CC BY
59
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
уДК 621.762034:669 1 в. В. АКИМОВ
М. В. АКИМОВ М. В. ПЛАСТИНИНА
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,
г. Омск
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЛАМЕ, ГИДРОСТАТИЧНОСТИ, ТЕПЛОСТОЙКОСТИ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ Т1С-Т1Ы1 В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОСТАВА КОМПОЗИЦИИ
Используя значения упругих характеристик и скорости распространения ультразвуковых волн в твердом сплаве ТЮ-'Л^ определены коэффициенты Ламе (Л-ламбда, р-мю), а также коэффициент гидростатичности у. Установлена оценка теплостойкости данного сплава в сравнении с твердыми сплавами ВК6, ВК8.
Ключевые слова: твердые сплавы, упругие модули, коэффициенты Ламе, гидростатичность, теплостойкость, композиция.
Порошковые твердые сплавы на основе карби- необходимость получения более полных данных
дов титана со связующими металлами из Ni-Mo-Fe- об упругих, пластических свойствах и теплостойко-
Co-AI могут применяться в качестве инструменталь- сти таких сплавов.
ных материалов, заменяющих стандартные твердые В работах [2, 3] нами были проведены экспери-
сплавы [1]. Поэтому в материаловедении возникает ментальные исследования по определению упру-
гих и пластических свойств твердых сплавов Т1С-Т1№ от состава композиции и влиянию пористости на упругие характеристики (модуль Юнга Е, модули сдвига С и объемной деформации К, коэффициент Пуассона V и пластичности твердого сплава К
* = к [2].
Однако в работах [2, 3] не были определены для данного твердого сплава следующие характеристики (коэффициенты Ламе (Л, |1), коэффициент гидростатичности х и не дана оценка теплостойкости.
Образцы для исследования готовили стандартными методами порошковой металлургии из карбида титана Т1С и никелида титана Т1№, которые смешивались в электромеханической мешалке в течение суток. В достаточно перемешанную смесь порошков карбида титана и никелида титана разного объемного состава добавляли 6 %-й раствор пластификатора (каучука) в чистом бензине. После повторного перемешивания смесь подвергалась сушке при комнатной температуре, потом просеивалась через сито с размером ячеек 800 мкм. Образцы получали методом холодного прессования под давлением 80—100 МПа в металлической пресс-форме с последующим вакуумным спеканием в лабораторной печи.
Спекание образцов проводили при температуре 1350°С в течении 10—15 мин с последующим быстрым охлаждением вместе с печью [4]. Для исследования на ультразвуковой установке использовали образцы твердого сплава (Т1С-Т1№) разного объемного состава с параллельными гранями (отклонение не превышало 10-3 рад) с разной пористостью после спекания. Шероховатость поверхности образцов ^а 1,25...0,63 . Образцы измерялись ультразвуковым методом на аналогичной установке, описанной в работе [2].
Упругие характеристики твердых сплавов определялись на образцах из карбида титана с различным количеством связующей фазы Т1№. По результатам экспериментальных исследований установлено, что коэффициенты Пуассона V для данных сплавов различаются незначительно (0,248 — 0,320) (табл. 1).
Как видно из табл. 1 на характер концентрационных зависимостей модуля объемной упругости (К) значительное влияние оказывают значения модуля упругости (Е) и предел текучести связующей фазы. Уменьшения результатов модуля объемной упругости очевидно связано с увеличением содержания металлической связующей фазы Т1№ в твердом сплаве.
Физико-механические характеристики твердых сплавов на основе Т1С.
Коэффициент гидростатичности в первом приближении рассчитывался для данных композиций,
1 + V
без учета влияния пористости, равным X = 3(1 - у)'
где V — коэффициент Пуассона [5]. Из результатов исследований следует, что с увеличением связующей фазы Т1№, коэффициент гидростатичности возрастает, а это приводит к росту уплотнения порошков Т1С и Т1№.
В математической линейной теории упругости упругие коэффициенты Ламе (Л, | ) зависят только от упругих постоянных модулей Юнга (Е) и материала, поэтому параметры Ламе выражают так [6]:
Л
Еу
(1 + у)(1 - 2у)
(Ламбда), ^ = G ;
Е
2(1 + у)"
(1)
здесь Е — модуль Юнга, V — коэффициент Пуассона, С — модуль сдвига.
Коэффициенты Л, | , как и модули упругости Е, С, — характеризуют упругие свойства материала. Кроме того, в линейной теории упругости закон Гука выражает линейную зависимость между тензором деформации £ и тензором напряжений б в упругой среде
< = 2|лг + ХТГ (г)1,
(2)
где Л называется первым параметром Ламе, а | — вторым параметром Ламе.
Вклад упругих деформаций в свободную энергию является линейной комбинацией двух скаляров с коэффициентами, которые называют параметрами Ламе [6].
I к
(3)
Если решения задачи теории упругости проводятся в перемещениях, то обычно используют уравнение Ламе с коэффициентами, что важно при анализе волнового уравнения [7, 8]. Эти коэффициенты удобно использовать, как константы. К сожалению, в справочниках их редко указывают, поэтому результаты их представлены в табл. 1. Для упругого коэффициента | наблюдается тенденция уменьшения значений при снижении карбидной составляющей Т1С в твердом сплаве. Коэффициент Л (ламбда) изменяется немонотонно, вначале наблюдается его незначительный рост, потом заметно небольшое снижение, с последующим увеличением.
