CC BY
27
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ / PHYSICS AND MATHEMATICS
Баранов М.А.1, Щербаков В.М.2
'Доктор физико-математических наук, профессор, Алтайский государственный технический университет; 2 старший преподаватель, Алтайский государственный технический университет;
РОЛЬ ПРЕВАЛИРУЮЩЕЙ ФАЗЫ В ФОРМИРОВАНИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПЛАВОВ СЛОЖНОГО
ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
Аннотация
С целью повышения эффективности прогнозирования показателей механических свойств (ПМС) сплавов сложного химического состава разработан метод, основанный на сопоставлении имеющихся экспериментальных данных о ПМС с вычисляемыми параметрами состояния их наиболее податливой, связующей и превалирующей фазы. Применение метода перспективно для предвидения свойств металлических покрытий, получаемых ионной имплантацией, напылением, наплавкой. Ключевые слова: механические свойства, корреляция, химический состав.
Baranov M. A.1, Shcherbakov V, M.2
'PhD in Physics and mathematics, professor, the Altay State Technical University; 2 senior teacher, the Altay State Technical
University;
ROLE OF PREVAILING PHASE IN FORMATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF ALLOYS OF COMPLEX
CHEMICAL COMPOSITION
Abstract
With the purpose of increasing of forecasting efficiemy of mechanical properties indicators (MPI) of alloys of complex chemical composition the method based on comparison of available experimental data about MPI with calculating state parameters of their most soft, binding and prevailing phase is worked out. Application of the method is perspective for prevision of properties of the metal coverings received by ionic implantation, deposition, fusion.
Key words: mechanical properties, correlation, chemical composition.
Понимая механические свойства (МС) материала как его отклик в виде пластической деформации на внешние механические воздействия, легко прийти к выводу, что показатели механических свойств (ПМС) невозможно измерить при испытаниях, допускающих лишь упругие деформации. Эти показатели не поддаются и прямому вычислению методом, например, атомнодискретного моделирования. Однако применение этих методов для определения величин, коррелирующих с ПМС, вполне возможно и оказывается весьма эффективным инструментом создания материалов с заданным набором свойств. Очевидно, что при приложении нагрузки к материалу пластическая деформация реализуется в его «самом слабом звене»- фазе, наиболее склонной к пластической деформации. Как правило, такая фаза представлена плотноупакованной кристаллической решёткой с большим числом систем скольжения. В большинстве промышленно выпускаемых сталей и сплавов это а или у фаза - многокомпонентный неупорядоченный твёрдый раствор на основе ОЦК или ГЦК решётки. Именно она связывает в единый конгломерат более твёрдые составляющие материала - карбиды, нитриды, бориды, интерметаллиды. Высокая податливость, связующая функция, а зачастую и превалирующая доля этой фазы позволяют рассматривать её в качестве основной. Упрочнению основной фазы (ОФ) неупорядоченных сплавов и сталей способствует не только наклёп, ультрадисперсные включения и границы зёрен, но и такой специфический фактор как искажения решётки, обусловленные несимметричным локальным окружением каждого из атомов. Важнейшим свойством подобного рода искажений является то, что они не исчезают при нагреве ОФ вплоть до температуры её распада. Под микросостоянием ОФ понималось равновесное взаиморасположение атомов различных сортов. Оно воссоздавалось методом атомно-дискретного моделирования [1, 2] исходя из химического состава ОФ, который, в свою очередь, определялся составом сплава и режимом термообработки. В качестве макроскопических параметров состояния ОФ рассматривалась величина энергии связи Есв в расчёте на атом и среднее смещение атомов Sm относительно узлов геометрически правильной решётки. Эти параметры определялись в процессе усреднения микросостояния. Поскольку ПМС правомерно рассматривать в качестве параметров состояния материала в целом то между ними и параметрами состояния ОФ должна существовать хотя бы корреляционная взаимосвязь. Данное утверждение принималось в качестве рабочей гипотезы. Для её проверки нами были воссозданы микросостояния у фазы 26 промышленно выпускаемых конструкционных и инструментальных сталей и сплавов аустенитного класса [3] после закалки. Последнее обстоятельство позволило считать химический состав ОФ эквивалентным составу сплава, который, в свою очередь, мог содержать до 18 элементов. Проекция одного из микросостояний приведена на рисунке 1, где векторы смещений атомов относительно узлов идеальной решётки для наглядности увеличены в 25 раз. ПМС аппроксимировались достаточно простой, но адаптивной функцией вида
МС (Sm, ЕСВ) = p0 ^ p\ЕcВSm ^ p2ЕСВ ^ p3Sm (1)
Значения коэффициентов p0, рь р2, p3 для рассматриваемого класса материалов подбирались из условия максимальной близости рассчитываемого по формуле (1) набора значений определённого МС к соответствующему экспериментальному набору. Полученные корреляционные функции для четырёх МС представлены на рисунке 2 в виде линий постоянных значений в одинаковом масштабе переменных Sm и Есв.
5
Рис. 1. Микросостояние у фазы стали 45Х14Н14В2М
Среднее относительное отклонение ПМС на приведённых на рисунке 2 номограммах от соответствующих экспериментальных данных составляет ~ 8%. Данное обстоятельство подтверждает справедливость выдвинутой гипотезы и тем самым открывает возможность решения т.н. прямой и обратной задач. Прямая задача заключается в предсказании ПМС материала в зависимости от исходного состава сплава и режима последующей термообработки. Некорректно поставленная обратная задача заключается в определении состава ОФ или состава сплава в целом и режима его последующей термообработки в зависимости от требуемого набора показателей МС. Оба типа задач решаются посредством атомно-дискретного моделирования микросостояния ОФ.
