CC BY
16
МЕХАНИКА. Механика деформируемого твердого тела
DOI.org/10.5281/zenodo.1196685 УДК 54.063
О.Н. Любимова, А.В. Морковин, В.В. Сиськов
ЛЮБИМОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА - к.ф.-м.н., профессор кафедры, e-mail: berms@mail.ru МОРКОВИН АНДРЕЙ ВИТАЛЬЕВИЧ - аспирант, ассистент кафедры,e-mail: fly.88@mail.ru СИСЬКОВ ВИКТОР ВИКТОРОВИЧ - старший преподаватель, e-mail: vvsis@mail.ru Кафедра механики и математического моделирования Инженерной школы Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690091
Моделирование размера диффузионной зоны при изменении условий режима изготовления стеклометаллокомпозита
Аннотация: Работа направлена на решение фундаментальных и практических задач повышения прочности стекла и получения соединения разнородных материалов. Теоретически и экспериментально исследуется влияние технологии изготовления на свойства зоны соединения стекла и стали при получении нового перспективного конструкционного материала-стеклометаллоком-позита. Предварительные экспериментальные исследования особенностей формирования соединения стекла и стали при варьировании отдельных параметров в технологии получения стеклометаллокомпозита показали, что возможно образование диффузионной зоны, которая является стеклом, насыщенным оксидами железа. Разные типы структур зоны соединения и ее размеры оказывают влияние на прочностные характеристики композита. Знание о характере изменения ширины соединения стали со стеклом при вариации таких параметров технологического режима, как температура, время выдержки, а также использование припоев позволит управлять структурой и свойствами стеклометаллокомпозита. В данной работе приведены экспериментальные измерения ширины диффузионной зоны в стеклометаллокомпозите для различных режимов и их статистическая обработка по схеме полного факторного эксперимента. На основе полного факторного анализа моделируется размер диффузионной зоны в спае стекла со сталью 20 при варьировании отдельных технологических параметров, в том числе способа предварительной обработки спаиваемых поверхностей стали и стекла.
Ключевые слова: стеклометаллокомпозит, технология получения соединения, обработка экспериментальных данных.
Введение
Расширяющееся практическое использование стекол определяется современными способами их упрочнения, среди которых основная роль отводится методам, устраняющим или сдерживающим развитие поверхностных микродефектов [12-13]. Пример - известная технология изготовления стеклометаллических труб с толстым внутренним стеклянным покрытием для химической промышленности [9].
В данной работе рассматриваются технологические особенности изготовления нового конструкционного материала на основе стекла и стали - стеклометаллокомпозита [4, 6]. На текущий момент получены экспериментальные образцы трехслойной цилиндрической трубы (АМг-алюмо-
© Любимова О.Н., Морковин А.В., Сиськов В.В., 2018 О статье: поступила: 02.07.2017; финансирование: бюджет ДВФУ.
силикат-АМг) [13] и двухслойного стержня (сталь (СтЗсп, Ст10, Ст20) - стекло (С-49, СН 1)) [4], исследуются технологические режимы и свойства полученных образцов.
Стеклометаллокомпозиты представляют собой многослойные спаи стекла с металлом (сталью, алюминием или титаном - в зависимости от предназначения), поэтому моделирование технологии их изготовления в целом опирается на ряд работ по получению спаев стекла с металлом для применения их в электротехнике, при изготовлении медицинского и научного оборудования [3]. Температурная обработка стеклометаллокомпозита имеет свои особенности: при разных технологических режимах качество соединения может варьироваться от вакуумноплотного до спая с развитой диффузионной зоной на границе контакта. При изготовлении стеклометаллокомпозитных стержней на основе натриевоборосиликатного стекла и углеродистой стали замечено, что максимальная прочность на растяжение достигается в образцах с измененной структурой в поверхности стекла в результате диффузионных процессов в зоне соединения [4]. Вместе с тем исследования по количественной и качественной оценке диффузионных процессов при пайке стекла и стали ограничены лишь несколькими работами [4, 5, 9]. Отметим также, что на данный момент не существует единой теории, позволяющей описать физико-химические процессы при пайке стекол с различными металлами. Когда отсутствует априорная информация для обоснования структуры модели с позиций физико-химических представлений процессов, происходящих в объекте, недостаточна количественная оценка степени влияния изучаемых факторов на выходную переменную объекта и его выходной показатель, тогда одним из способов построения математической модели недетерминированного объекта является полный факторный эксперимент [1].
