CC BY
22
УДК 532.546
Канд.техн. наук В. В. Косинский Государственная инженерная академия, г. Запорожье
ИЗМЕНЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ПОРИСТЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОСНОВАНИЙ ПРИ ГИДРОСТАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ЖИДКОСТЯМИ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Проведен анализ факторов, влияющих на упрочнение пористых металлических тел при гидростатической обработке (пропитке) их под высоким давлением. Выявлено, что с ростом давления степень упрочнения металла в значительной мере зависит от изменения «приведенного» модуля объемного сжатия (К*). Определили, что упрочнение пористых металлических тел происходит в 2 этапа: 1-й - упрочнение в зоне закрытых пор при Р ; 2-й - объемное упрочнение при Р > (2 - 3)ст £ . На примере пористой латуни получены данные, количественно отображающие степень упрочнения в зависимости от величины гидростатического давления.
Введение
Процессы пропитки различных по физическим свойствам жидкостей в пористые среды изучаются давно [1]. Особое внимание эти вопросы занимают в нефтегазовой динамике [2].
В настоящее время с развитием и появлением новой техники и технологий в различных областях промышленности (авиация, машиностроение, атомная энергетика) возникает все большая потребность в новых видах материалов со специальными свойствами.
В основном это специальные сплавы и композиционные соединения (композиты). Характерная особенность композитов заключается в том, что эти материалы включают в себя совокупность свойств: жесткой матрицы - основы (керамика, металлокерамика, металл, специальные сплавы) и более пластичного наполнителя. Наполнитель используется и как связующее, и как материал, который придает изделию специальные дополнительные свойства: физические, прочностные, химические, которые необходимы для решения поставленной технической задачи.
Для создания таких материалов используются процессы, связанные с применением высоких давлений и температур [3]. Одним из технологических направлений изготовления такого рода материалов и изделий являются процессы изостатики.
В ряде технологий для придания изделиям (заготовкам) особых свойств пористую основу пропитывают полностью (по всей глубине) либо частично (на определенную глубину). Если пропитывающие жидкости (инфильтраты) незначительной вязкости (ц < 1 Па-с), то, как правило, необходимое давление пропитки будет в пределах 1-10 МПа. Если необходимо пропитать пористое тело вязкой (ц > 10 Па-с) средой (этиле-ноксиды, полиформальдегиды, полиамиды, полиуре-
таны различные смолы, мелкодисперсные неорганические соединения и т. д.), то необходимое технологическое давление может выражаться в сотнях МПа. Особенно если учесть, что размер пор оснований может колебаться от десятых долей миллиметра до десятых долей микрометра.
С применением давлений, исчисляющихся в сотнях МПа, происходят процессы не только пропитки, но и изменения самих свойств металлических оснований.
В первую очередь это увеличение прочностных характеристик, частичное «залечивание» микропор и дефектов.
Как правило, пропитка пористых заготовок вязкими средами под давлением осуществляется в гидростатах. Технологическая обработка в них может осуществляться как при обычной (20 °С) температуре, так и с нагревом до 400 °С и выше, в зависимости от физических свойств инфильтратов и конструкционных особенностей камер высокого давления.
Начиная с 70-х годов и по сегодняшний день, проводятся работы по гидростатической обработке изделий из различных металлов и сплавов с целью определения влияния высоких давлений на степень залечивания закрытых микропор, микротрещин, улучшения структурных и прочностных характеристик. Практически многие металлы и ряд сплавов исследовались на изменение их физических характеристик от величины давления. Однако использование высоких (~ 1000 МПа и выше) давлений на промышленном уровне осуществляется в основном в процессах гидроэкструзии различных профилей из различных металлов и сплавов. Основной технический недостаток широкого использования такого оборудования является ограниченность размеров камер высокого давления и отсутствие компрессорного оборудования для создания давлений такой величины.
© В. В. Косинский, 2009 12
Постановка задачи
Первые основополагающие исследования по влиянию высокого гидростатического давления на степень сжимаемости металлов и изменения их прочностных характеристик были проведены Бриджменом. В дальнейшем аналогичные работы проводились и в СССР Верещагиным и его школой.
