охлаждения стали после прокатки с выдержкой при 530 °С (режим I) и непрерывного ускоренного охлаждения (режим II) приводит к формированию разного типа и соотношения количества структур в стали. После прокатки по режиму I структура характеризуется присутствием феррита, троостита, гранулярного бейнита и мелкодисперсных карбидов Fe₃C. После прокатки по режиму II структура отличается наличием реечного бейнита и крупных участков мартенситно-аустенитной (МА) составляющей размерами до 1 – 2 мкм. Уменьшение дисперсности ферритных зерен в стали после прокатки по режимам I и II с 12 до 4,6 – 4,3 мкм, формирование бейнитной фазы и упрочнение матрицы карбидами приводит к повышению пределов текучести стали до 440 и 490 МПа и пределов прочности до 760 и 880 МПа. Проведение поперечно-винтовой прокатки по режиму I позволяет существенно увеличить низкотемпературную вязкость разрушения стали (160 Дж/см²) по сравнению с горячекатаным состоянием (11 Дж/см²) и снизить хладноломкость стали в область температур ниже –50 °С. Применение непрерывного ускоренного охлаждения (режим II) не позволяет повысить хладостойкость стали вследствие формирования структуры реечного бейнита и крупных областей МА составляющей.

В работе проведено исследование локализации деформации на макромасштабном уровне на стадиях параболического деформационного упрочнения и предразрушения в условиях квазистатического нагружения биметалла углеродистая сталь – нержавеющая сталь. Проблема оценки масштабов явлений, определяющих пластичность, является решающей при разработке любых теорий пластической деформации, в частности, дислокационных. Основной сложностью при построении таких теорий является трудность согласования дислокационных масштабов, характерных для большинства механизмов деформации и деформационного упрочнения, с макроскопическими параметрами деформационных процессов. В рамках автоволновой модели локализованной пластической деформации эта задача может быть сведена к возможности получения параметров из результатов макронаблюдений развития локализованного пластического течения. В ходе экспериментов подтверждается, что в биметалле на любой стадии процесса формоизменения самопроизвольно генерируется специфическая картина распределения очагов локализации – паттерн локализованного пластического течения. Форма таких паттернов определяется действующим в материале законом деформационного упрочнения. Наблюдаемые паттерны локализации могут быть использованы в качестве информативного признака при прогнозировании запаса пластичности. В процессе одноосного растяжения на стадии параболического деформационного упрочнения биметалла реализуется режим деформирования с образованием нескольких потенциальных очагов разрушения. Установлено, что на стадии предразрушения в ходе временнóй эволюции волновой картины локализации деформации зона активной пластической деформации сужается, но количество очагов в ней сохраняется при уменьшении расстояния между ними или даже возрастает. Результатом этого процесса является образование макроскопической шейки, а затем разрушение. На стадии предразрушения точка коллапса указывает на место будущего разрушения и сигнализирует о необходимости остановки процесса деформирования во избежание разрушения биметаллического материала. Таким образом, общеизвестное проявление макроскопической локализации деформации – образование шейки – предваряется сложными явлениями взаимосогласованного движения очагов локализованной пластичности на стадии предразрушения в биметаллах.

Методами современного физического материаловедения выполнен анализ эволюции микротвердости, трибологических свойств, дислокационной субструктуры и фазового состава рельсов повышенной износостойкости и контактной выносливости категории ДТ 400 ИК после пропущенного тоннажа 187 млн т брутто на экспериментальном кольце РЖД. Экстремально длительная эксплуатация рельсов сопровождается уменьшением параметра износа поверхности катания (в 3,1 раза), увеличением микротвердости (в 1,4 раза), скалярной плотности дислокаций (в 1,5 раза) и содержания карбида Fe₃C (в 1,24 раза). Эксплуатация рельсов привела к уменьшению параметра кристаллической решетки, что коррелирует с ростом содержания карбида железа. Высказаны предположения о физических причинах изменения параметров.

