CC BY
17
состояние ПКМ, и, как слодстпие, повысить эксплуатационные качество .металлополимерной трибо-системы.
Заключение. I Доведенные исследования показали. чтптрибоЭДС уменьшается с увеличением концентрации скрытокристаллического графи та и ПТФЭ и с повышением контактного давления. С использованием полученных результатов и данных, характеризующих зависимость скорости изнашивания от концентрации наполнителя, установлена зависимость Предлагается использовать подобные зависи-мосгидля прогнозной оценки износостойкости ПКМ без приведения длительных и трудоемких испытаний на трение и износ.
Библиографический список
1 Бартенев | м„ Френкель С.Д. Фишка полимеров — Л Химия. 1990 - 432 с
2 Машков Ю.К.. Суриков В.И . Калистратова Л.Ф. Мама-см* О Л Модификации структуры и свойства композиционных материалов на основе политеграфторэтнлепа. - Омск.: И:ід-во СибАДИ 2005. - I /Ос.
3 Феклисоп.1 Т.Г. и др. Некоторые особенности грибохи-мнческого окислении углеводородов//Троннс и н:»шк: — 1984. -Т. 1. N01 - С. 339 311
•«. Машков ІО.К. Структурно-ліергетическая самоорганизация и термодинамика металлополнмерных трнООсистем // ДоЛІ'ОШ'ЧШКЧЬТруЩІІХСМАЇГГЛЛСЙ млшин. — М.. 1990. - Вып. •!. — С. 219-244
Я Бершадский А-И Основы теории структурной нрисносаб-ливаемосгн и переходных состояний трнбосистем и ее приложение к задачам повышения надежности зубчатых и черничных перел/іч :дис. докт тсхн и. - Киев. 198?.. - 328с.
6. Термодинамический метод оценки интенсивности изнашивании трущихся материалов//А А Ныжкин. А И Филип чук. К.І Щучев. ММ. Климов // Трение и и;шос - 1982 -Т.З -Nv 5. - С 807 - 872.
7. Поляков Л Л Диссипативная структура избирательного переноса // Долговечность трущихся деталей и машин. — М . 198/. - Вып. 2. - С. 97- 106.
8 Рубли АС!. Обеспечеіше работоспособности металлополи-мерных трибоснстем типа герметизирующих устройств на основе моделирования тепловых процессов: дис.... канд. техн, и. -Красноярск. 2008. — 214 с
ЛНДРЮШЕЧКИН Сергей Михайлопич, кандидаг пе-дагогических наук, доцент кас|м*лры физики Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
Адрес для переписки: e-mail; ASM57@ moll.ru БИРЮКОВ Сергей Владимирович, док тор технических наук, заведующий кафедрой «Системы автоматизированного проектирования машин и технологических процессов» Омского государственноготехнн ческого университета, профессор кафедры физики Сибирской государственной антомобильно-дорож-ной академии.
Адрес для переписки: 644050. г. Омск. пр. Мира, 11. ГЮКИН Александр Владимирович, старший преподаватель кафедры физики Сибирской шсударствен-иой автомобильно-дорожной академии.
Адрес для переписки: 644080, г. Омск, пр. Мира. 5.
Статья наступили в редакцию 10.00.2009 г.
© С. М. Дидрюшсчкни, С. В. Кирюков, Л. В. Тюкин
УДК 669.046.516 Е- н ЕРЁМИН
А. Е. ЕРЁМИН
Омский государственный технический университет
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ДИСПЕРСНЫХ ФАЗ НА ПРОЧНОСТЬ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Изучено влияние структурных параметров дисперсной фазы в объеме литого металла на динамику дислокаций и прочностные свойства. Показано, что при модифицировании литого металла наночастицами тугоплавких соединений совместно с поверхностно-активными веществами можно ожидать существенного повышения прочностных и пластических свойств металла одновременно.
Ключевые слова: модифицирование, структура, дисперсная фаза, наночастицы, дислокации, деформация, прочность, литой металл.
