CC BY
66
____________НАУЧНОЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ «IN SITU» №1/2015 ISSN 2411-7161________________
УДК 669.018.58:620.186.12.
Данющенков И.А.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА РАЗРУШЕНИЯ ОЦК-МЕТАЛЛОВ
Аннотация
ОЦК-металлы могут разрушаться как при упругих напряжениях по величине близких к нулю, так и при напряжениях выше предела текучести. В настоящее время объяснения такого явления нет. В данной работе изучалось поведение углерода и кислорода в упругих полях напряжения. Благодаря движущимся дислокациям в металле создаются области с повышенным содержанием углерода и кислорода. При накоплении необходимого количества эти компонентов начинается их химическое взаимодействие, в результате чего образуются поры с газообразными продуктами взаимодействия. Газ внутри поры находится при очень высоком давлении, которое и вызывает разрушение металла.
Ключевые слова
напряжения, углерод, кислород, химическое взаимодействие, трещины.
Разрушению ОЦК-металлов посвящено большое количество работ. Однако, разрушение при действии упругих напряжений ниже предела усталости не может быть объяснено ни одной ныне существующей теорией. Происходит это потому, что роль примесей внедрения в процессе хрупкого разрушения недостаточно изучена.
Известно, что «спокойная» (хорошо раскисленная) сталь менее хрупка чем «полуспокойная», а «полуспокойная» менее хрупка чем кипящая (плохо раскисленная) сталь [1]. Очень сильно влияние кислорода проявляется на молибдене и его низколегированных сплавах типа TZM и TZC: при содержании кислорода 10-3% масс порог охрупчивания равен 200°C, а при 10-4% масс он снижается до -100°C [2]. Еще более чистый молибден не имеет порога охрупчивания вплоть до температуры жидкого гелия (4,2°K) [3]. Эта сильно выраженная зависимость хрупкого разрушения молибдена от содержания кислорода обусловлена двумя факторами:
1. У молибдена очень высокий модуль сдвига — 12000 кг/мм2 (у железа он равен 7800 кг/мм2), что вызывает более высокое взаиодействие примесей внедрения с линейными дефектами кристаллической структуры (дислокациями) [4].
2. Низкой растворимостью примесей внедрения в молибдене при комнатной температуре [C] = 10-32 ат. доли, [O] = 10-39 ат. доли [5]. Высокая степень пересыщения твердого раствора способна вызывать как физические (старение), так и химические (взаимодействие C и O) процессы.
Поэтому молибден может рассматриваться как модельный металл для выяснения механизма влияния примесей внедрения на хрупкость. Достаточно ограничиться двумя примесями: углеродом и кислородом, так как сера и фосфор при современных способах изготовления литого молибдена обеспечивает высокую чистоту по этим компонентам и их влиянием можно пренебречь.
Чтобы ответить на вопрос: каким образом углерод и кислород охрупчивают молибден, необходимо проследить за их поведением в упругих полях напряжения. Изучение поведения углерода было проведено Земским С.В. и Фокиным А.П. [6]. На лист молибдена толщиной 3 мм наносился радиоактивный углерод с жестким у-излучением. Лист подвергался гомогенезирующему отжигу, что привело к равномерному у-излучению по всей толщине заготовки. Затем она прокатывалась в вакуумном стане при 800°C до толщины 1 мм за один проход. Полученный радиографический снимок показал, что практически весь углерод переместился к поверхности листа в объем металла толщиной 0,05-0,07 мм. Такое поведение углерода можно объяснить с помощью работ Воронцова В.К. [7]. Металл при выходе из валков движется быстрее, чем валки (образуется так называемая зона опережения), возникает трение металла о поверхность валков. При этом может образоваться два вида напряженного состояния металла по толщине листа в зависимость от параметров очага деформации (рис. 1):
13
НАУЧНОЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ «IN SITU» №1/2015 ISSN 2411-7161
а) Схема прокатки
б) Эпюры напряжений
Рисунок 1.
I — длина очага деформации, h —толщина листа.
При соотношении l/h > 0,62 реализуется эпюра №1 — растягивающее напряжение только на поверхности листа и сжимающие в середине.Именно такое напряженное состояние имело место при прокатке в вакуумном прокатном стане. Однако, углерод разместился не по всей растягивающей области, которая занимает 50% от толщины листа (по 25% с каждой стороны), а лишь в местах, где было достигнуто необходимое растягивающее напряжение.