Целью данной работы является моделирование на основе полного факторного анализа экспериментальных данных по измерению ширины диффузионной зоны в стеклометаллокомпозите в зависимости от изменения технологических параметров режима изготовления: температуры, времени и характера обработки соединяемых поверхностей.
Теоретические основания для экспериментальных исследований
Температурный режим получения стеклометаллокомпозита включает: нагрев до определенной температуры; выдержку при этой температуре и охлаждение. При этом при образовании соединения стекло-сталь выделяются три этапа: формирование физического контакта; зарождение и появление зародышей новой фазы; объемные диффузионные процессы. Первые два отличаются по механизму и подходам к построению математических моделей: модель образования физического контакта предложена в работе [4], кинетический анализ закономерностей появления и роста зародышей новой фазы возможен с использованием классической модели Ерофеева или его модификаций, однако функциональный подбор параметров этой модели требует намного больший массив данных экспериментов, чем есть на текущий момент. В данной работе предлагается моделировать результаты третьего этапа - ширины зоны, насыщенной железом, как следствие диффузионных процессов. Проведение единичных экспериментов и изучение теоретических основ получения спаев [8] позволило предположить, что можно выделить основные факторы технологического процесса, оказывающие существенное влияние на диффузию:
Т - максимальную температуру нагрева;
t - время выдержки при максимальной температуре;
TO - тип обработки соединяемых поверхностей.
Рассмотрим подробнее каждый из перечисленных факторов. При нагреве экспериментального образца, который представляет собой составной цилиндр со стеклянным сердечником и внешней стальной оболочкой (рис. 1, а), в технологии пайки один из соединяемых материалов должен доводиться до пластичного (деформируемого при небольших давлениях) состояния. В случае стеклометаллокомпозита этим материалом является стекло, поэтому при определении максимальной температуры (Т) следует определять вязкость стекла. Температурная зависимость вязкости служит основой для определения температурных режимов, вязкое состояние стекла соответ-
»-* 5 8
ствует значениям динамической вязкости п = 10 ^10 (Па-с) и лежит в области температуры размягчения, для стекла СН-1 это 730-850 оС.
В отношении варьирования времени выдержки t заметим, что в данной работе под временем выдержки мы будем понимать время, в течение которого происходят именно диффузионные процессы. Действительно, если говорить о времени выдержки с технологической точки зрения, мы должны разделять время, затрачиваемое на образование полного физического контакта, и время, в которое протекают диффузионные процессы, определяющие ширину диффузионной зоны. Метод определения времени образования полного физического контакта подробно изложен в работе [12]: при проведении эксперимента авторы пользовались им для выделения в режиме времени ^ в которое протекают диффузионные процессы. В работе предлагается варьировать t от 30 до 120 мин, при этом нижняя граница соответствует минимальному времени выдержки при температуре 730 оС, при которой была зафиксирована равномерная (в смысле распределения элементов по длине окружности - см. рис. 1, б) диффузионная зона.
Значительную роль в получении качественного соединения стекло-сталь может играть режим химической обработки соединяемых поверхностей.
