ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСЛОКАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ а-ФАЗЫ ПЕРЛИТА ЭВТЕКТОИДНОЙ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ВНУТРЕННИМ ТРЕНИЕМ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

И. Л. КУЛИКОВ Д. С. ЗВЕЗДИН И. А. ЗЕМЛЯКОВ

Омский танковый инженерный институт

УДК 669.14.018.252:539.6

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСЛОКАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ а-фАЗЫ ПЕРЛИТА ЭВТЕКТОИДНОЙ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ВНУТРЕННИМ ТРЕНИЕМ

Внутренне трение измерялось методом двойного составного вибратора, состоящего из пьезоэлектрика - кварца и исследуемого образца [1,2].

Идея метода основана на способности кварцевого резонатора изменять свой импеданс в зависимости от частоты возбуждения. Поведение кварцевого резонатора при непрерывном возбуждении описывается его эквивалентной электрической схемой, приведенной на рис. 1, где С0 - емкость создаваемая пластинками металлизации кварца; Ск, Ик - собственные параметры кварцевого резонатора (соответственно емкость, индуктивность и активное сопротивление).

с>

:нШН Н

Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора.

Эта схема обладает двумя резонансными частотами [3]: - последовательного резонанса

1 I Г

2/7 ^ Ц С\ ■ ■ параллельного резонанса (антирезонанса);

(1)

/„ =

1

1

Рис.

2. Общая схема для установки для измерения внутреннего трения методом двойного составного вибратора: - генератор переменного напряжения ГЗ-ЗЗ; ГЦ • частотомер Ч3:28; V, - вольтметр ВЗ-2А; 1 - кварцевый резонатор; 2 - исследуемый образец; И - активное сопротивление; У2- вольтметр ВЗ-6.

Я„ =

/, 1

(3)

где V - напряжение, соответствующее антирезонансу; - напряжение, соответствующее резонансу. Аналогичным образом определялся декремент затухания кварцевого резонатора и после этого рассчитывалось затухание непосредственно в образце [5]:

М

М

■ (Х„ - и + Л,

(4)

2П\Ц.-С„ Со'. (2)

При частотах, равных/ и/о, реактивные сопротивления имеют минимальное и максимальное значения. Это означает, что кварцевый резонатор в эти моменты обладает максимальной и минимальной полной проводимостью. Схема установки для измерения внутреннего трения приведена на рис. 2.

Вибратор возбуждается генератором переменного напряжения ГЗ-ЗЗ. Частота выходного сигнала контролировалась электронно-счетным частометром 43-33, а напряжение - ламповым вольтметром ВЗ-2А. Сигнал подавался на делитель, составленный из вибратора и активного сопротивления И = 10 кОм. Регистрирующий прибор, в качестве которого использовался ламповый вольтметр ВЗ-6, измерял падение напряжения на активном сопротивлении. Для вычисления логарифмического декремента затухания вибратора (мера внутреннего трения) замерялись частоты резонанса и антирезонанса с точностью г 1 Гц, и соответствующие им минимальное и максимальное показания вольтметра ВЗ-6 с погрешностью, не превышающей 6%.

Расчетная формула логарифмического декремента потухания вибратора [4]:

где М - масса кварца, М - масса исследуемого образца.

Массы образца и кварца определялись взвешиванием на аналитических весах с точностью ± 0,01 мг.

Расчет амплитуды относительной деформации при каждом напряжении выходного сигнала генератора выполнялся по уравнению [5]

ео

А

.-К.

(5)

где рг и - константы кварца данного среза, 5- площадь металлизированных плоскостей кварца.

Максимальная поверхность определения декремента затухания составляла 6, а относительной деформации -

10%.

Для вибратора использовались кварцы Х-среза с резонансной частотой 128 кГц. Для этой частоты использовалась длина образца по формуле [3]

2/

(6)

где V - скорость распространения звука в стали (справочная);

/- частота колебаний.

Материалом исследования служили образцы стали У8А, подвергнутые ДО и ВТМДО от 860 и 950 °С с обжатиями 15 и 8% соответственно, и скоростью охлаждения 85 град/сек.

Примечание: ДО (диффузионная обработка) - охлаждение стали от аустенитного состояния (860 °С) в расплаве селитры со скоростью охлаждения 85 град/сек.

ВТМДО (высокотемпературная термомеханическая обработка с диффузионным превращением аустенита) -перед началом охлаждения при температуре 950 "С выполнялась деформация прокаткой со степенью обжатия 8 и 15%.