Интересные результаты были получены по оценке теплостойкости твердого сплава состава (50 % Т1С — 50 % Т1№) об % и сплавов на основе карбида
Таблица 1
Изменение упругих модулей, коэффициентов Ламе, гидростатичности в зависимости от состава композиций твердых безфольфрамовых сплавов
Состав твердого сплава, об % Е, Г Па К, Г Па V, кооэф-т Пуассона X, кооэф-т гидростатичности Л, кооэф-т Ламе, ламбда, ГПа ц кооэф-т Ламе, мю, ГПА
70 % Т1С -30 % Т1№ 350,8 232 0,248 0,553 138,08 140,54
60 % Т1С -40 % Т1№ 314,3 221 0,263 0,571 138,22 124,43
50 % Т1С -50 % Т1№ 286,2 212 0,275 0,585 137,11 112,23
40 % Т1С -60 % Т1№ 250,9 205 0,296 0,614 140,40 96,79
30 % Т1С -70 % Т1№ 216 200 0,320 0,647 145,5 81,82
2
2
Изменение массы твердого безфольфрамового сплава при нагревании до 820° С
Таблица 2
Изменение массы сплавов при нагреве до 820°С, 10-3 кг. Сплав (50 % TiC — 50 % TiNi), об % Сплав ВК6 Сплав ВК8
0,04 2,60 2,50
вольфрама ВК6, ВК8 при нагреве до температуры 820°С. Исследуемые образцы выдерживались в печи СНО-2.55. 1,7/12 при заданной температуре 4 часа, а затем охлаждались вместе с печью до комнатной температуры. Твердый сплав (50 % НС — 50 % Н№) об % полностью сохранил свою исходную твердость 86НЯЛ.
Изменения массы твердых сплавов при нагревании с 4-часовой выдержкой. Небольшой прирост массы образца в процессе нагрева примерно на 0,04* 10-3 кг позволяет констатировать незначительное окисление сплава 50 % НС — 50 % Н№. Твердые вольфрамсодержащие сплавы ВК6, ВК8 сильно окислились и разбухли, прирост массы образцов для них составил (2,5^2,6)*10-3 кг (табл. 2), твердость у них значительно снизилась. Образовавшиеся окислы у вольфрамсодержавших твердых сплавов имели фиолетовый цвет, что позволяет констатировать об окислении кобальтовой связующей фазы. Это в результате привело к разупрочнению твердых сплавов ВК6, ВК8. В сплавах же на основе карбида титана со связующей фазой И№ твердость сохранилась неизменной, разупрочнения материала не произошло.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о высокой теплостойкости твердых сплавов на основе НС при достаточно высоких температурах (700 — 850)°С, с достаточно высокими упругими характеристиками, которые приведены в табл. 2. Причем по полученным экспериментальным путем значениям модулей упругости с помощью приведенных зависимостей (1) определены постоянные коэффициенты Ламе.
Библиографический список
1. Андриевский, Р. А. Нанокомпозиты на основе тугоплавких соединений: состояние разработок и перспективы / Р. А. Андриевский // Материаловедение. — 2006. — № 4. — С. 20-26.
2. Акимов, В. В. применение ультразвукового резонансного метода для определения упругих и пластических характеристик сплавов Т1С-Т1№ / В. В. Акимов, Н. А. Иванов // Прикладная механика и техническая физика. — 2002. — Т. 43, № 2. — С. 203 — 207.
3. Акимов, В. В. Влияние пористости на упругие характеристики твердых сплавов Т1С-Т1№ / В. В. Акимов, М. В. Акимов, М. С. Корытов, М. В. Пластинина // Прикладная механика и техническая физика. — 2009. — Т. 50, № 4. —С. 136—138.
4. Акимов, В. В. Механизм жидкофазного спекания твердосплавных композитов Т1С-Т1№ / В. В. Акимов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. — 2006. — № 6. — С. 33 — 35.
5. Билык, И. И. Перспективы использования карбонитри-дов в качестве твердой составляющей металлокерамических твердых сплавов / И. И. Билык // Порошковая металлургия. — 1992. — № 6. — С. 49 — 51.
6. Ландау, Л. Д. Теория упругости / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц // Теоретическая физика. В 10 т. Т. 7. — М. : Наука, 1987. — С. 21 — 258 с.
7. Работнов, Ю. М. Механика деформируемого твердого тела / Ю. М. Работнов. — М. : Наука, 1988. — С. 239 — 712.
8. Амензаде, Ю. А. Теория упругости / Ю. А. Амензаде. — М. : Высшая школа, 1976. — С. 68 — 272.
АКИМОВ Валерий Викторович, доктор технических наук, профессор кафедры «Автомобили, конструкционные материалы и технологии»; специалист в области порошковой металлургии и композиционных материалов.
АКИМОВ Марк Валерьевич, руководитель транспортной службы ООО «Сибирские колбасы». ПЛАСТИНИНА Марина Васильевна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики.
Адрес для переписки:8р1а"уИш@таП.га
Статья поступила в редакцию 02.06.2015 г. © В. В. Акимов, М. В. Акимов, М. В. Пластинина
Книжная полка
621.43/С65
Сорокин, В. Н. Конструкция и рабочие процессы энергетических установок транспортных и технологических машин [Электронный ресурс] : учеб. пособие / В. Н. Сорокин. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. -1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
В краткой форме описаны конструкция и принципы работы систем и агрегатов ДВС энергетических установок транспортных и технологических машин и оборудования. Предназначено студентам направления 190600.62 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов (нефтегазодобыча)».