Предложена простая теория термодинамических свойств жидких растворов азота в сплавах систем Fe – Ni – Cr и Fe – Ni – Mo, которая аналогична теории для жидких растворов азота в бинарных сплавах систем Fe – Cr и Fe – Ni, представленной авторами ранее (2019 – 2021). Теория основана на решеточной модели трехкомпонентных жидких растворов Fe – Ni – Cr и Fe – Ni – Mo. Предполагается модельная решетка типа ГЦК. В узлах этой решетки располагаются атомы железа, хрома, никеля и молибдена. Атомы азота располагаются в октаэдрических междоузлиях. Атом азота взаимодействует лишь с атомами металлов, находящимися в соседних с этим атомом узлах решетки. Это взаимодействие парное. Предполагается, что энергия этого взаимодействия не зависит ни от состава сплавов, ни от температуры, и что жидкие растворы систем Fe – Ni – Cr и Fe – Ni – Mo являются совершенными. В рамках предложенной теории представлено выражение для вагнеровского параметра взаимодействия азота с хромом в жидких сплавах на основе никеля \(\varepsilon _{\rm{N}}^{{\rm{Cr}}}\)(Ni). Правая часть соответствующей формулы является функцией вагнеровских параметров взаимодействия азота с хромом \(\varepsilon _{\rm{N}}^{{\rm{Cr}}}\)(Fe) и азота с никелем \(\varepsilon _{\rm{N}}^{{\rm{Ni}}}\)(Fe) в жидких сплавах на основе железа. Аналогичное выражение получено для вагнеровского параметра взаимодействия азота с молибденом в жидких сплавах на основе никеля \(\varepsilon _{\rm{N}}^{{\rm{Mo}}}\)(Ni). По первой из этих формул рассчитано значение \(\varepsilon _{\rm{N}}^{{\rm{Cr}}}\)(Ni) = –21,9 при температуре 1873 К. Этому соответствует значение лангенберговского параметра взаимодействия \(e_{\rm{N}}^{{\rm{Cr}}}\)(Ni) = –0,108, что совпадает с экспериментальной оценкой. По второй из формул рассчитано значение \(\varepsilon _{\rm{N}}^{{\rm{Mo}}}\)(Ni) = –14,3 при температуре 1873 К. Этому соответствует значение лангенберговского параметра взаимодействия \(e_{\rm{N}}^{{\rm{Cr}}}\)(Ni) = –0,036, что удовлетворительно согласуется с экспериментальной оценкой \(\varepsilon _{\rm{N}}^{{\rm{Mo}}}\)(Ni) = –15,1; \(e_{\rm{N}}^{{\rm{Cr}}}\)(Ni) = –0,038.

Алюминий является одним из наиболее распространенных раскислителей, при его использовании в расплаве образуются тугоплавкие включения глинозема. Присутствие данных неметаллических включений негативно влияет на чистоту жидкой стали, механические свойства, затрудняет разливку вследствие затягивания сталеразливочной фурнитуры. Модифицирование включений оксида алюминия кальцием способствует образованию жидких алюминатов кальция, что приводит к ускорению их удаления из металла ввиду более высокой скорости всплытия. Обладая высоким сродством к сере, кальций связывает ее, образуя сульфиды, тем самым уменьшая вредное влияние серы и снижая анизотропию свойств стали при дальнейшей прокатке. Для обработки стали кальцием используют инжекционные проволоки с кальцийсодержащим наполнителем. В качестве наполнителя могут быть использованы электролитический кальций, силикокальций, алюмотермический кальций, феррокальций. В данной работе описаны результаты проведенных испытаний кальцийсодержащей проволоки с наполнителем из электролитического кальция и силикокальция. Показано, что расход кальция при использовании силикокальциевой проволоки в среднем на 35 % выше в сравнении с кальциевой инжекционной проволокой с наполнителем из электролитического кальция. Проведена оценка коэффициента усвоения кальция для различных сортаментов сталей при использовании кальцийсодержащих проволок разных дизайнов и наполнителя. Выполнен анализ разливаемости стали, где в качестве определяющего параметра рассмотрена зависимость изменения положения штока стопора промежуточного ковша от содержания кальция в металле по пробе с установки непрерывной разливки стали. Установлено, что проволока с наполнителем из электролитического кальция показывает более эффективный результат в сравнении с силикокальциевой проволокой.

Изучены элементный и фазовый составы пыли дуговой сталеплавильной печи ПАО «Северсталь», проведено термодинамическое моделирование процесса селективного извлечения цинка и свинца из пыли. Определены возможные механизмы его протекания. Выполнен нагрев электросталеплавильной пыли в диапазоне температур 20 – 1300 °С в вакуумной печи сопротивления и печи Таммана в токе аргона. Эксперименты в вакуумной печи сопротивления с линейным нагревом показали, что удаление свинца и цинка из образца протекало в интервале температур 800 – 1200 °С. При этом скорость удаления свинца была выше. Интенсивное удаление свинца наблюдали при температурах свыше 1000 °С, а интенсивное удаление цинка при температурах свыше 1200 °С. Уточняющие изотермические эксперименты, выполненные в печи Таммана, показали, что полный переход свинца в газовую фазу достигался при температуре 1100 °С (время выдержки 12 мин) и при температуре 1200 °С (время выдержки 6 мин и более). Параллельно с этим наблюдали удаление цинка в количестве 14,4 и 32,2 % (отн.) соответственно, что позволило сделать вывод о возможности последовательного получения двух продуктов: смеси свинца с цинком и цинка, не загрязненного свинцом. При сопоставлении экспериментальных данных и данных термодинамического моделирования определены реакции, протекание которых наиболее вероятно при восстановлении свинец- и цинксодержащих фаз углеродом.