6
Рис. 2. Зависимость корреляционных функций, описывающих ПМС закалённых сталей аустенитного класса от параметров
состояния у фазы; а) - предел текучести а02; б) - предел прочности аВ; в) - относительное удлинение 5; г) - твердость НВ.
Наиболее значимым результатом настоящего исследования следует считать то, что корреляции между ПМС и состоянием ОФ наблюдаются одновременно для всех четырёх свойств. Это позволяет надеяться на существование подобных корреляционных зависимостей как для других классов материалов так и для других МС. В частности, развитый подход перспективен, например, для предвидения твердости металлических покрытий, созданных различными методами - СВС, плазменной, индукционной и дуговой наплавкой, ионной бомбардировкой и др.
Литература
1. Баранов М.А. Сферическая симметрия электронных оболочек атомов и стабильность кристаллов // Электронный физикотехнический журнал. - 2006. - Т.1. в.1. - С 34-48. http://eftj.secna.ru /0501/06013r.pdf.
2. Баранов М.А., Дубов Е.А. Поля атомных смещений в кристаллах неупорядоченных сплавов ХН35ВТ И ХН35ВТЮ// Физика металлов и металловедение. - 2007. - Т. 104, № 3. - С. 314-318.
3. Марочник сталей и сплавов. [под ред. А.С. Зубченко]. М.: Машиностроение, 2003. - 783 с.
Белашов А.Н
Автор более 60 изобретений, одной константы, двух физических величин и более 25 законов физики в области электротехники, электрических явлений,гидродинамики, механизма образования планет и Галактик нашей Вселенной.
E-mail: aleksey@belashov.info Сайт: http://www.belashov.info НОВЫЕ ЗАКОНЫ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ФОРМУЛЫ ПО ГИДРОДИНАМИКЕ
Аннотация
Статья посвящена открытию новых законов гидродинамики определяющих момент силы, работу, энергию и период времени необходимый для перемещения одного исследуемого слоя водного потока или жидкой смеси проходящего по переменному сечению русла реки или трубопровода. По новым законам и математическим формулам гидродинамики, с учётом общих потерь в переменном сечении горизонтальной трубы или устье реки, можно определить момент силы, работу и энергиюжидкой смеси проходящей по переменному сечению реки или трубопровода. Эти законы нужны для того чтобы глубже разобраться в механизме перемещении жидкости по переменному сечению русла реки или трубопровода, где часто используют закон Бернулли, который являетсякак бы, следствием закона сохранения энергии. При этом необходимо отметить, что закон Даниила Бернулли не соответствует размерным единицам физических величин и не учитывает множество потерь при перемещении водного потока или жидкой смеси по переменному сечению трубопровода, и тем более, данный закон не может определить момент силы, работу или энергию водного потока перемещающегося по руслу реки.
Ключевые слова: формулы, гидродинамика.
Balashov A.N.
Author of more than 60 inventions, one constant, two physical quantities, and more than 25 of the laws of physics in the field of electrical engineering, electrical phenomena, fluid dynamics, the mechanism of the formation of planets and galaxies in our universe.E-mail:
aleksey@belashov.infoWebsite: http://www.belashov.info NEW LAWS AND MATHEMATICAL FORMULAS ON HYDRODYNAMICS
Abstract
The article is dedicated to the discovery of new laws of hydrodynamics defining moment of force, work, energy and time required to move one of the layer of water flow or liquid mixture flowing in the variable section of the river channel or pipe. According to the new laws of hydrodynamics and mathematical formulas, considering the total loss in the AC section or the horizontal tube, the mouth of the can to determine torque, work and energy of the liquid mixture passing through the variable section of the river or pipe. These laws are necessary in order to better understand the mechanism of movement of the fluid in the variable section of the river channel or pipeline, which often use Bernoulli's law, which is, as it were, a consequence of the law of conservation of energy. It should be noted that the law of Daniel Bernoulli does not meet the dimensional units ofphysical quantities and do not take into account a lot of losses in water flow or movement of the liquid mixture in the variable section of the pipeline, and even more so, the law can not determine the moment offorce, work or energy of moving water flow the bed of the river.
Keywords: formula, hydrodinamics.
Гидродинамика - раздел гидравлики, в котором изучаются законы движения несжимаемой жидкости и её взаимодействие с неподвижными и подвижными поверхностями. С точки зрения механики, жидкостью называется вещество, у которого в равновесии отсутствуют касательные напряжения. Жидкость обладает свойствами течь и принимать форму сосуда, в который она наливается или принимать форму неподвижной или подвижной поверхности, через которую она проходит. Методами гидравлики можно исследовать также движение газов, если скорость этого движения значительно меньше скорости звука, так как при скорости движения газа, близкой к скорости звука или превышающей её, начинает играть заметную роль сжимаемость газа, где методы гидравлики уже неприменимы. Практические применения гидродинамики чрезвычайно разнообразны. Гидродинамикой пользуются при проектировании кораблей и самолётов, расчёте трубопроводов, насосов, гидротурбин и водосливных плотин, при исследовании морских течений и речных наносов, изучении фильтрации грунтовых вод и нефти в подземных месторождениях и так далее...
7