На текущий момент существует несколько теорий, позволяющих описывать физико-химические процессы, происходящие при соединении разнородных материалов: дендритная, электрохимическая, теория топохимических реакций и теория оксидного соединения. Описывая процессы при соединении стекла со сталью в единичных экспериментах, авторы данной работы и работы [4] доказали эффективность положений теории оксидного соединения [7]. Она объясняет механизм соединения стекла с металлом через слой оксида и описывается двумя стадиями: физической адсорбции и смачиваемостью; химическими реакциями и продолжительной диффузией. Наиболее активно диффузионные процессы идут по границам зерен оксидного слоя, поэтому оксидный слой должен иметь равномерное мелкозернистое строение, что достигается холодной химической обработкой поверхности стальной заготовки. Тогда для улучшения взаимодействия на стали специальным способом создается стабильная окисная пленка вюстита. Вюстит хорошо смачивается и растворяется в стекле и способствует образованию прочного соединения за счет протекания диффузионных процессов и химического взаимодействия окислов металлов с компонентами стекла с образованием диффузионного (переходного) слоя. В данной работе проверяется также идея дополнительной обработки (после холодной химической обработки) соединяемых поверхностей солями, способствующими улучшению растворимости оксидного слоя.
Описание эксперимента
Для изучения влияния ширины зоны соединения от изменения температуры, времени и характера обработки соединяемых поверхностей экспериментально исследовалась структура стек-лометаллокомпозитных образцов на основе стекла СН-1 и стали 20, изготовленных по разным режимам. Образец представляет собой составной цилиндр со стеклянным сердечником и внешней стальной оболочкой (рис. 1). Рассматриваются два способа обработки внутренней поверхности стальных цилиндрических заготовок: холодная химическая обработка и обработка припоем на основе тетрабората натрия.
Первый способ. При холодной химической обработке внутренняя поверхность стальной заготовки (рис. 1, а) обрабатывается наждачной бумагой Р600 с размером зерна 20-28 мкм, затем азотной кислотой ХЧ, после этого обильно промывается водой, затем - изопропиловым спиртом (Пропанол-2 ХЧ) и просушивается. Стекло протирается спиртом, просушивается и помещается в стальную заготовку. Собранная заготовка нагревается до определенной температуры, выдерживается при этой температуре и охлаждается.
Второй способ. Отличается от первого только дополнительной обработкой стали припоем после холодного химического травления, а именно: сухая смесь из 50% тетрабората натрия и 50% борной кислоты помещается в тигель и нагревается до расплавленной массы. Полученный припой в горячем состоянии помещается в подготовленную стальную заготовку, далее в нее погружается стекло, припой вытесняется помещённым стеклом, обволакивая всю внутреннюю поверхность стальной заготовки и стеклянного цилиндра, а также вытесняя воздух из зазора между стеклом и гильзой.
а) б) в)
Рис. 1. Образец стеклометаллокомпозита: а - схематичное изображение образца стеклометаллокомпозита (1 - крышка, через которую передается давление, 2 - стальная заготовка, 3 - стеклянный цилиндр), б - фотография среза готового образца, в - фотография микрошлифа образца.
Для исследования структуры стеклометаллокомпозита готовился шлиф (рис. 1, в). Кроме обычных операций по подготовке шлифа (резки, шлифовки и полировки) для его исследования на сканирующем электронном микроскопе на образец наносили электропроводящее (углеродное) покрытие. Микроструктура изучалась на сканирующем электронном микроскопе HitachiS-3400N (Hitachi, Япония) в режиме отраженных электронов (BSECOMP) при различных увеличениях. Элементный состав исследовался с помощью энергодисперсионного флуоресцентного анализа в отдельных точках и при линейном сканировании (рис. 2). Полученные данные отражают изменение элементного состава по линии исследования, начиная от светлой области металлической стальной основы, переходной зоны металл-стекло и заканчивая стеклофазой стеклометаллокомпозита. При проведении экспериментальных исследований замечено, что причиной и непосредственным участником диффузионных процессов является оксидный слой на стальной поверхности [4], т.е. фактически наблюдается диффузия только ионов железа из оксидного слоя в стекло. Поэтому ширина диффузионной зоны определялась для каждого образца как среднее значение пяти линий изменения концентрации железа в стекле от максимальной до нулевой, с учетом погрешности измерений (рис. 2).
О 20 40 60 80 100 120 140
Дистанция , цт
—•—Холодная химическая обработка —♦—С припоем на основе терабората натрия
Рис. 2. Аналитические данные спектрального анализа при линейном сканировании (массовое содержание Fe) и схемы проведения линейного сканирования.