Процессам упрочнения металлов при деформации под высоким давлением посвящено много работ как отечественных, так и зарубежных ученых. Но работ, посвященных вопросам упрочнения металлов гирос-татическим способом, крайне мало, а данные по исследованию упрочнения пористых металлических основ и вовсе отсутствуют.
В связи с этим в данной работе будут рассмотрены вопросы, связанные с гидростатической обработкой (пропиткой) пористых металлических основ жидкостью высокого давления (до 700 МПа) с количественным определением влияния величины давления на степень их упрочнения.
Имеющиеся на сегодняшний день данные по гидростатической обработке ряда металлов и сплавов содержат как согласованные данные, так и противоречивые. Так для металлов, у которых сжимаемость под всесторонним давлением Р ~ 1 ГПа находится в пределах 0,5^1,2 % , замечается интенсивный рост дислокаций и увеличение прочности. О сжимаемости металлов и сплавов можно судить по изменению их объемного модуля упругости. Изменение прочностных свойств пористых металлических оснований от величины гидростатического давления носит другой характер. Чем больше микропор и дефектов, тем с меньших давлений начинаются процессы упрочнения. Так, для меди с ростом гидростатического давления, начиная с ~ 200 МПа, наблюдается увеличение прочности, что связано с микродеформационными процессами и их локализацией. При давлениях ~ 1000 МПа прирост плотности дислокаций может увеличиваться до 2 порядков.
Так же ранее отмечалось, что с увеличением гидростатического давления (Р > 200 МПа) прочность медных образцов возрастала, а пластичность уменьшалась с 9^10 % до 2^3 %. Но при давлениях Р > 1000 МПа прочность незначительно снижалась.
Упрочнение меди и ряда других металлов объясняется тем, что при определенных величинах гидростатического давления, вблизи микропор и дефектов наблюдается одна система скольжения, а с ростом давления включаются и другие системы скольжения дислокаций. Взаимодействие дислокаций, принадлежащих различным плоскостям, должно приводить к образованию сидячих дислокаций Ломмера-Коттрелла и концентрироваться вблизи микропор и дефектов с количественным ростом их плотности [4].
При гидростатическом обжатии пластическое течение металлов с ГЦК (гранецентрированной кубической решеткой, а это: Си, А1, N1, РЬ, у -Бе и др.) начинает
наблюдаться вблизи микропор, трещин и дефектов. Скорость деформации не ниже е* и 101 • с-1, средняя скорость движения дислокаций (согласно Оровану) V и 1 • 10-3 м / с, а скорость генерирования дислокаций
р* и 5-1016 м-2/ с [4].
Согласно этим данным, при гидростатическом обжатии медных образцов (как и при пропитке пористой медной основы жидкими средами) под давлением Р > 200 МПа (скорость увеличения давления в гидростате и скорость его сброса - роли не играют) начинаются процессы упрочнения, и чем выше гидростатическое давление пропитки, тем больше степень упрочнения.
Зависимость прочности от плотности подвижных дислокаций при гидростатическом сжатии (для меди Р > 200 МПа) показана на рис. 1.
Изменение плотности подвижных дислокаций, обеспечивающих пластическое течение металла в области микропор, дефектов и включений, от величины относительной деформации, согласно известному соотношению определяется:
р = е / ЬЬ, (1)
где р - плотность дислокаций;
е - относительная деформация;
Ь - вектор Бюргерса;
Ь - средняя длина свободного пробега дислокаций.
В соответствии с формулой (1) и экспериментальным данным, можно утверждать, что при всестороннем сжатии-деформации незначительны, только за счет упругого изменения объема, а также сжатия микропор и дефектов. При этом необходимо учитывать, что чем больше давление сжатия, тем меньше становится длина свободного пробега дислокаций (Ь) [5]. В соответствии с этим плотность дислокаций будет увеличиваться.
