CC BY
9
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2018, том 61, №1_
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
УДК 669
М.Маджиди
К ИССЛЕДОВАНИЯМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОТЛИВОК СВИНЦА, ПОЛУЧЕННЫХ В УСЛОВИЯХ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ
Институт геологии, сейсмостойкого строительства и сейсмологии АН Республики Таджикистан
(Представлено членом-корреспондентом АН Республики Таджикистан Д.Н.Низомовым 23.10.2017 г.)
В статье приводятся результаты исследования ряда физико-химических свойств отливок свинца, полученных в условиях действия микросейсм и изоляции от них. Показано, что микротвёрдость и прочность на равномерное растяжение слитков, полученных в условиях повышенных уровней микросейсм, снижаются в среднем на 15%. Удельное электрическое сопротивление оксидного слоя слитков, полученных в условиях изоляции от микросейсм, оказывается примерно в 2 раза больше, чем полученных в условиях без изоляции.
Ключевые слова: вибрация, микросейсм, отливки свинца, микротвёрдость, прочность на растяжение.
В работах [1,2] показано, что внешние механические воздействия влияют на характер пластических деформаций любых материалов как кристаллической (железо, медь, алюминий и т.д.), так и аморфной структуры (пластилин, резина и т.д.). Причем это не только интенсивные механические воздействия, но и слабые естественные и искусственные микроколебания Земли (микросейсмы), воздуха (звук) и т.д. Эти воздействия вызывают полную скачкообразность пластических деформаций всех материалов. Скачки деформаций достигают размеров до десятков микрон, вызывая необратимые (остаточные) подвижки, создавая микродефекты среды, нарушения кристаллической решетки и нитевидных кристаллов металла.
Влияние искусственных вибраций на процессы формирования материалов с заданными свойствами весьма разнообразно по характеру воздействия и широко используется в современной науке, технологиях и производстве. Обширный опыт изучения влияния вибраций на структуру и свойства получаемых материалов, накопленный к настоящему времени, убедительно показывает, что вибрации существенно меняют микротвердость, прочность, упругость, пластичность, электропроводность, коррозийную стойкость и многие другие их физические и химические характеристики [3-5].
Характер влияния вибраций на структуру и свойства получаемых материалов неоднозначен: вибрации одного вида могут приводить к прямо противоположным результатам - уплотнению и упрочнению при умеренных, достаточно малых амплитудах и частотах, либо к разрыхлению и разупрочнению при интенсивных вибрациях. Один из важных факторов, определяющих характер этого
Адрес для корреспонденции: Маджиди Миршариф. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 267, Институт геологии, сейсмостойкого строительства и сейсмологии АН РТ. E-mail: mirsharif-0905@mail.ru
действия, - соотношение между временем релаксации отливок в вязком состоянии и частотами вибраций [6].
Цель настоящего исследования - выявление степени влияния микросейсм на физико-химические свойства отливок свинца: микротвёрдость, прочность на растяжение, электропроводность и окисление.
Объекты исследований - образцы отливок из свинца с малым содержанием серебра - 0.03%. Для определения микротвёрдости материалов применялся метод Бринелля [7], который состоит во вдавливании в испытываемую поверхность образца стального закалённого шарика при некоторой нагрузке в течение определённого времени и определении площади поверхности отпечатка. Число твёрдости по Бринеллю, HB, представляет собой отношение нагрузки (кгс) к площади (мм2) поверхности отпечатка. Испытания проводились на стационарных твердомерах - прессах, обеспечивающих плавное приложение заданной нагрузки к шарику и постоянство её при выдержке в течение 25 с. Для этих испытаний были изготовлены три пары образцов - в условиях изоляции и без изоляции от мик-росейсм. Путём плавления в тигле муфельной печи и охлаждения в гипсовой ванночке при температуре 17°С получались отливки в форме круглого диска диаметром 25 мм, толщиной 10 мм. Определения микротвёрдости проводились при нагрузке 250 кгс с использованием наконечника штампа диаметром 10 мм.
Сравнение внешнего вида образцов, полученных в условиях воздействия микросейсм и без их изоляции, производилось на основании фотоснимков поляризационного микроскопа МРО - 401 [8].
Для определения прочности образцов на растяжение изготовливались бруски, имеющие форму прямоугольного параллелепипеда, длиной 300 мм и поперечным сечением 6 х 12 мм. Исследование проведено на разрывной машине марки ZDM-50t в условиях постоянной скорости растяжения.
Для определения электропроводности изготовливались образцы из поперечных срезов торцов брусков. Качество поверхности образцов и размеры оксидной поверхности определялись на этих поперечных срезах с помощью микроскопа Imager m2M [9].