Развитие техники определяет непрерывное повышение требований к конструкционным материалам. Отсутствие материалов с необходимыми характернс-гиками является н ряде отраслей промышленности тормозом для совершенствования и создания новых конструкций, машин и изделий,
Классические способы получения сплавов далеко не всегда позволяют получить материалы, облада ющие требуемым комплекс ом свойств. Сложившаяся ситуация пызьшает необходимость интенсивного нонска новых путей получения материалов с повышенными характеристиками.
Весьма перспективным в зтом отношении являются дисперсно-упрочненные материалы, п которых повышение прочностных и других характеристик создается за счет искусственно введенных тугоплавких высокодисперсных частиц. Широкие перспек-тивы открываются при получении дигперсноунроч* ценных материалов методом литейной технологии с использованием объемного модифицирования металлического расплава В то же время структурные параметры дисперсных фаз, определяющих прочностные свойс тва металла, изучены недостаточно.
Присутствие дисперсной (разы в объеме модифицированного меч алла окапывает влияние на динамику дислокаций и создает условия для его упрочнения Если считать, что дисперсные частицы делят металл на блоки, размеры которых равны расстоянию между частицами, то такие блоки будут определять средний свободный путь движения дислокаций. Число дислокаций, проходящих средний путь и вызывающих пластическую деформацию, пропорционально этому нуги. Если известна зависимость между скоростью зарождения дислокаций и приложенным напряжением, го известна и связь между средним путем дислокации и сопротивлением деформации При скорости деформации, пропорциональной скорости зарождения дислокаций, напряжение деформации пропорционально логарифму величины, обратной среднему расс тоянию между частицами. Под действием приложенного напряжения источники дислокаций образуют дислокационные петли, окружающие частицы. Число петель дислокаций и зависит от расстояния между частицами 111
л =/%а/(7т|Ь| • И)
где 1% — расстояние между дисперсными частицами; ст—приложенное напряжение; Ст—модульсдвигаматериала матрицы; Ь вектор Бюргерса дислокации.
Напряжение сдвига, действующего на частицу:
т = ст;'/s./GJЬ|• (2)
а предел текучести сплава, упрочненного частицами:
о, =а/с„С>|/'»С. (31
где Ся — модуль сдвига частицы; С — постоянная, характеризующая тип сплава.
Из этого следуе т, что при модифицировании дисперсными частицами может быть достигнуто упрочнение сплава — повышение предела текучест и. При этом модуль сдвига материала частицы Сч должен превосходить модуль сдвига частицы (ма териала матрицы) Сп, иначе упрочнения не произойдет.
13 то же время для сплавов с малым размером частиц расчет по формуле (3) становится неверным. В таких сплавах напряжение сдвига, действующее на дисперсные час тицы сферической формы размером (1Г определяется соотношением |2|:
т = 2пСв|Ь|/с#ч.. И)
а предел текучести сплава обратно пропорционален размеру частиц:
ог 5 2С51Ь | /<1$ • (5)
В этом случае частицы действуют как препятствия, задерживающие движение дислокаций, т.е. дислокационная петля велика по сравнению с расстоянием между частицами.
Данная дислокационная модель показывает, что предел текучести дисперсно-упрочненных сплавов, содержащих крупные частицы (свыше 500 нм), зависит как от прочности матрицы, так и вещества частицы. в то время как при малых размерах частиц прочность сплава прямо пропорциональна модулю сдвига дисперсной фазы и обратно пропорциональна размеру частиц.
Таким образом, основными структурными параметрами, определяющими эффективность действия частиц на прочность сплава, являются их размер, а также средний свободный промежуток между ними, или, по другому, межчастичиое расстояние (расстояние между центрами частиц).