200
4ь к ют, т 1
Рис. 1. Зависимости изменения прочности от плотности подвижных дислокаций: • - медь, содержащая микропоры и включения; о - бездефектная медь, латунь
В случае гидростатического сжатия под высоким давлением (Р ~1 ГПа) величину деформации е для многих металлов можно определить из уравнения изменения объема по Бриджмену:
АУ 2 АУ Р --= аР - ЬР2 или--=-, (2)
У УК'
где -АУ /У - относительное изменение объема;
Р - гидростатическое давление (ГПа);
а и Ь - экспериментальные коэффициенты;
К * - «приведенный» модуль объемного сжатия исследуемого материала.
При высоких гидростатических давлениях модули упругости материалов не постоянны и зависят от величины давления, их называют «приведенными» - Е*. Значения Е* = /(Р) можно для металлических тел выразить зависимостью:
Е = Е0(1 + кР),
(3)
где к - экспериментальный коэффициент (рис. 2: для алюминия к = 0,07 ГПа-1, график 1; для меди к = 0,042 ГПа-1, график 2; для стали 50 - к = 0,022 ГПа-1, график 3).
Модуль объемного сжатия в теории упругости и пластичности определяется как: К = Е/3(1 - 2v), тогда «приведенный» модуль объемного сжатия с учетом (3) будет определяться так:
К * = Е0(1 + кР)
3(1 - 2v)
(4)
Как было указанно выше, изменение прочностных характеристик металлов под действием всестороннего давления зависит от степени объемной деформации, т. е. от изменения «приведенного» модуля объемного
сжатия. Из двух металлов при одинаковом давлении
сжатия большему упрочнению будет подвержен тот, у
*
которого изменения К будут больше. Кроме того, образцы, содержащие большее количество микропор, дефектов и включений в большей степени подвержены изменению объема, чем бездефектные и стадия упрочнения у них (согласно рис. 1) начинается при меньшем давлении обжатия.
После гидростатической обработки (пропитки) под высоким давлением спрессованное из металлического порошка тело можно рассматривать с позиции деформации и упрочнения в двух аспектах.
1 - Пора, закрытая внутри металла (приближенно представляется как полый шар с внутренним а и наружным Ь радиусами), нагруженная внешним гидростатическим давлением Р. Предел упругого сопротивления (Ру ) поры (полого шара) внешнему давлению будет определяться (без учета упрочнения металла) [6]:
Р 2 п3 -1 Ру = 3 а — 3 п
(5)
где п = Ь / а ;
а£ - предел текучести металла.
В нашем случае величины а и Ь вполне соизмеримы и в рассматриваемом случае величина п будет в пределах 1,2 -2. Тогда значения предела упругого сопротивления Ру будут составлять от 0,58 а^ до 0,42 а£ . При п ^ да , значение предела упругого сопротивления будет:
Р
,ЫЛХ 2
=3 а£.
(6)
Согласно этим зависимостям, если внешнее давление превысит эту величину, то вблизи поверхности
Рис. 2. Отношение переменного модуля упругости (Е), зависящего от величины гидростатического сжатия, к его значению при атмосферном давлении (Е0): 1 - алюминия, 2 - меди, 3 - стали 50
поры (дефекта) будут возникать пластические деформации. С увеличением давления эти пластические деформации будут возрастать, а с ними будет возрастать и подвижность имеющихся дислокаций, и зарождение новых.
2 - Пора открытая, в этом случае при приложении гидростатического давления пластической деформации не происходит, имеет место лишь упругое объемное сжатие. При этом увеличение прочности начинается при более высоких давлениях сжатия, Р > стд .
Находясь в пластическом состоянии, величина текущего радиуса поры будет определяться:
Р = -
Ь3 - а3
¡еХР -1!
(7)
где р - текущий радиус поры;
Х = 3/2-стд .
В работе [7] приводятся данные по изменению (увеличению) пористости образцов, спрессованных и спеченных из порошка меди, после гидростатической обработки давлением 300, 500 и 700 МПа. Анализируя данные, можно сделать вывод: при значениях п = Ь / а и 1 у некоторых пор перегородка «прорывается» и они становятся открытыми (не замкнутыми).