Действие микросейсм исследовалось для случаев затвердевания образцов в ванночках, установленных на бетонном полу, а для изоляции от микросейсм ванночки устанавливались на плотном трехслойном пенопласте высотой 25 см от бетонного пола. Для контроля уровня микросейсм использовалась переносная широкополосная сейсмическая станция 45 EDL с 24-битной системой записи информации и короткопериодным (1 Гц) сейсмическим датчиком Mark-L4-C-3D. Запись скоростей колебаний производилась на бетонном полу и пенопласте в течение примерно 10 мин. Минимальная скорость микросейсм на бетоном основании составила 0.18 см/с, максимальная - 8.80 см/с. Минимальная скорость микросейсм при изоляции - 0.10 см/с, максимальная - 4.00 см/с, что свидетельствует об уменьшении амплитуд скоростей микросейсмических колебаний.
Результаты экспериментов
На рис. 1 приведены фотоснимки поверхностей образов, полученных в условиях действии микросейсм (а) и изоляции от микросейсм (б). Снимки сделаны с увеличением в 16 раз.
Рис.1а, 1б. Фотоснимки поверхностей образца.
В первом случае а) снимки более тёмные, строение поверхности оказалось в большей степени зернистое, чешуйчатое, чем в случае б).
Результаты исследования микротвёрдости представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты эксперимента по определению микротвердости
№№ образцов Диаметр отпечатка, мм Средняя твёрдость, НВ, кг/мм2
При изоляции микросейсм
Измерение 1 7.00
1 2 6.30 6.36
3 6.60
1 6.70
2 2 6.24 6.16
3 7.30
1 6.24
3 2 6.54 6.94
3 6.34
Без изоляции микросейсм
1 7.10
1 2 7.40 5.12
3 7.24
1 7.64
2 2 7.30 4.67
3 7.63
1 6.64
3 2 6.94 5.96
3 6.54
Во всех образцах, полученных в условиях повышенных уровней микросейсм, обнаружено снижение прочности в пределах от 3 до 30%.
Результаты испытаний показывают, что действие микросейсм в среднем примерно на 15% снижают прочность отливок (см. табл. 2).
Таблица 2
Результаты определений прочности образцов на растяжение
№№ образцов Масса образцов, г Показания тензомера, мм Сила на разрыв, кГ Временное сопротивление, кг/мм2 Среднее временное сопротивление, кг/мм2 Равномерное удлинение образцов, %
В изоляции от микросейсм
1 200 20- -70 240 3.3 3.2 10
2 200 20- -60 240 3.3
3 150 20- -50 220 3.0
Без изоляции от микросейсм
1 200 20- -65 240 3.3 2.7 10
2 200 10- -55 200 2.7
3 150 10- -40 160 2.2
Определение удельной электропроводности отливок
Для определения удельной электропроводности были испытаны 4 образца: 2 в условиях изоляции микросейсм и 2 - без изоляции. Для выявления микроструктуры испытываемых образцов сделаны снимки поперечных срезов торцов брусков с помощью микроскопа Imager m2M с увеличением в 10 раз. Значения абсолютных погрешностей измерений находятся в пределах ±0.1 мкм в диапазоне от 1 до 10 мкм по порядку величины.
На рис. 2 приведены фотоснимки срезов 2-х образцов, полученных в условиях изоляции от микросейсм (а) и без неё (б). Видны явные различия в строении и геометрических размерах неодно-родностей на поверхностях образцов. В образце, полученном в условиях изоляции от микросейсм (а), толщина оксидной плёнки почти в 2 раза меньше, чем в образце (б). Соответственно степень зернистости оксидного слоя во 2-ом случае больше. Оценки удельного электрического сопротивления оксидной плёнки образца, полученного в условиях изоляции от микросейсм для средней толщины 20 мкм по стандартной методике [10], составила 35.7 Омм, а в условиях без изоляции - 18.1 Омм (для сравнения - удельное электрическое сопротивление чистого свинца при нормальных физических условиях - 20.610-8 Омм [10]).
20 мкм
1200 мкм
а) б)
Рис.2. Фотоснимки поперечного сечения срезов образцов (а), (б).
10 мкм
200 мкм
Снижение удельного сопротивления в образцах (б), по-видимому, свидетельствует о меньшей степени окисленности более зернистого поверхностного слоя, а в случае (а) структура слоя кристаллически более упорядоченная и при отвердевании он оказался более окисленным.
