Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет30884810.17212/1994-6309-2025-27.3-166-182ArticlesСтатьиResearch ArticleThe influence of structural state on the mechanical and tribological properties of Cu-Al-Si-Mn bronzeВлияние структурного состояния на механические и трибологические свойства бронзы системы Cu-Al-Si-Mnhttps://orcid.org/0000-0003-0487-838224587007100A-9831-20151794-6373FilippovAndrey V.ФилипповАндрей Владимирович
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), Scientific associate

канд. техн. наук,  научный сотрудник

avf@ispms.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4649-646557191272444U-7601-20189275-1472ShamarinNikolay N.ШамаринНиколай Николаевич
Russian Federation

Junior researcher

младший научный сотрудник 

shnn@ispms.ruhttps://www.researchgate.net/profile/Nikolay-Shamarinhttps://orcid.org/0000-0003-0702-76397005125937B-6202-20081740-3089TarasovSergei Yu.ТарасовСергей Юльевич
Russian Federation

D.Sc. (Engineering), Chief Researcher

доктор техн. наук, главный научный сотрудник

tsy@ispms.ruhttps://www.researchgate.net/profile/Sergei-Tarasov-2https://orcid.org/0000-0001-6547-7676572120326841879-6785SemenchyukNatalya V.СеменчукНаталья Валерьевна
Russian Federation

Junior researcher

младший научный сотрудник

natali.t.v@ispms.ruInstitute of Strenght Physics and Materials Sciences SB RASИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН15092025273VOL 27, NO3 (2025)ТОМ 27, №3 (2025)16618210092025Copyright ©; 2025, Filippov A.V., Shamarin N.N., Tarasov S.Y., Semenchyuk N.V.Copyright ©; 2025, Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Тарасов С.Ю., Семенчук Н.В.2025Filippov A.V., Shamarin N.N., Tarasov S.Y., Semenchyuk N.V.Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Тарасов С.Ю., Семенчук Н.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/308848

Introduction. Electron beam additive manufacturing (EBAM) is a promising method for producing new alloys with unique properties. At the same time, existing problems with obtaining a high-quality structure require a search for a technical solution that ensures grain refinement and the formation of a more homogeneous microstructure. For strain-hardened copper alloys, severe plastic deformation (SPD) methods are effective ways to control their structural state and mechanical properties. Currently, the effect of severe plastic deformation on the structure, mechanical, and tribological properties of Cu-Al-Si-Mn bronze, which is promising for industrial application, has not been studied. The aim of this work is to study the relationship between the structural state formed as a result of severe plastic deformation and the mechanical and tribological properties of Cu-Al-Si-Mn bronze samples. The paper studies samples of Cu-Al-Si-Mn bronze, made from bronze (3% Si-1% Mn) wires and commercially pure aluminum using multiwire electron beam additive manufacturing. For targeted changes in structure and properties, the resulting additively manufactured blanks were subjected to severe plastic deformation. Multi-axial forging and rolling were used as SPD methods, aimed at significant grain refinement and increased strength characteristics. The work uses such research methods as transmission electron microscopy (TEM) for a detailed analysis of the submicron structure after SPD, X-ray diffraction (XRD) to identify the phase composition of the alloy, tensile tests to determine key mechanical properties such as tensile strength, yield strength, and percentage of elongation, microhardness measurements to assess the hardening of samples using Vickers loads, confocal laser scanning microscopy (CLSM) for three-dimensional analysis of the surface topography and studying the morphology of worn surfaces, and dry sliding friction tests to assess the wear resistance of the material and the friction coefficient in the absence of lubrication under specified loads and sliding speeds. Results and discussion. Based on the data of transmission electron microscopy, it was found that the use of multi-axial forging and rolling led to significant changes in the structure of the material, as well as its phase composition. Based on the X-ray diffraction analysis, it was revealed that severe plastic deformation contributed to the deformation-induced dissolution of the γ- and β-phases. The results of tensile tests showed that the highest strength is achieved after intense plastic deformation by rolling, after multi-axial forging. SPD by multi-axial forging and subsequent rolling led to an increase in the microhardness of bronze. The results of tribological tests showed that SPD contributes to a decrease in the friction coefficient (FC) compared to the material in the printed state. Heat treatment of samples after SPD led to an increase in FC and an increase in fluctuations in its value. SPD by multi-axial forging and subsequent rolling contributes to a significant increase in the wear resistance of samples under dry sliding friction conditions. Low-temperature annealing after SPD leads to a decrease in the wear resistance of deformed samples. Thus, the use of SPD makes it possible to increase the strength and wear resistance of bronze samples of the Cu-Al-Si-Mn system.