Эпюра №2 реализуется l/h < 0,62. В этом случае растягивающее напряжение возникает как на поверхности листа, так и в его середине. Такое напряженное состояние возникает при малых обжатиях (малых степенях деформации) за один проход. Величина растягивающих и сжимающих напряжений равна 0,4от, однако, и такой величины достаточно, чтобы произошло перераспределение углерода по толщине листа. Следует отметить, что перераспределение происходит с очень большой скоростью (за 0,01-0,005 сек). По-видимому, это позволяет сделать вывод, что перераспределение примесей внедрения происходит с той скоростью, с какой создается тот или иной вид упругих растягивающих напряжений.
Изучение совместного поведения углерода и кислорода проводилось при прокатке листов низколегированных молибденовых сплавов типа TZM и TZC. Прокатка осуществлялась на воздухе по заводской технологии до толщины 5 мм. Далее, лист травился с целью удаления поверхностно насыщенного углеродом и кислородом слоя и разрезался на несколько частей, которые прокатывались по разным технологиям до толщины 1,2 мм. После стравливания 0,1 мм с каждой стороны определялось содержание углерода, кислорода, проводилось испытание на кратковременную механическую прочность и свариваемость (определялся угол загиба сварного соединения). Прокатка с высокими степенями деформации за одни проход обеспечивала получение металла с содержанием кислорода 10 -4% масс. Этот металл имел максимальную пластичность в исходном состоянии (5 = 60%), угол загиба сварного соединения равнялся 180°. Прокатка с малыми степенями деформации (эпюра №2) приводила к полному окислению углерода (менее 0,001% масс), высокому содержанию кислорода (до 0,05% масс), т.е. более чем ~ 17 раз выше чем в слитке). Такой металл имел низкие прочностные и пластические характеристики, а пластичность сварного соединения колебалась от 0 до 40°, часто возникали горячие и холодные трещины. Максимальное насыщение металла кислородом происходит во время прокатки при низких температурах, когда величина напряжений растет, увеличивается сопротивление металла деформированию. В этом случае обеспечить высокую деформацию за один проход невозможно, а прокатка по эпюре №2 приводит к высокому насыщению кислородом. Такие условия создаются во время прокатки фольги, в которой содержание кислорода повышается до 0,2% масс.
Таким образом за счет создания различных (сжимающих и растягивающих) упругих напряжений содержание кислорода может колебаться в металле от 0,2 до 0,0001% масс, т.е. на 3 порядка. Этот способ
14
____________НАУЧНОЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ «IN SITU» №1/2015 ISSN 2411-7161__________________
очистки молибдена в сжимающих упругих напряжениях при прокатке можно назвать как метод «физического» раскисления металла, однако, он мало учитывается на практике при производстве листов молибдена в настоящее время. Заслуга работ Воронцова состоит в том, что он показал возникновение противоположных упругих напряжений, а примеси внедрения накапливаются там, где возникают наибольшая упругая энергия, которая снижается за счет растворения примесей внедрения. Таким образом, степень физической неравновесности снижается, но при этом возрастает степень химической неравновесности и это приводит к возникновению химических процессов. Были рассчитаны термодинамические потенциалы химических процессов с участием углерода, карбидных фаз и кислорода. Наибольшей раскисляющей способностью в низколегированных молибденовых сплавов обладают карбиды циркония и титана. Поэтому, если в структуре молибденовых сплавов находятся мелкодисперсные карбиды циркония и титана, то содержание кислорода низкое (0,0001% масс) и такой металл пластичен. Мелкодисперсные карбиды легко образуются во время промежуточных отжигов при прокатке. В процессе действия упругих напряжений (при различных испытаниях или рабочих условиях в конструкции) количество карбидных фаз будет уменьшаться как за счет химического взаимодействия до их полного окисления, так и за счет выноса мелких карбидов высоким давлением газообразной фазы (CO, CO2) [8].
Давление в поре металла можно рассчитать по формуле Р = ^7, где P — давление, о — поверхностное напряжение, г — радиус поры. Для молибдена и железа при г равном параметру решетки это давление равно соответственно 128000 и 100000 атмосфер. Однако, это не значит, что при появлении первых пор наступает разрушение. При образовании поры выделяется большое количество тепла, которое заваривает и пору и трещину. Лишь при очень низких температурах (-150°C) удается наблюдать микротрещины [9], так как за счет большого теплоотвода при -150°C тепла для заварки поры и трещины не хватает. Таким образом, появление пор не означает полного разрушения. Оно наступает лишь при интенсивном окислении углерода, когда пор образуется много, а трещины исходящие от них пересекаются. Избежать выноса карбидных фаз можно только создав хорошо раскисленный металл, когда процесс взаимодействия не носит бурный взрывоопасный характер. Уменьшение содержания карбидов в сплавах типа TZC и TZM уменьшает раскислительную способность, что приводит к повышению содержания кислорода. При накоплении достаточного количества кислорода начинается взаимодействия углерода и кислорода. Именно этот процесс обеспечивает образование большого количества пор, из которых исходят трещины. Трещины между собой пересекаются и внешняя нагрузка и то давление, которое создается порами разрушают металл.