Образцы изготавливались механическим путем с учетом получения минимальной глубины наклепа. Точность изготовления образцов составляла ±0,01 мм. Удаление наклепного слоя производилось стравливанием концентрированной азотной кислотой. Образец приклеивался к кварцу клеем БФ-2 и выполнялась подгонка образца подлине для достижения им частоты колебания 128 кГц. Расхождение резонансных частот кварцевого резонатора и образца не превышала 600 - 900 Гц.

Измерение внутреннего трения проводилось при О °С (в термостате) на 3 образцах для каждого режима обработки. Совпадение замеров было удовлетворительное.

Результаты приведенного эксперимента приведены на рис. 3 в координатах: логарифмический декремент затухания - относительная деформация. Из сравнения кривых затухания следует:

1. Наличие большой площадки амплитуднонезависи-мого трения у образцов, подвергнутых ВТМДО, указывает на то, что деформация аустенита способствует развитию процессов сегрегирования примесных атомов в феррите.

2. Величина тангенса угла наклона кривой в ампли-туднозависимой области (непосредственно за площадкой амплитуднонезависимого трения) пропорциональна энергии, рассеиваемой при движении дислокаций, и качественно характеризует плотность точек закрепления дислокационных линий. Наблюдаемое уменьшение наклона этой кривой у термомеханически упрочненных образцов свидетельствует о более сильном закреплении дислокационных линий лриместными атомами и, следовательно, уменьшении подвижности дислокаций по сравнению, с контрольными образцами.

Из рассмотрения общего вида кривых затухания колебаний рис. 3 можно заключить, что а-фаза перлита, полученного из деформированного аустенита, отличается более высокой стабильностью, чем после ДО.

Согласно теории Гранато и Люкке [6] декремент затухания состоит из двух составляющих (в оригинале обозначается Д).

Х = + (7)

где декремент, наблюдаемый при малых амплитудах и независящих от нее;

Хи - декремент, зависящий от амплитуды деформации.

Амплитуднозависимое внутреннее трение, вычисленное авторами [6], равно

Я2 £, £( £0 1. е0

где П - ориентационный фактор, учитывающий, что напряжение в плоскости скольжения меньше приложенного напряжения;

А" - коэффициент, связанный с напряжением, необходимый для отрыва;

7 - параметр Коттрелла, характеризующий несоответствие атомных радиусов растворителя и примесей; а - межатомное расстояние;

£. - расстояние между атомами примесей на дислокации; Ьы- расстояние между узлами сетки дислокаций; Л - плотность дислокаций; е0-относительная деформация.

Исходя из этого уравнения, зависимость !п ц„ е0 от

— должна быть прямолинейна (в ограниченной области ¿о

амплитуд), что удобно для сопоставления экспериментальных данных. Однако имеется мнение [6], что для деформаций, создаваемых стоячей волной вдоль длины образца,

1

необходимо строить зависимость /л /7„-£»1/г от —. Во

¿0

избежании неправильной интерпретации полученных результатов, на рис. 4 приведены обе зависимости. Результаты анализа сводятся к следующему:

1. Линейный характер указанных зависимостей свидетельствует о применимости теории Гранто и Люкке к полученным результатам и подтверждают дислокационный характер затухания.

2. Из уравнения (8) следует, что пересечение с осью,

для которой — = 0, пропорционально (А-Ь 3/ £ -).

£о

Следовательно, величина отсекаемых отрезков должна увеличиваться с ростом плотности дислокаций, что подтверждалось экспериментально на других материалах [6]. Как видно из рис 4, деформация аустенита с последующим

IV

г-И -t

rj 0 (г"

.й-* г 1

hH-И

О Ю Я Ы * ", i Я

6»-/о

Рис. 3. Внутреннее трение стали У8А, подвергнутой ВТМДО (1) и ДО (2) от 950°С: Интервалы уточек - погрешности измерения.

1п6>* -17

-11

^Ч Vv ч

Ч ^v 4 V О Sj ЧЧГ

1 •ч i г

(п ¿0

-13

-16

■17

£t~'-iS*

а и

Рис. 4. Зависимость Гранто и Люкке [6] для стали У8А, подвергнутой ВТМДО (1) и ДО (2) от 950° , в координатах:

1 1 1 - Ы( e„,aXj от -; 2 - Ы( ее KJ от -;.

£ о е о

диффузионным распадом приводит к некоторому снижению плотности дислокаций в а- фазе относительно контрольной обработки.

3. Из уравнения (8) также следует, что наклон прямых равен К-т[-а/1~с и пропорционален концентрации атомов примесей на дислокациях. Применительно к нашим результатам это означает увеличение числа примесных атомов на дислокациях в а- фазе после ВТМДО. Изменение концентрации примесных атомов на дислокационных линиях -фазы в результате деформации аустенита можно оценить из отношения тангенсов наклона прямых, представленных на рис. 4.