Введение. Электронно-лучевое аддитивное производство является перспективным методом получения новых сплавов с уникальными свойствами. В то же время существующие проблемы с получением качественной структуры требуют поиска технического решения, обеспечивающего измельчение зерна и формирование более однородной микроструктуры. Для деформационно-упрочняемых медных сплавов методы интенсивной пластической деформации являются эффективными способами управления их структурным состоянием и механическими свойствами. В настоящее время влияние интенсивной пластической деформации (ИПД) на структуру, механические и трибологические свойства перспективной для промышленного применения бронзы системы Cu-Al-Si-Mn не исследовано. Целью работы является исследование связи структурного состояния, сформированного в результате интенсивной пластической деформации, с механическими и трибологическими свойствами образцов бронзы системы Cu-Al-Si-Mn. В работе исследованы образцы бронзы системы Cu-Al-Si-Mn, изготовленные из проволок бронзы БрКМц 3-1 и технически чистого алюминия методом мультипроволочной электронно-лучевой аддитивной технологии. Для целенаправленного изменения структуры и свойств полученные аддитивные заготовки были подвергнуты интенсивной пластической деформации (ИПД). В качестве методов ИПД использовались многосторонняя ковка и прокатка, направленные на существенное измельчение зерна и повышение прочностных характеристик. Методы: исследование структуры на просвечивающем электронном микроскопе для детального анализа субмикронной структуры после ИПД; рентгенофазовый анализ для идентификации фазового состава сплава; испытания на растяжение для определения ключевых механических свойств – предела прочности, предела текучести и относительного удлинения; измерение микротвердости для оценки упрочнения образцов с использованием нагрузок по Виккерсу; конфокальная лазерная сканирующая микроскопия для трехмерного анализа топографии поверхности и исследования морфологии изношенных поверхностей; испытания на сухое трение скольжения для оценки износостойкости материала и коэффициента трения в условиях отсутствия смазки при заданных нагрузках и скоростях скольжения. Результаты и обсуждение. На основе данных просвечивающей электронной микроскопии установлено, что применение многосторонней ковки и прокатки привело к существенным изменениям в структуре материала, а также его фазового состава. На основе рентгенофазового анализа выявлено, что интенсивная пластическая деформация способствовала деформационному растворению γ- и β-фаз. Результаты испытаний на растяжение показали, что наибольшая прочность достигается после интенсивной пластической деформации методом прокатки, после многосторонней ковки. ИПД путем многосторонней ковки и последующей прокатки привела к повышению микротвердости бронзы. В результате трибологических испытаний установлено, что ИПД способствует снижению коэффициента трения (КТ) по сравнению с материалом в напечатанном состоянии. Термическая обработка образцов после ИПД привела к повышению КТ и увеличению флуктуаций его величины. ИПД путем многосторонней ковки и последующей прокатки способствует многократному увеличению износостойкости образов в условиях сухого трения скольжения. Низкотемпературный отжиг после ИПД приводит к снижению износостойкости деформированных образцов. Таким образом, применение ИПД позволяет повысить прочность и износостойкость образцов бронзы системы Cu-Al-Si-Mn.