Обработка экспериментальных данных методами математической статистики
Экспериментальные результаты измерений ширины диффузионной зоны при разных режимах представлены в табл. 1.
Таблица 1
Экспериментальные данные
Температура (Т), °С Тип об эаботки
без буры с бурой
г = 30,40,50,60 г = 100,120 г = 40,60 г = 100,120
750 79,6; 81,5(40) 85; 87 (100) 97; 95(40) 115,3; 98 (120)
800 106; 105 (30)117,2; 125,1 (60) 110; 106; 113 (100) 122; 136(60) 145,8; 13 5,2(100)
850 12; 16 (30); 22 (40) 24 (50) 36; 34; 41 (100) 132; 139 (60) 151,2; 159,5(100)
Для обработки экспериментальных данных (построения регрессионной модели) использовался полный факторный эксперимент типа 23, с числом факторов, равным 3 и числом уровней, равным 2. Количество опытов равно N=8.
Матрица факторного эксперимента X = (х^), /, = 1, ...,8,} = 1,2,3 имеет вид (табл. 2):
Таблица 2
Матрица факторного эксперимента 23
Точки факторного пространства х1 х2 хз
х1) -1 -1 -1
х(2) -1 -1 +1
х(3) -1 +1 -1
х(4) -1 +1 +1
х(5) +1 -1 -1
х(6) +1 -1 +1
х(7) +1 +1 -1
х(8) +1 +1 +1
В качестве факторов оптимизации функции у (ширины диффузионной зоны) рассматривались три фактора: x1 = T (температура), x2 = t (время выдержки), x3 = B (способ обработки - отсутствие или наличие буры). Варианты значений уровней факторов приведены в табл. 3.
Таблица 3
Варианты определения значений уровней факторов
Вариант Уровень фактора Т, °С г (длительность обработки) В (тип обработки)
I -1 750,800 30, 40, 50, 60 (< 60) Без буры
+1 850 100, 120 (> 100) С бурой
II -1 750 30, 40, 50, 60 (< 60) Без буры
+1 850 100, 120 (> 100) С бурой
III -1 800 30, 40, 50, 60 (< 60) Без буры
+1 850 100, 120 (> 100) С бурой
IV -1 750 30, 40, 50, 60 (< 60) Без буры
+1 800,850 100, 120 (> 100) С бурой
Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась в следующем порядке: 1) исключение резко выделяющихся наблюдений;
2) определение дисперсии параметра оптимизации;
3) проверка однородности дисперсий;
4) вычисление оценок коэффициентов уравнения регрессии;
5) проверка значимости коэффициентов регрессии;
6) проверка адекватности модели.
Опишем более подробно все шаги проведенной обработки.
1. Если уц, / = 1,..., И,} = 1, ...,щ - значения исследуемого параметра у для N опытов, каждый из которых повторяется щ раз, тогда оценку дисперсии для каждой точки факторного пространства (для каждого из N опытов) можно вычислить по формуле (1):
$2 = ^-ХиУч-Уд2, 0)
где Б2 - дисперсия /-го опыта, у( = ^Х^Уц — среднее значение параметра ьго опыта,^ - число
степеней свободы в /-м опыте, ^ = (щ — 1),1 = 1, ...,Ы [8].
Для определения ошибки параллельных опытов использовался критерий Стьюдента:
у. _ 1 У1,тах ~УЬ \ у. _ у.
'-выб = ^ , '-крит = 1/0,95;щ-1,
где ^0,95-щ-1 - двухсторонний квантиль распределения Стьюдента, отвечающий вероятности p=0,95 [2]. Для У[1т[п формулы аналогичны. Если ^ыб < ^рит, то проверяемое значение не является грубой ошибкой измерения. В противном случае значение исключается и расчеты проводятся снова. При проверке для всех вариантов при 1=1,..., 8 выполнены условия: ^^ах < ^рит и ^ч^т < < крит, следовательно, резко выделяющихся наблюдений во всех наборах нет, поэтому все значения можно оставить.