Согласно вышеприведенным данным, можно утверждать, что при изостатической обработке (пропитке) под высоким давлением пористых металлических тел (давление пропитывающего инфильтрата превышает предел текучести используемого для матрицы металла, т. е., Р > стд ), увеличение прочностных характеристик происходит в 2 этапа:
1-й этап начинается с давления Р > 2стд /3 . Для меди стд = 70 МПа, т.е., Р > 50 МПа.
2-й этап начинается с давлений Р > (2 ^ 3)стд . Для меди Р > 200 МПа.
Способы решения поставленной задачи
Исследования по определению влияния величины гидростатического давления на изменение прочностных характеристик проводили на пористых образцах из латуни (ЛНМЦ). В качестве «рабочей» жидкости использовали глицерин, как жидкость не «твердеющую» при давлениях Р > 1,1 ГПа. Технологические параметры: используемое давление Р = 300, 500 и 700 МПа
при скорости его увеличения Vув ~ 28 МПа/с; техническая выдержка по времени, для полного выравнивания давления жидкости в порах по всему объему, составляла - 15 с; сброс давления от Ршах до 0 (атмосферного) tсб ~ 1 с.
Физические характеристики глицерина: начальная вязкость ^0 = 1,48 Па-с; коэффициенты сжимаемости
(Тэйта) а = 0,117 и Ь = 425 МПа; пьезокоэффициент
вязкости С = 0,58 • 10-2 МПа-1.
Технические характеристики латуни [8]: температура плавления Тпл = 900^950 °С; предел текучести стд = 90^120 МПа, модуль упругости Е = 110 ГПа, коэффициент Пуассона V = 0,32 , плотность р = 8,5 г/см3.
В данной работе использовались пористые образцы, полученные прямым прессованием порошка латуни шарообразной формы полученной распылением (УкрНИИспецсталь). Гранулометрический состав -630 +313 мкм, общая пористость составляла
Поб = 29,6 %, а сквозная - Пскв = 13,6 %. Коэффициент проницаемости исследуемых образцов составлял
к = 8,3 -10-13 м2.
Используемое оборудование: гидростат (контейнер высокого 1,5 ГПа давления, производства ВНИИМет-Маш им. А. И. Целикова) Фт = 55 мм, рабочая зона Ьраб = 200 мм; гидравлический пресс Д2434А, усилием 2,5 МН; весы ВЛР - 100; микрометр МК; гидравлический пресс для прессования образцов ПСУ - 125; испытательная машина ИМЧ 30.
Экспериментальная часть
Выбор геометрии образцов основывался на определении напряжений на разрыв методом радиального сжатия. Первая серия образцов была выполнена в геометрической пропорции Б / Н и 2, где Б = 30 мм. В дальнейшем, при испытаниях на радиальное сжатие до появления осевой трещины, суммарное смятие образцов по торцам составляло ~ 4 мм. Для более точного определения значений предела прочности на разрыв габариты испытуемых образцов были увеличены.
Образцы изготавливались прессованием в металлической цилиндрической форме с внутренним диаметром Б = 40 мм. Отношение диаметра к высоте выдерживали Б / Н и 2. Общее количество образцов, с давлением прессования 65 МПа, составляло 15 штук. Далее образцы выравнивались с учетом параллельности оснований и спекались.
Спекание осуществлялось в камерной печи в обычной атмосфере. Образцы помещались в кварцевые трубочки, которые с двух сторон плотно заделывались керамическими заглушками (для минимального контакта с воздухом). Температура спекания Т = 850 °С. Выдержка по времени при Тшах составляла 1 час.
Определение пористости проводилось согласно общим данным [9].
Определение общей пористости:
П =
М1
V-р1
Определение открытой пористости:
(8)
П0 =
М 2 - М1 У -Р2
(9)
Таблица 1 - Напряжения разрушения при радиальном сжатии
где М1 - масса сухого пористого образца (г);
М2 - масса пористого образца, пропитанного водой (г);
У - объем исследуемого образца (см3);
Р1 = 8,5 г/см3 плотность латуни;
Р2 = 1,0 г/см3 - плотность дистиллированной воды.