Впервые о возникновении большого гидростатического давления в середине круглого образца (разрушение «чашечкой») при испытании на разрыв низколегированного углеродом железа обнаружил Бриджмен в 1944 году [10]. Тогда отсутствовали многие данные, чтобы объяснить это явление. Бриджмен делает удивительно точный эксперимент, доказывающий механизм разрушения железа. Он помещает образец в пространство с давлением 9800 атмосфер и проводит испытание на разрыв. Образец, который на воздухе разрушался хрупко в атмосфере повышенного давления разрушается при высоком напряжении с деформацией более 500%, т.е. металл разрушался как сверхпластичный. Такое перерождение процесса разрушения вполне закономерно. Образование пор с высоким давлением внутри нее является очень энергозатратным и трудным процессом. Наложение внешнего давления еще более усложнило и сделало невозможным его осуществление при данных конкретных условиях. Требовалось большее содержание кислорода, которое происходило за счет высокой последующей деформации. Именно возникновение пор с большим давлением внутри и является основным фактором, обуславливающим разрушение.
Насыщение металла кислородом, его перераспределение в отдельные зоны (будущие очаги разрушения) под действием высоких напряжений позволяет понять конкретно, что такое повреждаемость металла во время усталостных испытаний, чем обусловлен нижний предел усталости. Разрушение ОЦК-металлов при любом виде испытания носит общие закономерности и содержание кислорода в нем является показателем подготовленности к разрушению.
Таким образом, разрушение ОЦК-металлов представляет сложный многоступенчатый процесс, состоящий из нескольких физических и химических процессов последовательно или одновременно протекающих в металле:
15
_____________НАУЧНОЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ «IN SITU» №1/2015 ISSN 2411-7161_____________________
1. Возникновение упругого напряжения необходимой величины. За счет чего оно возникает не имеет значение. Оно может возникать за счет трения металла о валки во время прокатки, при рабочих нагрузка в изделии, при усталостных испытаниях или во время ползучести металла.
2. Увеличение плотности дислокаций.
3. Скопление дислокаций у барьеров их движения (границы зерен, пересекающиеся дислокации под углом от 0 до 90°, карбидные и другие фазы, субграницы, границы двойников и пр.).
4. Накопление примесей внедрения у дислокационных скоплений.
5. Образование вакансий и выделение тепла при движении дислокаций активизирует процесс взаимодействия углерода и кислорода, в результате чего образуются поры. Возникновение малого количества пор не сразу вызывают разрушение: во-первых, с ростом поры и образованием трещины происходит падение большого давления, во-вторых, пластичная металлическая матрица деформируясь также способствует снижению возникающих напряжений.
6. Увеличение количества пор и пересекающихся трещин приводит к образованию большой (транскристаллитной) трещины, ее рост приводит к разрушению.
Следовательно, разрушение происходит под действием двух сил:
1. Внешняя нагрузка, вызывающая упругие напряжения или напряжения выше от (F-внешняя).
2. Внутренняя нагрузка, возникающая в результате химического взаимодействия углерода с кислородом (F-внутренняя).
Вторая нагрузка появляется в результате действия первой нагрузки, и чем она позднее возникнет, тем пластичней и прочнее металл, тем надежнее, долговечнее и легче изделие, изготовленное из этого металла. Задержать появление второй — разрушающей силы можно только одним способом, проведя глубокое раскисление металла при изготовлении полуфабрикатов:
1. Выбор правильной схемы напряженного состояния, исключив растягивающие напряжения выше предела усталости.
2. Легирование металла углеродом с целью получения мелкодисперсных карбидных частиц.
3. Совместное применение первого и второго методов.
Чем чище металл по кислороду в исходном состоянии, тем медленнее происходит насыщение кислородом и тем позже появляется F-внутренняя, вызывающая разрушение.
Выводы
1. Разрушение ОЦК-металлов является сложным многоступенчатым процессом.
2. Решающую роль в разрушении играет химический процесс взаимодействия углерода с кислородом в кристалиической структуре твердого металла.
3. Высокая чистота металла по кислороду обуславливает высокую прочность и пластичность металла, а, следовательно, высокую надежность (работоспособность) изделия, изготовленного из этого металла.