Д\я определения этой величины будем считать, что частицы распределены однородно и изотропно в объеме расплава и имеют сферическую форму. Это вполне вероятно, поскольку в расплаве сферическая форма частицы возникает п результате растворения локальных поверхностных неоднородностей. Опишем вокруг некоторой частицы сферу радиусом И . равным половине расстояния между центром этой и ближайшей частицы: К,. = (ls /2+ /., /2, где с/у — диаметр частицы, а /л — свободный промежуток между частицами. Тогда объем сферы Уг -|п/б) (с/, +/,)' будет включать в себя обьем частицы = (л/6)(с/ч.)' и объем матрицы:
Ут “(*/6)(с/, —(п/6)(с/%)3. (6)
Введя далее относительный объем частицы: у от _ у^ у' + у^ | (обьемпое содержание частиц) и выполнив в выражении ((>) соответствующие преобразования, получим:
/,=а.(МУГ),/3)/(УГ),/3-
Соответственно, расстояние между центрами частиц 1С -2/?, имеет вид
/с=1/(^“),/*. (8)
Для перемещения дислокации в матрице сплава с частицами приложенное напряжение должно быть достаточным, чтобы изогнуть дислокацию в полукруглую петлю. Наименьший радиус кривизны изгиба дислокации поддействнем поля внутренних напряжении т определяется как
«„=С„|6|/2т,. 191
Для межчастичного расстояния /у напряжение т, необходимое для прогибания дислокации, получается из соотношения
Т,=0.151//,. (10)
Если приложенное напряжение достаточно лля создания дислокационной петли радиусом Я0= 1/2, то петля сможет увеличиваться без дальнейшего повышения напряжения. Для оценки пределов /д. можно использовать пределы текучести матрицы т.-С./ЮОО как минимального напряжения, необходимого для «продавливания» дислокации между частицами. В качестве максимального напряжения берем теоретическое значение напряжения сдвига матрицы тг -т *аСт/30для ГЦК металлов и т,=С„/10 для ОЦК металлов. Подставляя данные величины и значение вектора Бюргерса |Б| =0,3 нм в выражение (10), получим, что для эффективного модифицирования металла расстояние между частицами /ч должно лежать в пределах 0,01 - 0,3 мкм. Указанные
ОМСКИЙ КАУЧММЙ МОИМ* У Э ЛИ 200*
требования накладываютограничения на объемное содержание дисперсной фазы, которое должно быть малым: Уч= 0,1 %.
Таким образом, уровень дисперсности частиц должен быть высоким. Отмеченным требованиям удовлетворяют порошки с наночастицами дисперсностью 10-100 им, изготовление которых в настоящее время осуществляется с помощью плазмохимического синтеза,
Положи тельное действие наночастиц при упрочняющем модифицировании предполагает существенное измельчение размера микрозерен. Вклад размера микрозерен , в характеристику разрушения металла при напряжении, рапном пределу текучести о,, может быть оценен по соотношению |2)
ИИ
где кТ— константа, характеризующая вклад границ зерен п прочность, Р — характеристика напряженного состояния, Сш модуль сдвига, у — энергия поверхности трещины.
Поскольку предел текучести взаимосвязан с размером зерна известной формулой Петча-Холла
ог =о/ + к>-с1|
1/7
(121
где а — внутреннее напряжение, учитывающее сопротивление движению дислокаций; к1— коэффициент наклона в уравнении Петча-Холла, связывающий дл и сг то тогда
(о, сО
(13)
где т и р — константы, определяемые экспериментально. Если /“СОДА-/, У~спп<,1 и ДГ=согЫ, то количество твердой фазы в объёме кристаллизующейся жидкости V,,, согласно расчётам Л. Н. Колмогорова,
(15)
Температура перехода оч вязкого разрушения к хрупкому также связана с размером зерен: Гмг(, = А*
• где Л — константа
При уменьшении размера зерен с/, их относительная поверхность будет увеличиваться, а углы раз-ориентировки уменьшаться. В результате уменьшается количество вредных примесей на границах зерен и, соответственно, увеличивается пластичность |2.3}.
