CC BY
85
УДК.621.793.6.:536.5
В.И. Бутенко, А. А. Сущенко, А. Д. Захарченко, А.В. Пушкарный
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ В МОДУЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
МАШИНО- И ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
В современном машино- и приборостроении все большее применение находит новый тип технологий - модульная технология, принципы построения которой разработаны в институте машиноведения им. А.А. Благонравова РАН. Сущность модульной технологии заключается в том, что любое изделие, состоящее из сборочных единиц и деталей, может быть представлено структурированным множеством модулей поверхностей и модулей соединений. Это позволило разработать типовые модули процессов изготовления изделий в машино- и приборостроении и модули технологических средств их осуществления, из которых компонуются соответственно модульные технологические процессы и технологические системы. В общем виде модульный технологический процесс аккумулирует в себе преимущества известных технологий: единичных, типовых, групповых. Например, модульный технологический процесс как единичный процесс учитывает специфику конкретного изделия, как типовой процесс использует принципы типизации на уровне блоков технологического процесса и как групповой процесс решает задачу организации партий из разных обрабатываемых деталей, но отличающихся общностью содержащихся в них модулей.
Модульные технологии обладают гибкостью и позволяют осуществлять в условиях современного широкономенклатурного производства быстрый переход на выпуск новых изделий при минимальных издержках. Однако отсутствие в настоящее время реальных путей управления механическими свойствами металлов и сплавов на стадиях изготовления и эксплуатации изделия во многом сдерживает развитие модульной технологии, особенно в направлении решения проблемы повышения прочности, надежности и качества производимой продукции. В связи с этим разработка теоретических основ управления механическими свойствами металлов и сплавов становится актуальной металловедческой и технологической задачей современного машино- и приборостроения.
Исследования последних лет /1-3/ показали, что в основе управления механическими свойствами металлов и сплавов лежит дислокационная структура конструкционных материалов, чутко реагирующая на любые внешние воздействия. Установлено, что эксплуатационные показатели металлов и сплавов (усталостная прочность, износостойкость и др.) определяются скоростью изменения дислокационной структуры, зависящей от первоначального закрепления дислокаций в кристаллах и их подвижности. Вводится понятие релаксационной стойкости дислокационной структуры материалов, представляющее собой разность между плотностью дислокации р, полученной после снятия с детали внешней нагрузки, и начальной плотностью дислокации рнач.
Если в течение некоторого времени т в материале под действием нормируемой величины внешних напряжений сн (или другого деформационного воздействия) плотность дислокации изменяется от рнач до р(сн), то общее число заторможенных дислокаций с вероятностью р(У) определяется по формуле /1/
р(° н )=р
г
нач
Л
1 -V V•'Т,
ехр
\о
(1)
где V - рассматриваемый единичный объем материала;
V - средняя объемная скорость движения дислокации в материале.
Релаксационная стойкость сформировавшейся дислокационной структуры Ар определяется из формулы:
(
(1 - |Д)с
1 -
V
( г
\ехр
ехр
1-
2г
1 эф
уУУ
1 - Ро ехР
и о - и (И л К о •е
Л
С ( С'
Си ехРI -_е1-1
, (2)
где ц - коэффициент Пуассона;
г - радиус кривизны изогнутой вокруг частицы дислокации;
/эф - эффективное расстояние между поверхностями частиц выделений;
р0 - начальная вероятность остановки дислокации, обусловленная наличием примесей в материале;
и0 - величина, принимаемая равной 226 епл при хрупком разрыве материала и 166 епл при пластическом его оттеснении(епл - температура плавления материала);
К0 - постоянная Больцмана;
е - температура, при которой определяется релаксационная стойкость дислокационной структуры материала;
и(Н) - величина и0 , соответствующая положению дислокации на глубине И от поверхности материала.
