ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Интенсивная пластическая деформация (ИПД) является одним из наиболее перспективных методов модификации структуры цветных сплавов, позволяющим переводить их в ультрамелкозернистое (УМЗ) и нанокристаллическое состояния. В то же время для практического внедрения таких материалов в узлы машиностроительного оборудования критически важными остаются вопросы их термической стабильности и износостойкости при экстремальных нагрузках в условиях контактного взаимодействия при царапании и трении. Цель работы. Комплексное исследование влияния различных режимов термической и интенсивной пластической деформации на структурные, механические и трибологические характеристики бронзы Cu-9Al-2Mn. В работе исследованы образцы бронзы системы Cu-9Al-2Mn в различных исходных состояниях: отжиг при 700 °C, закалка с 900 °C и старение при 400 °С. Для формирования УМЗ-структуры и повышения прочностных свойств заготовки подвергали деформационной обработке методом многоосевой ковки при комнатной температуре с последующей прокаткой. С целью изучения процессов рекристаллизации и термической стабильности УМЗ-сплава выполняли отжиг при температурах 400 °C в течение 30 минут и 500 °C в течение 10 минут. Методы исследований. В качестве основных методов аттестации структуры и фазового состава применялись металлография, просвечивающая электронная микроскопия и рентгеноструктурный анализ. Механические свойства оценивали по результатам измерения микротвердости по Виккерсу и испытаний на статическое растяжение. Сопротивление локальному поверхностному повреждению определяли методом царапания при линейно возрастающей нагрузке от 0,5 до 30 Н. Износостойкость и коэффициент трения исследовали при сухом трении скольжения по схеме «палец – диск» (контртело – сталь ШХ15) под нагрузкой 20 Н и с постоянной скоростью 0,1 м/с. Мониторинг динамики трибосистемы осуществлялся с помощью виброметрии и регистрации сигналов акустической эмиссии (АЭ). Топографию поверхности дорожек износа и шариков изучали методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии. С применением металлографии также исследовали изменение структуры под поверхностью трения. Результаты и обсуждение. Исследовано влияние термической обработки, интенсивной пластической деформации (ИПД) и последующего отжига на структуру, механические и трибологические свойства бронзы Cu-9Al-2Mn. Показано, что ИПД (многоосевая ковка и прокатка) формирует ультрамелкозернистую (100…300 нм) структуру с высокой плотностью дислокаций и деформационного мартенсита, обеспечивая предел текучести 998 МПа и микротвердость 3,24 ГПа. Низкотемпературный отжиг при 400 °C дополнительно повышает предел текучести до 1095 МПа за счет полигонизации и дисперсионного твердения. Отжиг при 500 °C вызывает рекристаллизацию, частично восстанавливая пластичность. Трибологические испытания при сухом трении скольжения выявили, что ИПД многократно увеличивает износостойкость при неизменном коэффициенте трения. Глубина царапин при скретч-тестировании снижается на ~40 %, механизм разрушения меняется от вязкого пропахивания к микрорезанию. Акустическая эмиссия и вибрация коррелируют со сменой механизмов изнашивания.

1. Improvement of strength and conductivity in Cu-alloys with the application of high pressure torsion and subsequent heat-treatments / D.V. Shangina, J. Gubicza, E. Dodony, N.R. Bochvar, P.B. Straumal, N.Yu. Tabachkova, S.V. Dobatkin // Journal of Materials Science. – 2014. – Vol. 49. – P. 6674–6681. – DOI: 10.1007/s10853-014-8339-4.

2. Microstructural evolution and mechanical properties of Cu–Al alloys subjected to equal channel angular pressing / S. Qu, X.H. An, H.J. Yang, C.X. Huang, G. Yang, Q.S. Zang, Z.G. Wang, S.D. Wu, Z.F. Zhang // Acta Materialia. – 2009. – Vol. 57 (5). – P. 1586–1601. – DOI: 10.1016/j.actamat.2008.12.002.

3. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation // Progress in Materials Science. – 2000. – Vol. 45. – P. 103–189. – DOI: 10.1016/S0079-6425(99)00007-9.

4. Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: справочник. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Инновационное машиностроение, 2016. – 360 с. – ISBN 978-5-9907638-3-8.

5. Kroupa A., Zobac O., Richter K.W. The thermodynamic reassessment of the binary Al–Cu system // Journal of Materials Science. – 2021. – Vol. 56. – P. 3430–3443. – DOI: 10.1007/s10853-020-05423-7.

6. Experimental description of the Al–Cu binary phase diagram / O. Zobac, A. Kroupa, A. Zemanova, K.W. Richter // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2019. – Vol. 50. – P. 3805–3815. – DOI: 10.1007/s11661-019-05286-x.

7. Alés A. Study of different structures derives of β–Cu₃Al by means of ab-initio calculations and quasi-harmonic approximation // Computational Condensed Matter. – 2022. – Vol. 31. – P. e00652. – DOI: 10.1016/j.cocom.2022.e00652.

8. Effect of ECAP process and subsequent annealing on microstructure and properties of Cu–0.25Se–0.25Te alloy / R. Huang, D. Zhu, X. Liao, Q. Yan // Journal of Electronic Materials. – 2020. – Vol. 49. – P. 2617–2624. – DOI: 10.1007/s11664-020-07975-5.