Заключение
Таким образом, микросейсмы оказывают заметное влияние на некоторые физико-химические свойства отливок свинца, полученных в условиях действия микросейсм и изоляции от них. Структура внешней поверхности в первом случае оказывается более рыхлой, зернистой и толщины поверхностного, оксидного, слоя оказались почти в 2 раза больше, достигая 20 мкм. Микротвёрдость и прочность на равномерное растяжение слитков, полученных в условиях повышенных уровней микро-сейсм, снижаются в среднем на 15%. Удельное электрическое сопротивление оксидного слоя слитков, полученных в условиях изоляции от микросейсм, оказалось равным 35.7 Омм, что примерно в 2 раза больше, чем у слитков, полученных в без изоляции.
Результаты экспериментов могут быть использованы в областях металлургии и машиностроения, в частности для получения отливок и различных деталей. Полученные результаты дают методологические основания для анализа кристаллической структуры и текстуры минералов, которые формируются в условиях естественных микросейсм.
Поступило 30.10.2017 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Садовский М.А., Мирзоев К.М., Негматуллаев С.Х., Саломов Н.Г. Влияние механических микроколебаний на характер пластических деформаций материалов. - Изв. АН СССР. сер. Физика Земли, 1981, №6, с. 32-42.
2. Саломов Н.Г. О механическом способе улучшения физико-химических свойств отливок различных твёрдых материалов. - Мат-лы 9-ой межд. теплофизической школы, 2014 г. - Душанбе-Москва-Тамбов: ООО «Х.Хасан», 2014, с. 640.
3. Чернов Д.К. Наука о металлах. Сб. «Труды Д.К.Чернова» /Под ред. Н.Т. Гудцова. - М.: Металлургиздат, 1950, 357 с.
4. Аркадов Г.В., Павелко В.И., Усанов А.И. Виброшумовая диагностика ВВЭР. - М.: Энергоатомиз-дат, 2004, 344 с.
5. Морин С.В. Комплексное исследование вибрационного воздействия на кристаллизацию и свойства отливок из алюминиевых сплавов. - Новокузнецк: РГБ, 2006, 169 с.
6. Каримов Ф.Х. Физические характеристики вязкопластического течения расплава алюминия. - Сб. материалов Респ. науч.-практ. конф. «Проблемы материаловедения в Республике Таджикистан». -Душанбе: «Сармад-Компания», 2016, с. 102-103.
7. Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справ. изд., пер. с нем. - М.: Металлургия, 1982, 480 с.
8. Поляризационный микроскоп МРО-401 (http://www.geo-ndt.ru/pribor-2778-mikroskop-mro-401.htm).
9. Анцыферов С.С., Карбанов Д.А., Маслов В.Г. Методика поверки оптических микроскопов типа Axio Imager m2M. - Мат-лы межд. науч.-техн. конф. - М.: МИРЭА, 2015, с. 191-193.
10. Таблицы физических величин. /Под ред. И.К.Кикоина - М.: Атомиздат, 1976.
М.Мачидй
ОИД БА ОМУЗИШИ ХОСИЯТХОИ ФИЗИКИЮ ХИМИЯВИИ ГУДОХТАХОИ СУРБ ДАР ХОЛАТИ ТАЪСИРИ МИКРОСЕЙСМХО
Институти геология, сохтмони ба заминчунбй тобовар ва сейсмологияи Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон
Дар макола натичадои тадкикотдои як катор хосиятдои физикавию химиявии гудохтадои сурб дар долатдои таъсири микросейсмдо ва бе таъсири ондо оварда шудаанд. Ош-кор карда шудааст, ки сахтй ва мустадкамии кашидакандашавии гудохтадо аз таъсири микросейсмдо ба дисоби миёна 15% кам мешаванд. Муковимати хоси электрикии кабати ок-сидшуда дар долати бе таъсири аз микросейсмдо ба дисоби миёна 2 маротиба зиёдтар нисбат ба долати таъсири микросейсмдо мебошад.
Калима^ои калидй: лаппиш, микросейсм, гудохтауои сурб, сахтй, мустаукамии кашидакандашавй.
М.Majidi
TO THE RESEARCHES OF PHYSICAL-CHEMICAL PROPERTIES OF LEAD CASTINGS, OBTAINED AT THE IMPACT OF MICROSEISMS
Institute of Geology, Earthquake Engineering and Seismology, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan
The results of researches of some physical-chemical properties of the lead castings, obtained at the microseisms' impact environments and separation from ones, is brought out. It's found out that microhard-ness and strength to moderate stretch of the castings, obtained at the elevated level of microseisms vibrations, are about 15% at an average lower. The specific electric resistivity of the castings oxide layers, obtained at the isolation from microseisms, turned up 2 times higher, than ones without isolation. Key words: vibration, microseism, lead castings, microhardness, strength limit.