2. По терминологии теории планирования эксперимента дисперсия параметра оптимизации — это также дисперсия воспроизводимости опытов. Если число повторных наблюдений щ для разных опытов различно, то для вычисления Б^ используется формула
с2 _
= Х^П ,
где здесь Б2 вычисляется по формуле (1). Дисперсия параметра оптимизации (дисперсия воспроизводимости опытов) равна, соответственно: для варианта I Бу = 233,0042; для варианта II = 30,1268; для варианта III = 45,1014; для варианта IV = 1225,1759.
3. Количество измерений для разных точек факторного пространства (наборов значений факторов) различно, поэтому гипотеза однородности (равенства) дисперсий Н0: аЦ = = ■■■ = проверялась по M-критерию Бартлетта. Статистика М-критерия Бартлетта имеет вид:
м = 1п(\хип • б?) — х^п • ЩБ?), Ъ = .
Если при заданном K для всех С1 выполняется неравенство М < ть, то гипотеза Н0 об однородности дисперсий принимается; если при заданном K для всех С1 выполняется неравенство ша < М, гипотеза Н0 отвергается [2].
Вариант I: L=22, M=11,712. Так как для данного K=8 при всех выполняется неравенство М < ть, дисперсии можно считать однородными.
Вариант II: L=П, M=8,370. Так как для данного K=8 при всех выполняется неравенство М < ть, дисперсии можно считать однородными.
Вариант III: L=14, M=4,010. Так как для данного K=8 при всех выполняется неравенство М < ть, дисперсии можно считать однородными.
Вариант IV: L=22, M=19,628. Так как для данного K=8 при всех выполняется неравенство та < М , гипотеза Н0 об однородности дисперсий отвергается.
4. Для первых трех вариантов строились регрессионные модели вида
У = Ъо + + Ъ2Х2 + Ь3х3 + Ь^Х^ + Ь13Х1Х3 + Ъ23Х2Х3 + ^23X^X3 ,
где Ь0, Ьг, ¿¿у, Ъцт - статистические оценки соответствующих коэффициентов математической модели, которые вычислялись по формулам:
bo=Zl=1x0rn b Z=*imii = 1.....з,
0 N ' i N '
vW
, Li=ixaxiiyi ■ 0 • ■ , n
Ьц --■—, i = 1, ...,3,1 = 1 + 1,...,3,
l] N J '
v^W —
k _ L l=lxllx2lx3iyi b123 ^ ,
здесь Xiy - элементы матрицы планирования.
5. Гипотеза о статистической значимости (отличие от нуля) коэффициентов регрессии проверялась по критерию Стьюдента. Статистика критерия имеет вид:
t - lbil t т где N1=LN=i(ni-1).
Благодаря одинаковой удаленности всех экспериментальных точек факторного пространства от центра эксперимента, оценки всех коэффициентов уравнения регрессии независимо от их величины имеют одинаковую погрешность (при выполнении условия воспроизводимости опытов):
с2 _ ЬУ
Ьbi=Щ,
где Sy - оценка дисперсии выходного параметра у, а N2 = LN=ini •
Критическое значение tKp = t1-a.Ni — двухсторонний квантиль распределения Стьюдента TNi. Если tpac4 > tKp, гипотеза о значимости коэффициента bj на уровне значимости а принимается, в противном случае коэффициент считается незначимым (равным 0) [1].
Приведем результаты построения регрессионных моделей для вариантов I—III, в уравнениях оставлены коэффициенты, значимые на уровне значимости а=0,05.
