Научная статья на тему 'Теоретические основы управления механическими свойствами металлов и сплавов в модульных технологиях машинои приборостроения'

Теоретические основы управления механическими свойствами металлов и сплавов в модульных технологиях машинои приборостроения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

164
37
Поделиться

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Бутенко В. И., Сущенко А. А., Захарченко А. Д., Пушкарный А. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Теоретические основы управления механическими свойствами металлов и сплавов в модульных технологиях машинои приборостроения»

УДК.621.793.6.:536.5

В.И. Бутенко, А. А. Сущенко, А. Д. Захарченко, А.В. Пушкарный

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ В МОДУЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

МАШИНО- И ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

В современном машино- и приборостроении все большее применение находит новый тип технологий - модульная технология, принципы построения которой разработаны в институте машиноведения им. А.А. Благонравова РАН. Сущность модульной технологии заключается в том, что любое изделие, состоящее из сборочных единиц и деталей, может быть представлено структурированным множеством модулей поверхностей и модулей соединений. Это позволило разработать типовые модули процессов изготовления изделий в машино- и приборостроении и модули технологических средств их осуществления, из которых компонуются соответственно модульные технологические процессы и технологические системы. В общем виде модульный технологический процесс аккумулирует в себе преимущества известных технологий: единичных, типовых, групповых. Например, модульный технологический процесс как единичный процесс учитывает специфику конкретного изделия, как типовой процесс использует принципы типизации на уровне блоков технологического процесса и как групповой процесс решает задачу организации партий из разных обрабатываемых деталей, но отличающихся общностью содержащихся в них модулей.

Модульные технологии обладают гибкостью и позволяют осуществлять в условиях современного широкономенклатурного производства быстрый переход на выпуск новых изделий при минимальных издержках. Однако отсутствие в настоящее время реальных путей управления механическими свойствами металлов и сплавов на стадиях изготовления и эксплуатации изделия во многом сдерживает развитие модульной технологии, особенно в направлении решения проблемы повышения прочности, надежности и качества производимой продукции. В связи с этим разработка теоретических основ управления механическими свойствами металлов и сплавов становится актуальной металловедческой и технологической задачей современного машино- и приборостроения.

Исследования последних лет /1-3/ показали, что в основе управления механическими свойствами металлов и сплавов лежит дислокационная структура конструкционных материалов, чутко реагирующая на любые внешние воздействия. Установлено, что эксплуатационные показатели металлов и сплавов (усталостная прочность, износостойкость и др.) определяются скоростью изменения дислокационной структуры, зависящей от первоначального закрепления дислокаций в кристаллах и их подвижности. Вводится понятие релаксационной стойкости дислокационной структуры материалов, представляющее собой разность между плотностью дислокации р, полученной после снятия с детали внешней нагрузки, и начальной плотностью дислокации рнач.

Если в течение некоторого времени т в материале под действием нормируемой величины внешних напряжений сн (или другого деформационного воздействия) плотность дислокации изменяется от рнач до р(сн), то общее число заторможенных дислокаций с вероятностью р(У) определяется по формуле /1/

р(° н )=р

г

нач

Л

1 -V V•'Т,

ехр

(1)

где V - рассматриваемый единичный объем материала;

V - средняя объемная скорость движения дислокации в материале.

Релаксационная стойкость сформировавшейся дислокационной структуры Ар определяется из формулы:

(

(1 - |Д)с

1 -

V

( г

\ехр

ехр

1-

1 эф

уУУ

1 - Ро ехР

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

и о - и (И л К о •е

Л

С ( С'

Си ехРI -_е1-1

, (2)

где ц - коэффициент Пуассона;

г - радиус кривизны изогнутой вокруг частицы дислокации;

/эф - эффективное расстояние между поверхностями частиц выделений;

р0 - начальная вероятность остановки дислокации, обусловленная наличием примесей в материале;

и0 - величина, принимаемая равной 226 епл при хрупком разрыве материала и 166 епл при пластическом его оттеснении(епл - температура плавления материала);

К0 - постоянная Больцмана;

е - температура, при которой определяется релаксационная стойкость дислокационной структуры материала;

и(Н) - величина и0 , соответствующая положению дислокации на глубине И от поверхности материала.