^ = (7)

'.?<*„ и„

где индексы к а и д - аустенит деформирован (ВТМДО), и - аустенит недеформирован.

Следовательно, концентрация атомов на дислокациях в сг-фазе после ВТМДО возрастает примерно на 70%, что приводит к закреплению дислокационной структуры. Этим объясняется изменение свойств эвтектоидной стали, подвергнутой высокотемпературной термомеханической обработке с диффузионным превращением аустенита [7].

Полученные результаты подтверждают электронномик-роскопйческие исследования и рентгеноструктурный анализ а-фазы перлита.

Работа выполнена в институте физики полупроводников Сибирского отделения Академии наук.

Литература

1. QuimbyS.L. PhysRev., 1925,25,р.558.

2. Balemuth L. Phys Rev., 1934,45.p.715.

3. Бергман Л. Ультрозвук и его применение в науке и техниге. -М.: И.Л., 1957.

4. Кеди У. Пьезоэлектричество и его практическое применение.-М.: И.Л., 1949.

5. Мезон У. Методы и приборы ультрозвуковых исследований. Т.1,ч. А. -М.: Мир, 1966.

6. Granato А., Lücke К. J. Appl. Phus. 1956. 27, p. 583; 1956,27, p. 789.

7. Тушинская К.И., Тушинский Л.И., Куликов И.Л., Ста-феева А.Д., Тихомирова Л.Б. Упрочнение углеродистой стали микролегированием и термомеханической обработкой II Тр. Новосибирского инст. инж. жел.-дор. транспорта. -Выпуск 71. - Новосибирск, 1968. -113 с.

ю к. МАШКОВ ТЕПЛОфИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

С.В.ДАНИЛОВ В.А.ЕГОРОВА

ПКМ НА ОСНОВЕ птфэ

Омский государственный технический университет

УДК 678.073(004.12)

РАССМАТРИВАЮТСЯ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПТФЭ ПРИ СТРУКТУРНОЙ МОДИФИКАЦИИ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМ СКРЫТОК-РИСТАЛЛИЧЕСКИМ ГРАФИТОМ (УГС), УГЛЕРОДНЫМ ВОЛОКНОМ (УВ) И КОМПЛЕКСНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ (УГС +УВ).

Теплофизические свойства полимерных композиционных материалов (ПКМ), наряду с механическими свойствами определяют работоспособность изделий из полимерных материалов (ПМ) в реальных условиях эксплуатации Для антифрикционных ПКМ теплофизические свойства очень важны, так как во многом определяют термодинамическое и энергетическое состояние материалов деталей узлов трения машин - трибосистем.

Среди синтезированных полимеров уникальным сочетанием физико-механических и антифрикционных свойств обладает политетрафторэтилен (ПТФЭ). В то же время его низкие механические свойства, хладотекучесть, низкий коэффициент теплопроводности и невысокая износостойкость не позволяют применять его в чистом виде для деталей узлов трения и вызывают необходимость модифицирования его структуры и свойств путем разработки композиционных материалов внедрением различных наполнителей-модификаторов. Введение наполнителей приводит к изменению надмолекулярной структуры полимера и формированию межфазного слоя с модифицированной структурой и, соответственно, к отличиям в молекулярной подвижности макромолекул. Теплофизические свойства ПКМ в значительной мере обусловлены химическим строением

и физической структурой, зависят от физического состояния ПМ и связаны с молекулярной подвижностью цепей полимера.

В качестве объектов исследования были выбраны ПТФЭ (фторопласт-4 ГОСТ 10007-80), углеродное волокно (УВ) марки "Урал Т-10" с длиной волокон от 50 до 500 мкм и ультрадисперсный скрытокристаллический графит (УГС) с удельной поверхностью 55-70 м2/г, полученный из природной графитовой руды. Два последних использовались как наполнители-модификаторы при создании ПКМ на основе ПТФЭ. Образцы для теплофизических исследований изготавливали по технологии сухого смешивания в мельнице МРП-1 при частоте вращения ножей 7800 мин-' с последующей термообработкой при температуре 365 ±3°С и измельчением.

По указанной технологии были синтезированы двухком-понентные и трехкомпонентные системы;

• материал 1: УГС10(10 масс.% УГС + 90 масс.% ПТФЭ)

• материал 2: УВ10 (10 масс. %УВ + 90 масс.% ПТФЭ)

• материал 3: УГС 10УВ5 (10 масс.% УГС + 5 масс.%УВ + 85 масс.% ПТФЭ)

. материал 4: УГС20УВ10 (20 масс.% УГС+ 10 масс.% УВ +70 масс.% ПТФЭ).