Вариант I: t^ = t о,95;22 = 2,074. Значимые коэффициенты: bo=98,128, bi=—11,541, Ь2=5,903, Ьз=33,603, b13=25,234. Модель имеет вид:
у = 98,128 - 11,541T + 5,903t + 33,603В + 25,234TB . (2)
Вариант II: t^ = t 0,95;11 = 2,201. Значимые коэффициенты: b0=89,444, Ь1=-2,856, Ь2=6,806, Ь3=33,931, Ь12=2,781, Ь13=24,906. Модель имеет вид:
у = 89,444 - 2,856T + 6,806t + 33,931В + 2,781Tt + 24,906TB. (3)
Вариант III. t^ = t 0,95;14 = 2,145. Значимые коэффициенты: Ь0=104,855, Ь1=-18,268, Ь2=5,774, Ь3=35,232, Ь12=3,814, Ь13=23,605. Модель имеет вид:
у = 104,855 - 18,268T + 5,774t + 35,232В + 3,814Tt + 23,605TB. (4)
Так как дисперсии для варианта IV неоднородны, регрессионная модель для варианта IV не строилась.
6. Для проверки адекватности математических моделей (2)—(4) использовался дисперсионный анализ [1]. Пусть yi = у(х(1)) — значение регрессионной модели в точке x(i) плана. Рассмотрим остаточную вариацию SS0CT параметра у, т.е. вариацию, обусловленную разностью исходных значений у и значений регрессии у. Сумму квадратов SS0CT можно представить в виде следующей суммы:
LN^Uyij - yi)2 = lN=il%i(yij-yd2 + lN=il%i(yi-9i)2
или
SS = SS + SS
-'-'ост •-''-'ош 1 ^^неад ■>
где SS0ia — сумма квадратов, обусловленная ошибкой (погрешностью) значений параметра у, SSHeafl^ — сумма квадратов, обусловленная неадекватностью модели.
Проверка адекватности модели выполнялась с помощью критерия Фишера. Для этого было необходимо вычислить оценку дисперсии неадекватности модели -
2 _ х^и^-уд2
Б' =
неад '
где К - число значимых коэффициентов модели, и оценку дисперсии ошибки (т.е. погрешности одного наблюдения):
с2 _х11х%(У1Гуд2
_ V«
где = Х1=1(.Щ — 1). Статистика критерия
52
Г. _ ¿неад п П
Г = Г ~ГЫ-К-1,Ы1.
Критическое значение Ркр = Ра-,и-к-1,и1 - это верхний квантиль распределения Фишера. Если Ррасч < Ркр, то модель адекватна, при Ррасч > гипотеза об адекватности модели отклоняется [1]. В табл. 4 приведены результаты проверки адекватности моделей.
Таблица 4
Проверка адекватности регрессионных моделей
Номер Неадекватность SS MS=SS/df F = А расч F А крит Вывод
варианта Ошибка MS/MSош
I Неадекватность 3 683,6637 227,8879 0,978 3,049 Адекватна
Ошибка 22 5126,0925 233,0042 - - -
II Неадекватность 1 14,7730 14,7730 0,490 4,747 Адекватна
Ошибка 11 331,3950 30,1268 - - -
III Неадекватность 1 159,2233 159,2233 3,530 4,600 Адекватна
Ошибка 14 631,4192 45,1014 - - -
Анализ полученных результатов
Полученные модели (2)-(4) адекватны, и теоретически любая из трех описывает зависимость ширины диффузионной зоны от изменений параметров режима. Основной вывод, который следует из аналитических зависимостей (2)-(4), графически представленных на рис. 3, заключается в том, что ширина зоны может быть сделана сколь угодно большой при увеличении температуры, времени выдержки и наличии буры. С одной стороны, это не противоречит экспериментально наблюдаемым диффузионным процессам при похожей технологии создания р-п переходов в полупроводниках: загонки примеси в поверхностный слой полупроводника и разгонки - распределении примеси по толщине полупроводника [8]. Экспериментально наблюдаемая в этой технологии зона, содержащая железо в полупроводнике, увеличивается с увеличением температуры и времени выдержки. С другой стороны - технология изготовления стеклометаллокомпозита имеет особенности, так как соединение стекла и стали происходит в окислительной атмосфере: при повышении температуры без обработки тетраборатом натрия (В = -1) наблюдается рост и структурное изменение состава оксидного слоя на стали, что приводит к уменьшению ширины зоны, с этим и связаны разные углы наклона на поверхностях (рис. 3, а, б). Поэтому верхняя температура ограничена значением 850 °С (Т=1 для всех моделей (2)-(4)).