Таким образом, любые факторы, вызывающие изменения соотношения между о(, Кг К1 и будут оказывать влияние на прочность и пластичность. Большинство легирующих элементов, увеличивающих сопротивление разрушению, уменьшает показатель размера зерна на большую величину, чем повышение предела текуч ости, и поэтому мелкозернистые металлы более пластичны. При одинаковых размерах зерен и рапных пределах текучесги запас прочности металла будет определяться вкладом зёрен КТ в энергию разрушения. Преимущества металлов и сплавов с мелкозернистой структурой могут быть достигнуты только в том случае, когда уменьшение размеров зерна сопровождается повышением показателя, характеризующего вклад зёрен в прочность. Следовательно, решение задачи упрочняющего модифицирования заключается в управлении двумя взаимосвязанными процессами: измельчении структурных составляющюс и повышении энергии связи зёрен Известно, что скорость зарождения це»ггров кристаллизации / связана со скоростью кристаллизации Vпропорциональной зависимостью, а размер кристаллов связан со скоростью кристаллизации степенной функцией, графически отображаемой в виде ниспадающей ветви параболы [4|
где 0) — параметр, зависящий от степени переохлаждения, времени, примесей и числа кристаллов.
Б, Б. Гуляев предложил размер зёрен с/, после кристаллизации расплава оценивать по следующей формуле |4]
с# , «= 1,093
(161
Подставляя значения V и / из работ (5, б) и вводя /С = 1,093(К1//СД) получим
= к
ехр(-1/,/КТ)схр(-Е?ГЛТ) ехр(-С/а / Я Т)ех р(Но3 / ТДТ11
(17)
Преобразуя (17) и учитывая, что Е* * 10 1 -Я-о1 и Д Тв присутствие ЩЗМ и приведённом размере отливки И>60 мм не превышает 10 *С |4), то величиной Е* -Д7‘ можно пренебречь, тогда
Аехр(^~г^)ехр(Яо'/ТАГ;).
п /
(18)
ё3 = лп‘У
(14)
Из (18) следует, что при уменьшении разности между энергией активации зарождения и роста кристаллов [И2 С/,), уменьшении ст и увеличении ДТраз-
мер кристаллов будет уменьшаться. Первый сомножитель уравнения (18) характеризует действие факторов, тормозящих рост кристаллов, а второй сомножитель — действие факторов, способствующих росгу кристаллов. Каждый из сомножителей в координатах размер зерна <*, — содержание модификатора (11ЛВ) могутбыть представлены двумя противоположно направленными экспонентами, тогда результирующая кривая будет иметь экстремум с d Положение этого экстремума, определяемое влиянием величин ((/,— и,) и ДТв совокупности, в реальных условиях практики может изменять своё положение в широких пределах. Этим, очевидно, и объясняется низкая стабильность э<|>фектов модифицирования, наблюдаемая в практике применения ПАВ. Так как ПАВ увеличивают разность (1/, — У,) и размер зерна должен возраста л., но уменьшение о вызовет измельчение зёрен. В то же время, если ПАВ активирует частицы твёрдой фазы, то ДТ будет уменьшаться, и Это должно сопровожда ться увеличением с/.,.
Таким образом, для измельчения зерна сплава необходимо чтобы разность (Ц—(;,) и величина а были минимальными, а ДТ — максимальным. Эти условия могутбыть выполнены при модифицировании растворимыми добавками ПАВ и (или) РЗМ совместно с наночастицами тугоплавких соединений с радиусом г<г>А). И этом случае кристаллизация должна начинаться с меньшим энергетическим барьером, но и с уменьшением ДТ. Если учесть, что в реальных условиях ДТ не превышает 10-20 "С, а а может Снижаться значительно, то и размер зёрен с/ , должен существенно уменьшаться. Увеличение количества активных центров кристаллизации буде т сопровождаться повышением кооперативности роста зёрен, что, согласно работе |3|. приводит к уменьшению углов их разориентировки и повышает количество узлов совпадения атомов кристаллических решеток
на границах зёрен и увеличению прочности металла при комнатной и повышенных температурах.
Таким образом, при модифицировании наночас* тицамитугоплавких соединений совместно с поверх-нпстио-активными веществами можно ожидать существенного повышении прочностных и пластических свойст в металла одновременно.