Из общей партии образцов три испытывались на радиальное сжатие сразу после спекания, остальные проходили гидростатическую обработку при давлениях соответственно: 300, 500 и 700 МПа, по 3 образца на каждое из давлений.
Затем образцы извлекались из гидростата, промывались горячей водой (глицерин хорошо растворяется в воде) и сушились (Т = 80 °С).
После этого испытывались на машине ИМЧ-30 на радиальное сжатие до разрушения по диаметру. Усилия, при которых образцы разрушались, фиксировались и по формуле (10) рассчитывались возникающие при этом напряжения.
Согласно данным [10], напряженное состояние при радиальном сжатии описывается формулами:
а1 =
а3 = -
0,637Ей БЕ
6 ^
п-БЕ
(10)
(11)
где Е^ - прилагаемое усилие.
При радиальном нагружении разрушение начинается в центре образца. В этом случае плоскость разрушения параллельна приложенному усилию Е^ и разрушение происходит по площадке, на которой действует растягивающее напряжение а1. Таким образом, при радиальном нагружении образец разрушается под действием растягивающих напряжений, поэтому при анализе результатов влияния высокого гидростатического давления на изменение прочности образцов ограничимся рассмотрением только растягивающего напряжения а1 по центру образца. Данные экспериментов заносили в таблицу 1. Значения ¥ характеризуют относительное (относительно а1 без гидростатической обработки) изменение значений а1, полученных при испытании образцов при давлениях соответственно 300, 500 и 700 МПа.
Из данных таблицы 1 следует, что при гидростатическом давлении обработки Р = 300 МПа относительное изменение напряжения разрушения а1 будет составлять ~ 6 %; при давлении обработки Р = 500 МПа -11 %; и соответственно после обработки давлением Р = 700 МПа - 16 %.
Гидростатическое давление (МПа) Среднее растягивающее напряжение ах (МПа) Относительное изменение а!, ¥ (%)
0 9,6 -
300 10,2 6
500 10,7 11
700 11,1 16
Относительно проделанных исследований по степени упрочнения образцов из пористой латуни от величины гидростатического давления обработки (пропитки) можно сделать ряд выводов.
Выводы по проведенным исследованиям
Впервые получены количественные оценки степени упрочнения образцов из латуни от величины давления. Эти данные имеют теоретическое подтверждение с некоторыми незначительными отклонениями. Так, для меди, степень упрочнения от величины давления при всестороннем сжатии носит линейный характер. Полученные в работе данные для латуни показывают нелинейность процесса упрочнения. Это может объясняться тем, что при давлении 300 МПа в процессе участвуют 2 механизма упрочнения: внутри «закрытых» пор и дефектов, а уже при давлении 500 и 700 МПа -только один - механизм движения и роста количества дислокаций.
Согласно вышеописанным данным, можно сделать ряд выводов по всей работе.
Выводы по работе
При пропитке под высоким давлением пористых металлических основ различными по физическим свойствам инфильтратами происходят процессы упрочнения этих основ. При этом можно выделить 2 основные стадии упрочнения.
1 - в закрытых порах (закрытая пористость всегда присутствует при прессовании изделий из порошков) процессы упрочнения начинаются при гидростатических давлениях соответствующих пределу текучести
используемого металла порошка, т. е., Р .
2 - основная часть металла (назовем бездефектная) в заготовке начинает упрочняться от воздействия всестороннего давления при условии Р > (2 - 3)а£ .
С увеличением давления - прочность металлических тел будет увеличиваться в зависимости от технических характеристик (от степени объемной деформации, т. е., от изменения «приведенного» модуля объемного сжатия). Из двух металлов при одинаковом давлении сжатия большему упрочнению будет подвержен тот, у которого изменения К будут больше.
Изделия, содержащие большее количество микро-пор, дефектов и включений, в большей степени подвержены изменению объема, чем бездефектные, и стадия упрочнения у них начнется при давлении обжатия Р .
«Слабым» звеном в широком использовании такого рода технологий является стоимость и уникальность такого оборудования.