Анализируя поверхности на рис. 3, можно также отметить, что значения ширины диффузионной зоны при Т=1 для (2)-(4) отличаются не более чем на 10%, при Т = -1 имеет смысл сравнивать поверхности по моделям (2) и (3) и (2) и (4), разница составляет не более 15% (рис. 3, б).
а) б)
Рис. 3. Графическое представление регрессионных моделей (2)-(4): а - без буры (В = -1); б - с бурой (В=1).
Заключение
На основе экспериментальных измерений ширины диффузионной зоны и их статистической обработки получены аналитические зависимости размера диффузионной зоны от трех параметров технологического режима, которые могут быть использованы при планировании дальнейших экспериментов по созданию стеклометаллокомпозита и получению соединений стекол и сталей. Построенные модели позволяют заключить, что при минимальных значениях таких факторов, как температура и время выдержки влияние обработки поверхности стали бурой на ширину диффузионной зоны не имеет существенного значения, поэтому при температурах 750 °С и времени выдержки < 60 мин обработка бурой не является обязательной. Но при более высоких температурах и длительных выдержках разница в ширине диффузионной зоны в обработанных бурой образцах составляет более 100%, поэтому при температурах 800 и 850 °С и времени > 60 мин поверхность стали должна быть обработана бурой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 280 с.
2. Большев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука, 1983. 416 с.
3. Любимов М.Л. Спаи стекла с металлом. М.: Энергия, 1968. 280 с.
4. Любимова О.Н., Морковин А.В., Дрюк С.А. Особенности структуры зоны соединения стекла и стали в технологии получения стеклометаллокомпозита // Материаловедение. 2017. № 4. С. 3-7.
5. Макарова Н.О. Коэффициенты диффузии ионов никеля, кобальта и железа в боросиликатных расплавах: дис. ... канд. хим. наук. Свердловск, 1991. 143 с.
6. Пикуль В.В. К созданию композиционного наноматериала на базе стекла // Перспективные материалы. 2008. № 3. С. 78-84.
7. Преснов В.А., Новодворский Ю.Б., Якубеня М.П. Основы техники и физики спая. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1961. 232 с.
8. Татаринцева О.С., Ходакова Н.Н., Зимин Д.Е. и др. Влияние оксидов железа на вязкость и смачивающую способность силикатных расплавов // Ползуновский вестник. 2007. № 3. С. 144-149.
9. Фролова Е.Г. Стеклянные покрытия на стальных трубах // Стекло: бюллетень НИИ стекла. 1961. № 3. С. 36.
10. Davies P., Choqueuse D., Bigourdan B., Chauchot P. Composite Cylinders for Deep Sea Applications: Overview. J. Pressure Vessel Technol . 2016(138):904-912.
11. Hand R.J., Ellis B., Whittle B.R., Wang F.H. Epoxy based coatings on glass: strengthening mechanisms. J. of Non-Crystalline Solids. 2003(315);3:276-287.
12. Lyubimova O.N., Dijuk S.A. Simulation parameters of temperature in the process of manufacturing a glass-metal composite. Thermophysics and Aeromechanics. 2017. № 1. C. 125-133.
13. Papanu V.D., Carson S.W., Schwartz S.J. Strengthening flat glass by edge coating. US Patent 6120908 (2000.09.19); B32B-017/06; C03C-017/00; C03C-017/28; C03C-017/30; Elf Atochem. North America, Inc. (Philadelphia, PA, USA).
14. Pikul V.V., Goncharuk V.K., Maslennikova I.G. A Cylindrical Shell Made of Glass-Metal Composite. Applied Mechanics and Materials. 2015(756):230-235.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Mechanics of Deformable Solids
D0l.org/10.5281/zenodo.1196685
Lyubimova O., Morkovin A., Sis'kov V.