ЬиОлнографнчески А список
1 Кли (’ Ч . Хаоэеи П. Физическое метлАлонедснис. Фазовые ПрОпращеННИиМШаЛЛаХИСПЛЛМХСОСОбиМИфНЗНЧеСКНМНСПОО-симми - М. Металлургия. 1987 — I 2. -62-1 с.
2 Столофф Н.О Влияние легирования ил характеристики разрушения // Разрушение мсгаллов: пир. с лиг. / под род М Л Бср штеИна. — М : Металлургия, 1976 - Т. 5 — С. 11 —85.
3 Бабаскин 10.3. Структура и своЛспм дню» стали. — Кие» НЛУК.ДУМКЛ, 1У80. - 240 с
4 I улясп В.Б. Теория лктойпых процессов. - Л.: Машино* строение, 1976, — 214с
5 Флеминге М Процессы затвердевания / нер с аш. под ред. ДА Жукопл и П В. Рабиновича. — М.; Мир. 1977 — 424 с 6, ГитЫП I). ГсЧ1гуо!сл1лП5е5пис1еаПопЬу8иг1апс1ера1сЬе5-Л.СЬот РИуя,-1952-20. - №8, - Р 411-418,
ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктортехнических наук, профессор, заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства», директор машиностроительного института Омского государственной) технического университета.
ЕРЁМИН Андрей Евгеньевич, гехннческийдиректор Центра управлении проектом строительства магистрального нефтепровода «Восточная Сибирь Тихий океан».
Адрес для переписки: О-МОДО. г. Омск, пр. Мира, 11.
Стлткя поступила о редакцию 25.05.2000 г.
& П. II. Ербмнн, Д. Е. Еремин
УДК 669.046.516:621.791.793 £ Ц. ЕРЁМИН
Омский государственный технический университет
ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ_________________________________
Предложено для изготовления кольцевых заготовок из жаропрочных сплавов, используемых в энергетических установках, применять электрошлаковую сварку комбинированным электродом с модифицированием металла шва дисперсными частицами карбонит рида титана. Приведены результаты исследований металла шва при сварке сплава ХН7 7 ТЮР. Показаны преимущества новой технологии сварки.
Ключевые слова: электрошпаковая сварка, модифицирование, жаропрочный сплав, структура, механические свойства
Потребность современного производства в заготовках из жаропрочных сплавов исключительно целика. Особенно широко они примениюгея вдвига-тслсстроенни. Гак, например, в газотурбинных двигателях кольцевые д<*тали из таких сплавов составляют?.') 30% общего веса двигатели 111. Производство заготовок таких изделий в сварном варианте позволяет существенно повысить коэффициент использовании дорогостоящих сплавов (КИМ), Однако такие сплавы обладают низкой свариваемостью и поэтому мготовки изготавливаются большей частью различными методами горячего передела — ковки, прошивки, раскатки, что обусловливает высокую трудоемкость их получении и низкий КИМ Применение таких технологических процессов является вынужденным решением, к которому прибегают из-за низкого качества сварных соединении. Поэтому изыскание технологии изготовления таких заготовок в сварном варианте является весьма актуальной задачей.
В этом отношении перспективно применение электрошлаковой сварки комбинированным электродом, осуществляемой одновременным вводом в шлаковую ванну неплавящегося и плавящегося электродов, обеспечивающей однопроходную сварку конструкций различной тлщины.
Отработка технологии электрошлаковой сварки комбинированным электродом проводилась на образцах из сплава ХН77ТЮРтолщиной 22 43 мм. В качестве пеплавящется электрода использовался вольфрамовый пруток диаметром 10 мм. Плавящимся электродом служила проволока ЭП-533 диаметром 3 мм
При сварке жаропрочных сплавов большое влияние на качество металла шва и его формирование оказывают флюсы. Наименьший угар титана и алюминии — основных легирующих элементов жаропрочного сплава, образующих у*-фазу, обеспечивают флюсы А11Ф-7, А11Ф-1. Поэтому их чаще используют при сварке сплавов, легированных этими элементами |2|. Однако флюс АНФ-7 гигроскопичен, что