В российских атомных реакторах нового поколения предусмотрено специальное устройство локализации расплава (кориума), предназначенное для минимизации последствий тяжелой запроектной аварии на атомной электростанции с разрушением корпуса реактора и расплавлением активной зоны. Для изготовления конструктивных элементов устройства локализации расплава используются низкоуглеродистые нелегированные и низколегированные стали. При развитии тяжелой запроектной аварии корпус устройства локализации расплава подвергается экстремальным температурно-силовым нагрузкам, что может привести к деградации структуры, потере прочности и разрушению всей конструкции. Для расчета характеристик прочности конструкции устройства локализации расплава, обеспечивающих его безопасную и надежную работу, необходимы детальные данные о структуре и механических свойствах низкоуглеродистых сталей при высоких температурах и после экстремальных термических воздействий, имитирующих условия развития тяжелой запроектной аварии. В статье анализируются данные по структуре и механическим свойствам (статическому растяжению, трещиностойкости, ударной вязкости и циклической прочности) ряда низкоуглеродистых сталей при экстремальных температурно-силовых воздействиях. В том числе рассматриваются условия, имитирующие развитие тяжелой запроектной аварии на атомной электростанции с целью определения материала для конструкции устройства локализации расплава атомных реакторов. Представлены новые данные по структуре, механическим свойствам и температуропроводности в широком диапазоне температур стали 15ХМ, как конструкционного материала для изготовления корпуса устройства локализации расплава. Пониженное содержание марганца, легирование молибденом и ванадием стали 15ХМ обеспечивают более мелкозернистую структуру и устраняют склонность стали к отпускной хрупкости.

Для безаварийного функционирования и без потерь упругих и неупругих свойств особо ответственных элементов преобразователей электрических колебаний в механические в течение длительного периода циклической наработки необходимо, кроме исследования усталостных характеристик материалов, применяемых для их изготовления, исследовать эти сплавы и на частотную стабильность. Это связано с тем, что незначительные отклонения частоты собственных колебаний приводят к недопустимым погрешностям в работе такого рода высокоточных изделий. Для проведения  исследований разработана и сконструирована оригинальная установка, работающая в режиме автоколебаний, в которой осуществлено синусоидальное нагружение плоских образцов по «мягкой» схеме консольного изгиба. Частота циклического нагружения в установке генерируется импульсами тока, которые являются откликом на частоту собственных колебаний испытываемого образца, преобразованных с помощью электроники. В результате достигается частотное равенство в процессе испытаний. Разработан алгоритм расчета напряжений в зависимости от амплитуды нагружения образцов из стали разной геометрической формы. Показано, что напряжение на образце, рассчитанное по амплитуде деформации, во всех случаях на 8 – 10 % выше напряжения, рассчитанного по силе вне зависимости от формы образцов. Для верификации предложенного метода исследований проведены испытания мартенситно-стареющей стали на нагрузках, близких к пределу усталости, так как наибольший интерес представляет стабильность частоты в этом диапазоне. Получены частотные характеристики в многоцикловой области испытаний. Определено, что при наработке в 50 млн циклов нагружения изменение частоты составило 0,75 Гц. Выявлена динамика частотной стабильности: наиболее интенсивно частота менялась при первых 10 млн циклов нагружения, за это время она изменилась на 0,54 Гц.

В статье рассмотрены основные конструктивные особенности мини-станов радиально-сдвиговой прокатки (РСП), их наиболее распространенные типоразмеры. Описан обобщенный алгоритм проектирования таких станов с применением современных CAD систем. Перечислены основные подходы к методологии программного адаптивного проектирования моделей в инжиниринге, приведены их особенности и различия. В частности, рассмотрены методологии горизонтального моделирования, моделирования с явными ссылками и устойчивого моделирования. Описана методика виртуальных пережимов, приведена основная геометрическая схема пространственного положения валков продольного профиля. Полученные в результате расчетов данные закодированы и сведены в таблицы. Приведенные формулы использованы при параметрическом проектировании валкового узла трехвалкового стана РСП на примере типоразмера «30-70» в программной среде Autodesk Inventor. Полученная параметрическая модель, используя классические формулы методики виртуальных пережимов, позволяет автоматически перестраивать очаг деформации для новых исходных параметров. Разработанная модель применима для трехвалковых станов, имеющих углы раскатки рабочих валков δ = 5 – 15° и углы подачи β = 18 – 22°. Приведены эскизы и эпюры построенной модели для различных углов раскатки – 5, 10 и 15°. При увеличении угла раскатки заметно значительное увеличение конусности валка. Обозначен вектор будущих исследований по доработке и совершенствованию полученной программной модели. Дальнейшие исследования по доработке параметрической модели будут включать в себя расширение набора имеющихся параметров для добавления в компьютерную модель станины и валковых узлов, включая опоры, подушки, крышки, нажимное и уравновешивающее устройство и т. д.