OLGA LYUBIMOVA, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Professor, e-mail: berms@mail.ru
ANDREY MORKOVIN, Postgraduate, e-mail: fly.88@mail.ru
VIKTOR SIS'KOV, Senior Lecturer, e-mail: vvsis@mail.ru
Department of Mechanics and Mathematical Modeling, School of Engineering
Far Eastern Federal University
8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091
Modelling the size of the diffusion zone when changing the conditions of manufacturing glass-metal composite made of borosilicate glass and steel
Abstract: The aim of the work is to solve the fundamental and practical problems of increasing the strength of glass and obtaining compound of dissimilar materials. Theoretically and experimentally, the effect of manufacturing technology on the properties of the joint zone of glass and steel is studied in the manufacture of the perspective composite material, which is glass and metal composite. The preliminary experimental studies of the specificity of the formation of the steel and glass compound with changing parameter values in the technology of obtaining glass and metal composite demonstrate that it is possible to form a zone lying entirely in the glass saturated with iron oxides. Different types of structures in the joint zone and its dimensions affect the strength characteristics of the composite. Knowledge of the nature of changes in the width of the joint between steel and glass when varying such parameters of the technological regime as temperature, maturity time and the use of solders will make it possible to regulate the structure and properties of the glass and metal composite. The article contains the experimental measurements of the width of the diffusion zone for various regimes and their statistical processing according to the scheme of the complete factor experiment. Basing on the complete factor analysis there has been modelled the size of the zone in the junction of CH-1 glass with steel 20 when varying different technological parameters including the method of pretreatment of the welded surfaces of steel and glass. Key words: glass and metal composite, technology for obtaining a compound, experimental data processing.
REFERENCES
1. Adler Ju.P., Markova E.V., Granovskij Ju.V. The design of the experiment when searching for optimal conditions. M., Nauka, 1976. 280 p.
2. Bol'shev L.N., Smirnov N.V. Tables of mathematical statistics. M., Nauka, Glavnaja redakcija fiziko-matematicheskoj literatury,1983. 416 p.
3. Lyubimov M.L. Junctions of glass with metal. M., Jenergija, 1968. 280 p.
4. Lyubimova O.N., Morkovin A.V., Dijuk S.A. Features of the structure of welding zone between glass and steel during the technology of producing glass-and-metal composite. Materialovedenie. 2017;4:3-7.
5. Makarova N.O. Coefficients diffusion of ions nickel, cobalt and iron in borosilikate melts, Diss... kand. chem. scien. Sverdlovsk, 1991, 143 p.
6. Pikul' V.V. The creation of a composite nanomaterial based on the glass. Perspektivnye materialy. 2008;3:78-84.
7. Presnov V.A., Novodvorskij Ju.B., Jakubenja M.P. Basics technical and physical processes in junction. Tomsk, Tomsk university. 1961, 232 p.
8. Tatarintseva O.S., Hodakova N.N., Zimin D.E. Effect of iron oxides on the viscosity and wetting capacity of silicate melts. Polsunovskiy Vestnik. 2007;3:144-149.
9. Frolova E.G. Glass coatings on steel pipes. Steklo: Bjulleten' NII stekla.1961;3:36.
10. Davies P., Choqueuse D., Bigourdan B., Chauchot P. Composite Cylinders for Deep Sea Applications, overview. J. Pressure Vessel Technol. 2016(138):904-912.
11. Hand R.J., Ellis B., Whittle B.R., Wang F.H. Epoxy based coatings on glass: strengthening mechanisms. J. of Non-Crystalline Solids. 2003(315);3:276-287.
12. Lyubimova O.N., Drjuk S.A. Simulation parameters of temperature in the process of manufacturing a glass-metal composite. Thermophysics and Aeromechanics. 2017;1:125-133.
13. Papanu V.D., Carson S.W., Schwartz S.J. Strengthening flat glass by edge coating. US Patent 6120908 (2000.09.19); B32B-017/06; C03C-017/00; C03C-017/28; C03C-017/30; Elf Atochem. North America, Inc. (Philadelphia, PA, USA).
14. Pikul V.V., Goncharuk V.K., Maslennikova I.G. A Cylindrical Shell Made of Glass-Metal Composite. Applied Mechanics and Materials. 2015(756):230-235.