Additive manufacturingBronzeMicrostructurePhase compositionMechanical propertiesSevere plastic deformation (SPD)Sliding frictionАддитивные технологиибронзамикроструктурафазовый составмеханические свойстваинтенсивная пластическая деформациятрение скольженияFunding This research was funded by Russian Science Foundation project № 24-29-00259, https://rscf.ru/project/24-29-00259/.Финансирование Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 24-29-00259), https://rscf.ru/project/24-29-00259/.Медь и медные сплавы: отечественные и зарубежные марки: справочник / О.Е. Осинцев, В.Н. Федоров. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Инновационное машиностроение, 2016. – 360 с. – ISBN 978-5-9907638-3-8.Micro-, Meso- and macrostructural design of bulk metallic and polymetallic materials by wire-feed electron-beam additive manufacturing / E.A. Kolubaev, V.E. Rubtsov, A.V. Chumaevsky, E.G. Astafurova // Physical Mesomechanics. – 2022. – Vol. 25 (6). – P. 479–491. – DOI: 10.1134/S1029959922060017.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.Massalski T.B. The Al-Cu (Aluminum-Copper) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. – 1980. – Vol. 1. – P. 27–33. – DOI: 10.1007/BF02883281.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.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.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.Calorimetric measurements and assessment of the binary Cu-Si and ternary Al-Cu-Si phase diagrams / B. Hallstedt B., J. Gröbner, M. Hampl, R. Schmid-Fetzer // Calphad. – 2016. – Vol. 53. – P. 25–38. – DOI: 10.1016/j.calphad.2016.03.002.Experimental investigation of the Cu-Si phase diagram at x(Cu)>0.72 / K. Sufryd, N. Ponweiser, P. Riani, K.W. Richter, G. Cacciamani // Intermetallics. – 2011. – Vol. 19 (10). – P. 1479–1488. – DOI: 10.1016/j.intermet.2011.05.017.Phillips H.W.L. The constitution of aluminum-copper-silicon alloys // Journal of the Institute of Metals. – 1953. – Vol. 82. – P. 9–15.Raghavan V. Al-Cu-Si (Aluminum-Copper-Silicon) // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. – 2007. – Vol. 28. – P. 180–182. – DOI: 10.1007/s11669-007-9024-y.Experimental investigation and thermodynamic modeling of the Al-Cu-Si system / C.-Y. He, Y. Du, H.-L. Chen, H. Xu // Calphad. – 2009. – Vol. 33. – P. 200–210. – DOI: 10.1016/j.calphad.2008.07.015.Riani P., Sufryd K., Cacciamani G. About the Al-Cu-Si isothermal section at 500 °C and the stability of the ?-Cu15Si4 phase // Intermetallics. – 2009. – Vol. 17. – P. 154–164. – DOI: 10.1016/j.intermet.2008.10.011.Miettinen J. Thermodynamic description of the Cu-Al-Si system in the copper-rich corner // Calphad. – 2007. – Vol. 31. – P. 449–456. – DOI: 10.1016/j.calphad.2007.05.001.Ponweiser N., Richter K.W. New investigation of phase equilibria in the system Al-Cu-Si // Journal of Alloys and Compounds. – 2012. – Vol. 512. – P. 252–263. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.09.076.Heat input effect on microstructure and mechanical properties of Electron Beam Additive Manufactured (EBAM) Cu-7.5wt.%Al Bronze / A. Filippov, N. Shamarin, E. Moskvichev, N. Savchenko, E. Kolubaev, E. Khoroshko, S. Tarasov // Materials. – 2021. – Vol. 14 (22). – P. 6948. – DOI: 10.3390/ma14226948.The effect of heat input, annealing, and deformation treatment on structure and mechanical properties of Electron Beam Additive Manufactured (EBAM) silicon bronze / A. Filippov, N. Shamarin, E. Moskvichev, N. Savchenko, E. Kolubaev, E. Khoroshko, S. Tarasov // Materials. – 2022. – Vol. 15. – P. 3209. – DOI: 10.3390/ma15093209.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.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.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.Исследование свойств сплавов на основе кремниевой бронзы, напечатанных с применением технологии электронно-лучевого аддитивного производства / А.В. Филиппов, Е.С. Хорошко, Н.Н. Шамарин, Е.А. Колубаев, С.Ю. Тарасов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 1. – С. 110–130. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.1-110-130.Mechanisms of formation of Al4Cu9 during mechanical alloying: An experimental study / R. Besson, M.-N. Avettand-Fenoel, L. Thuinet, J. Kwon, A. Addad, P. Roussel, A. Legris // Acta Materialia. – 2015. – Vol. 87. – P. 216–224. – DOI: 10.1016/j.actamat.2014.12.050.Unusual kinetics of strain-induced diffusional phase transformations in Cu-Cr-Zr alloy / S.N. Faizova, D.A. Aksenov, I.A. Faizov, K.S. Nazarov // Letters on Materials. – 2021. – Vol. 11 (2). – P. 218–222. – DOI: 10.22226/2410-3535-2021-2-218-222.Особенности деформационного растворения и строения поверхностей разрушения сплавов системы Cu-Co / Т.П. Толмачев, В.П. Пилюгин, А.М. Пацелов, Т.М. Гапонцева, А.В. Плотников, Р.В. Чурбаев, А.В. Иноземцев // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. – 2019. – № 6. – С. 48–57. – DOI: 10.17804/2410-9908.2019.6.048-057.Effect of annealing temperature on microstructure and properties of a heavy warm rolled nickel aluminum bronze alloy / S. Ma, X. Li, X. Yang, L. Fu, L. Liu, M. Xia, A. Shan // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2023. – Vol. 54. – P. 293–311. – DOI: 10.1007/s11661-022-06873-1.Naydenkin E.V., Grabovetskaya G.P. Deformation behavior and plastic strain localization of nanostructured materials produced by severe plastic deformation // Materials Science Forum. – 2009. – Vol. 633–634. – P. 107–119. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.633-634.107.Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. 1. Физические основы многоуровневого подхода // Физическая мезомеханика. – 2006. – Т. 9, № 3. – С. 9–22.Грабовецкая Г.П., Мишин И.П., Колобов Ю.Р. Влияние дисперсного упрочнения на закономерности и механизмы ползучести меди с субмикрометровым размером зерен // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2009. – № 2. – С. 38–43.Козлов Э.В., Жданов А.Н., Конева Н.А. Барьерное торможение дислокаций. Проблема Холла-Петча // Физическая мезомеханика. – 2006. – Т. 9, № 3. – С. 81–92.Растворение частиц вторых фаз в низколегированном медном сплаве системы Cu-Cr-Zr при обработке методом равноканального углового прессования / И.А. Фаизов, Р.Р. Мулюков, Д.А. Аксенов, С.Н. Фаизова, Н.В. Землякова, K. Cardoso, Y. Zeng // Письма о материалах. – 2018. – Т. 8, № 1. – С. 110–114. – DOI: 10.22226/2410-3535-2018-1-110-114.Ilie F. Tribological behaviour of the steel/bronze friction pair (journal bearing type) functioning with selective mass transfer // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018. – Vol. 124. – P. 655–662. – DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.03.107.