4. Только с учетом химического взаимодействия между углеродом и кислородом можно на атомном уровне понять все многообразие разрушения ОЦК-металлов: пластичное и хрупкое разрушение, разрушение при усталости и ползучести; найти связь между механическими свойствами металла и физическими и химическими процессами, происходящими в нем.
Список использованной литературы:
1. Physical Metallurgy. Edited by R.W. Cahn. North-Holland Publishing Company, Amsterdam. Vol. 3. 449
2. Olds L.E., Rengstoff G.V.R. Effect of Oxygen, Nitrogen and Carbon the Ductility of Cast Molybdenum J. Metalls. Feb. 1956. v. N 9. P 150
3. Lowley A., Van den Sype J., Maodin R. Tensile properties of zone - refined molybdenum in the temperature range 4,2-373°K J. Inst. Metals 91 N 1 v. 9/ 1962. 241
4. T. Yokobori. An Interdisciplinary Approach to Fracture and Strength of Solids. Wolters-Nordoff Scientific Publications. LTD Gronigin. 1970, 264
5. Srivastava S.C., Seigel L.L. Solubility and Thermodynamic Properties of Oxygen in Solid Molybdenum. Metallurgical Transaction, v. 5, N 1, 1974, 49-52
16
_____________НАУЧНОЕ ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ «IN SITU» №1/2015 ISSN 2411-7161_____________________
6. Земский С.В., Фокин А.П. Поведение углерода в процессе прокатки. Проблемы металловедения и физики металлов. Труды ЦНИИЧМ. Вып. 58. Москва. Металлургия. 1965. С. 9
7. Полухин П.И., Воронцов В.К. Фотопластичность, применение метода к исследованию процессов обработки металлов давлением. Москва. Металлургия. 1965. 398
8. Hahn G.T., Averbach B.L., Oven W.S., Cohen M. Initiation of Cleavage Microcracks in Polycrystalline Iron and Steel, в книге Fracture Averbach et al (eds), MitPress Cambridge, Mass and Wiley, New York, 1959, 91-116
9. Danyushchenkov I.A. Influence of Process of interaction between oxygen and carbon on brittle failure of low alloy molybdenum alloy. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2003. N 5. 45-47
10. Bridgman P.W.Studies in Large Plastic Flow on Fracture. Mc Graw-Hill, New York. 1952
© Данющенков И.А., 2015
Иванов Александр Александрович
аспирант Саратовского государственного технического университета, г. Саратов E-mail: 19alex86@mail.ru
МЕТОДИКА ПОИСКА ОПТИМАЛЬНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МЕХАНООБРАБОТКИ ДЛЯ МЕЛКОСЕРИЙНОГО МНОГОНОМЕНКЛАТУРНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
Аннотация
Представлен новый алгоритм на базе метода поиска с запретом для отыскания оптимального решения задачи реализации технологических процессов механообработки в условиях многономенклатурных мелкосерийных производств с критерием минимизации общего времени обработки всего поступившего заказа. Для задачи представлена математическая модель в виде дизъюнктивного графа. Для применения метода поиска с запретом к сформулированной задаче представлен оригинальный способ получения эффективной допустимой окрестности. Исследование показало, что предложенный метод на базе метаэвристического метода поиска с запретом, позволит существенно сократить время обработки поступившего в производство заказа.
Ключевые слова
Планирование производства, модель мелкосерийного производства механообработки, job-shop, реализация технологических процессов, автоматизированное планирование.
На сегодняшний момент в России преобладает многономенклатурное мелкосерийное производство (ММП) [1, с. 3]. В данной работе мы ограничимся рассмотрением механообрабатывающего ММП, которое является типичным методом изготовления деталей. Эффективность функционирования таких производств не высока, поэтому повышение эффективности ММП является актуальной задачей на сегодня. Решение этой задачи видится многими авторами во внедрении АСУ ТП. Основной задачей любой АСУ ТП является оптимальная реализация технологических процессов механообработки, другими словами построение оптимального расписания работы технологического оборудования (ТО). С этой целью применяются различные подходы. Наибольшей популярностью пользуется математическое моделирование. Как выяснилось в результате анализа научной литературы, на сегодняшний день отсутствуют адекватные модели процесса реализации ТП в ММП механообработки и методы решения оптимизационных задач, полученных путем внесения в эти модели целевого критерия. В связи с вышесказанным в данной статье будут представлены адекватная модель процесса реализации ТП в ММП механообработки и методическое и алгоритмическое обеспечение поиска оптимального решения задачи построения расписания работы ТО на базе представленной модели с целевым критерием минимизации общего времени обработки всего заказа.
17