Известно, что важнейшей характеристикой качества поверхностного слоя обработанных деталей, влияющей на их эксплуатационные свойства является показатель дислокационной насыщенности Кр /2/, представляющий собой отношение текущего значения плотности дислокаций р (сн) к ее исходной величине рисх. Между показателем дислокационной насыщенности К(р) и релаксационной стойкостью дислокационной структуры Ар существует зависимость вида
К =р нач +Ар . (3)
р исх
Исследования показывают, что внутренняя энергия материала Т также находится в функциональной зависимости от показателя релаксационной стойкости дислокационной структуры Ар и выражается формулой
т
( о • ьк 2
4п(1 - ц)
+ ьк -с0 • Ь
г0
(Кр • р исх + Ар ) ,
(4)
где О - модуль сдвига материала;
Я - величина, принимаемая равной половине среднего расстояния между дислокациями; го - радиус ядра дислокации;
Ьк- вектор Бюргерса;
со- напряжение внутри деформированного материала;
Ь - максимально возможное перемещение дислокации в материале.
Если учесть известную зависимость между пределом текучести материала ст и плотностью дислокации р(сн) /4/
ст = с0 + а • ьк ■О(р(сн))1/2, (5)
где а - коэффициент, учитывающий вклад разных механизмов торможения дислокации в материале, то из формулы (4) легко получаются выражения для определения модуля упругости Е и модуля сдвига О:
Е = 2(1 + цХСт с0) . о =______ст с0___________ (6)
а • Ьк • (Кр • р исх + Ар )1 а • Ьк ' (Кр •р исх + Ар) '
Используя формулы (3), (5) и (6) применительно к конкретным
обрабатываемым материалам, можно управлять механическими свойствами металлов и сплавов при разработке модульных технологий в машино- и приборостроении. При этом, особую значимость приобретают металловедческие пути обеспечения заданной дислокационной структуры металлов и сплавов и технологические методы достижения оптимальной величины показателя дислокационной насыщенности Кр, являющегося комплексным показателем механических свойств материала /2/.
Создание теории управления механическими свойствами металлов и сплавов позволит разработать функционально-параметрическую модель
самоорганизующейся дислокационной структуры материала с трибоэнергетической приспосабливаемостью и решить ряд практических задач. Так, например, теория управления механическими свойствами металлов и сплавов может найти применение при исследовании напряженного состояния материала гибких элементов волновых передач, широко используемых в машино- и приборостроении.
Известно, что деформированное напряженное состояние гибкого элемента волновой зубчатой передачи в значительной степени влияет на работоспособность всей передачи. В связи с этим разработана методика теоретического определения напряженного состояния материала гибких элементов с использованием гибких
колес и тонких упругих оболочек. Ее практическое использование позволило получить формулы для вычисления максимальных и минимальных напряжений изгиба, а также выполнять анализ напряженного состояния материала в зависимости от условий разрушения.
Таким образом, впервые в теории и практике машино- и приборостроении решение вопросов повышения эксплуатационных свойств конструкционных материалов увязывается с релаксационной стойкостью их дислокационной структуры. Полученные теоретические зависимости показателей механических свойств металлов и сплавов от релаксационной стойкости дислокационной структуры материалов позволят определить эксплуатационно-технологические пути обеспечения заданной конструкционной прочности, износостойкости и надежности изделий. Выполненные теоретические исследования процессов управления механическими свойствами металлов и сплавов явятся дальнейшим развитием теории дислокаций при создании модульных технологий в машино- и приборостроении, обеспечивающих ускоренное внедрение в производство прогрессивных технологических и эксплуатационных мероприятий по повышению эффективности металлообработки.
1.Бутенко В.И., Чистяков А.В., Сухарников А.В. Теоретические основы
конструкционной упругости материалов /В кн.: Технология и механизация
горнопроходческих работ. - Новочеркасск: НГТУ, 1997.
2.Бутенко В.И., Морозов О.В., Пушкарный А.В. Комплексный показатель для технологического обеспечения и прогнозирования износостойкости деталей // Известия ТРТУ, Таганрог,1997, N1.
3.Бутенко В.И. Металловедческие основы конструкционной упругости стали и сплавов. - Таганрог: РИО ТРТУ, 1995.
4.Металловедение: Учебник для ВТУЗов / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. -М.: Машиностроение, 1986.