Известно, что важнейшей характеристикой качества поверхностного слоя обработанных деталей, влияющей на их эксплуатационные свойства является показатель дислокационной насыщенности Кр /2/, представляющий собой отношение текущего значения плотности дислокаций р (сн) к ее исходной величине рисх. Между показателем дислокационной насыщенности К(р) и релаксационной стойкостью дислокационной структуры Ар существует зависимость вида

К =р нач +Ар . (3)

р исх

Исследования показывают, что внутренняя энергия материала Т также находится в функциональной зависимости от показателя релаксационной стойкости дислокационной структуры Ар и выражается формулой

т

( о • ьк 2

4п(1 - ц)

+ ьк -с0 • Ь

г0

(Кр • р исх + Ар ) ,

(4)

где О - модуль сдвига материала;

Я - величина, принимаемая равной половине среднего расстояния между дислокациями; го - радиус ядра дислокации;

Ьк- вектор Бюргерса;

со- напряжение внутри деформированного материала;

Ь - максимально возможное перемещение дислокации в материале.

Если учесть известную зависимость между пределом текучести материала ст и плотностью дислокации р(сн) /4/

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ст = с0 + а • ьк ■О(р(сн))1/2, (5)

где а - коэффициент, учитывающий вклад разных механизмов торможения дислокации в материале, то из формулы (4) легко получаются выражения для определения модуля упругости Е и модуля сдвига О:

Е = 2(1 + цХСт с0) . о =______ст с0___________ (6)

а • Ьк • (Кр • р исх + Ар )1 а • Ьк ' (Кр •р исх + Ар) '

Используя формулы (3), (5) и (6) применительно к конкретным

обрабатываемым материалам, можно управлять механическими свойствами металлов и сплавов при разработке модульных технологий в машино- и приборостроении. При этом, особую значимость приобретают металловедческие пути обеспечения заданной дислокационной структуры металлов и сплавов и технологические методы достижения оптимальной величины показателя дислокационной насыщенности Кр, являющегося комплексным показателем механических свойств материала /2/.

Создание теории управления механическими свойствами металлов и сплавов позволит разработать функционально-параметрическую модель

самоорганизующейся дислокационной структуры материала с трибоэнергетической приспосабливаемостью и решить ряд практических задач. Так, например, теория управления механическими свойствами металлов и сплавов может найти применение при исследовании напряженного состояния материала гибких элементов волновых передач, широко используемых в машино- и приборостроении.

Известно, что деформированное напряженное состояние гибкого элемента волновой зубчатой передачи в значительной степени влияет на работоспособность всей передачи. В связи с этим разработана методика теоретического определения напряженного состояния материала гибких элементов с использованием гибких

колес и тонких упругих оболочек. Ее практическое использование позволило получить формулы для вычисления максимальных и минимальных напряжений изгиба, а также выполнять анализ напряженного состояния материала в зависимости от условий разрушения.

Таким образом, впервые в теории и практике машино- и приборостроении решение вопросов повышения эксплуатационных свойств конструкционных материалов увязывается с релаксационной стойкостью их дислокационной структуры. Полученные теоретические зависимости показателей механических свойств металлов и сплавов от релаксационной стойкости дислокационной структуры материалов позволят определить эксплуатационно-технологические пути обеспечения заданной конструкционной прочности, износостойкости и надежности изделий. Выполненные теоретические исследования процессов управления механическими свойствами металлов и сплавов явятся дальнейшим развитием теории дислокаций при создании модульных технологий в машино- и приборостроении, обеспечивающих ускоренное внедрение в производство прогрессивных технологических и эксплуатационных мероприятий по повышению эффективности металлообработки.

1.Бутенко В.И., Чистяков А.В., Сухарников А.В. Теоретические основы

конструкционной упругости материалов /В кн.: Технология и механизация

горнопроходческих работ. - Новочеркасск: НГТУ, 1997.

2.Бутенко В.И., Морозов О.В., Пушкарный А.В. Комплексный показатель для технологического обеспечения и прогнозирования износостойкости деталей // Известия ТРТУ, Таганрог,1997, N1.

3.Бутенко В.И. Металловедческие основы конструкционной упругости стали и сплавов. - Таганрог: РИО ТРТУ, 1995.

4.Металловедение: Учебник для ВТУЗов / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. -М.: Машиностроение, 1986.