Перечень ссылок
1. Лойцянский Г. П. Механика жидкости и газа. - М. : Наука, 1973. - 848 с.
2. Босниев К. С. Нефтегазовая гидромеханика / Босниев К. С., Дмитриев Н. М., Розенберг Г. Д. - М.-Ижевск : Институт компьютерных исследований, 2005. - 544 с.
3. Тучинский Л. И. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки / Л. И. Тучинский. - М. : Металлургия, 1986. - 208 с.
4. Петров Ф. И. Кинетика залечивания пор и упрочнение меди при всестороннем сжатии / Петров Ф. И., Разува-
10.
ева М. В. // Журнал технической физики. - 2002. -Т. 72, вып. 8. - С. 130-132.
Влияние высоких давлений на вещество. Т.1 / под ред. ЧК АН УССР Пилянкевича А.Н. - К. : Наукова думка, 1987. - 232 с.
Работнов Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела / Работнов Ю. Н. - М. : Наука, 1979. - 744 с. Косинский В. В. Анализ поведения пористых металлических основ при изостатической обработке жидкостями высокого давления / Косинский В. В. // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. -2008. - № 2. - С 76-84.
Писаренко Г. С.Справочник по сопротивлению материалов / Писаренко Г. С., Яковлев А. П., Матвеев В. В. -К. : Наукова думка, 1975. - 704 с. Пористые проницаемые материалы : справочник / под ред. Белова С. В. - М. : Металлургия, 1987. - 336 с. Вяль Е. Ю. Прочность неспеченных порошковых прессовок при осевом и радиальном нагружении / Вяль Е. Ю., Лаптев А. М. // Порошковая металлургия. - 2002. -№ 5/6. - С. 28-32.
Одержано 26.05.2009
Проведено анализ факторгв, як впливають на .змщнення пористих металевих ты при ггдростатичнш обробц (просоченню) i'x nid високим тиском. Виявлено, що 1з зростанням тиску ступгнь змщнення металу
значною мiрою залежить вiд змти «наведеного» модуля об 'емного стиску (K*). Визначили, що змщнення пористих металевих тiл вiдбуваeться в 2 етапи: 1-й - змiцнення в зонi закритих пор при P « ст$; 2-й - об 'емне .змщнення при P > (2 - 3)ст$ . На nрикладi пористо'1 латунi отриманi данi, як кшьтсно вiдображають стуniнь змщнення залежно вiд величини гiдростатичного тиску.
The analysis of factors that influence on hardening of porous metal bodies at hydrostatic processing (impregnation) under high pressure has been carried out. It is found, that with pressure increasing the degree of metal hardening
*
greatly depends on change of the «resulted» module of volume compression (K ). It is defined, that hardening of porous metal bodies occurs in 2 stages: the first one is the hardening in closed pores zone at P ; the second one
is volume hardening at P > (2 - 3)a $. On example of a porous brass the data that quantitatively display hardening degree in dependence on size of hydrostatic pressure are obtained.
УДК 669.24:620.183
И. Н. Куницкая1, д-р техн. наук В. Е. Ольшанецкий2, канд. техн. наук Я. И. Спектор1, д-р техн. наук А. В. Ноговицын3
1 Украинский научно-исследовательский институт специальных сталей, сплавов и ферросплавов
«УкрНИИспецсталь, 2 Национальный технический университет;
г. Запорожье
3 Министерство промышленной политики, г. Киев
ОБ ЭНЕРГЕТИКЕ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРОКАТКОЙ АУСТЕНИТНОЙ СТАЛИ
Дано развитие представлений о кинетике и механизмах рекристаллизации аустенита, рассмотренных при обсуждении термокинетических диаграмм рекристаллизации при горячей прокатке специальных сталей [1]. Выполнены расчеты эффективной энергии активации зарождения динамически рекристаллизованных зерен и энергии активации процесса комбинированной рекристаллизации во время последеформационной выдержки в условиях опытной прокатки аустенитной стали 10Х17Н13М2Т.
© И. Н. Куницкая, В. Е. Ольшанецкий, Я. И. Спектор, А. В. Ноговицын, 2009