9. Hase A., Mishina H., Wada M. Correlation between features of acoustic emission signals and mechanical wear mechanisms // Wear. – 2012. – Vol. 292–293. – P. 144–150. – DOI: 10.1016/j.wear.2012.05.019.

10. Tribological behaviour diagnostic and fault detection of mechanical seals based on acoustic emission measurements / H. Towsyfyan, F. Gu, A.D. Ball, B. Liang // Friction. – 2019. – Vol. 7. – P. 572–586. – DOI: 10.1007/s40544-018-0244-4.

11. Hase A., Mishina H. Identification and evaluation of wear phenomena under electric current by using an acoustic emission technique // Tribology International. – 2018. – Vol. 127. – P. 372–378. – DOI: 10.1016/j.triboint.2018.06.027.

12. Kolubaev E.A., Kolubaev A.V., Sizova O.V. Analysis of acoustic emission during sliding friction of manganese steel // Technical Physics Letters. – 2010. – Vol. 36 (8). – P. 762–765. – DOI: 10.1134/S1063785010080250.

13. Using acoustic emission for the analysis of wear processes during sliding friction / V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev, A.V. Kolubaev, V.L. Popov // Technical Physics Letters. – 2013. – Vol. 39 (2). – P. 223–225. – DOI: 10.1134/S1063785013020235.

14. Microstructural, mechanical and acoustic emission-assisted wear characterization of equal channel angular pressed (ECAP) low stacking fault energy brass / A.V. Filippov, S.Yu. Tarasov, S.V. Fortuna, O.A. Podgornykh, N.N. Shamarin, V.E. Rubtsov // Tribology International. – 2018. – Vol. 123. – P. 273–285. – DOI: 10.1016/j.triboint.2018.03.023.

15. Wear, vibration and acoustic emission characterization of sliding friction processes of coarse-grained and ultrafine-grained copper / A.V. Filippov, S.Yu. Tarasov, O.A. Podgornykh, S.V. Fortuna, N.N. Shamarin, A.V. Vorontsov // Wear. – 2019. – Vol. 424–425. – P. 78–88. – DOI: 10.1016/j.wear.2019.02.014.

16. Filippov A.V., Rubtsov V.E., Tarasov S.Y. Acoustic emission study of surface deterioration in sliding steel contacts // Applied Acoustics. – 2017. – Vol. 117. – P. 106–112. – DOI: 10.1016/j.apacoust.2016.11.007.

17. Sintering mechanism of Cu–9Al alloy prepared from elemental powders / Z. Deng, H. Yin, C. Zhang, G. Zhang, T. Zhang, Z. Liu, H. Wang, X. Qu // Progress in Natural Science: Materials International. – 2019. – Vol. 29 (4). – P. 425–431. – DOI: 10.1016/j.pnsc.2019.04.007.

18. Phase equilibria and Heusler phase stability in the Cu-rich portion of the Cu–Al–Mn system / R. Kainuma, N. Satoh, X.J. Liu, I. Ohnuma, K. Ishida // Journal of Alloys and Compounds. – 1998. – Vol. 266 (1–2). – P. 191–200. – DOI: 10.1016/S0925-8388(97)00425-8.

19. Decomposition of β′-martensite in annealing the additively manufactured aluminum bronze / A. Zykova, A. Panfilov, A. Chumaevskii, A. Vorontsov, D. Gurianov, N. Savchenko, E. Kolubaev, S. Tarasov // Materials Letters. – 2023. – Vol. 338. – P. 134064. – DOI: 10.1016/j.matlet.2023.134064.

20. Deformation twinning with different twin-boundary mobility in 2H martensite in Cu–Ni–Al shape memory alloy / Y. Ge, M. Vronka, P. Vertát, M. Karlik, S.P. Hannula, O. Heczko // Acta Materialia. – 2022. – Vol. 226. – P. 117598. – DOI: 10.1016/j.actamat.2021.117598.

21. Elastic constants of bcc austenite and 2H orthorhombic martensite in CuAlNi shape memory alloy / P. Sedlák, H. Seiner, M. Landa, V. Novák, P. Šittner, Ll. Mañosa // Acta Materialia. – 2005. – Vol. 53. – P. 3643–3661. – DOI: 10.1016/j.actamat.2005.04.013.

22. A microstructural study of Cu–10Al–7Ag shape memory alloy in as-cast and quenched conditions / L. Liveric, W. Sitek, P. Snopinski, W. Maziarz, T.H. Grguric // Symmetry. – 2024. – Vol. 16. – P. 545. – DOI: 10.3390/sym16050545.

23. Han Z., Zhao H. Effect of β martensite transformation on dealuminification behavior of Cu–9Al–2Mn alloy in a marine environment // Materials Science and Engineering A. – 2003. – Vol. 345. – P. 8–13. – DOI: 10.1016/S0921-5093(02)00124-7.

24. Olejnik P., Desta Y.D. Friction-induced interactions: acoustic emissions, vibrations, and wear – a multiscale review // Nonlinear Dynamics. – 2025. – Vol. 113. – P. 24101–24140. – DOI: 10.1007/s11071-025-11397-5.

25. Adhesion transfer in sliding a steel ball against an aluminum alloy / S.Yu. Tarasov, A.V. Filippov, E.A. Kolubaev, T.A. Kalashnikova // Tribology International. – 2017. – Vol. 115. – P. 191–198. – DOI: 10.1016/j.triboint.2017.05.039.