Вплив інтерметалідних включень на міцнісні властивості алюмінієвих сплавів Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

М.: Машиностроение. - 2002. - №9. - С.5-8.

5. Kalafatova L. Diagnostics of qualitative performances of products from engineering cetalls // Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji. - Poznan: Komisij budowy maszyn PAN. - 1997. - Vol. 17, № 2. - Р. 107-116.

6. Гусев В. В. Влияние структурных и обработочных дефектов на прочность керамики // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Сб. научн. трудов. - Донецк: ДонГТУ. - 2000. - Вып.10. - С.63-71.

7. Патент на винахд. Украша (UA). 54942 С2 7 В24В 19/ 00. Споаб шлiфування тш обертання з прямолшшни-ми i криволшшними твiрними. / Вяльцев М. В., Гусев В. В., Молчанов О. Д., Покаленко Д. В., ^рченко О. В. (Украша) - №2002054348. Заявлено 28.05.2002. Опуб-лжовано 17.01.05. // Бюл. №1 17.01.2005г. - 6 с.

Одержано 14.06.2007

УДК 669.715

Д-р техн. наук I. П. Волчок1, д-р физ.-

До^джено вплив особливостей процесу шлiфування крупногабаритних eupo6ie складноi просторовог форми, насамперед, вiбростiйкостi системи «верстат-пристрш - заготовка» на точнiсть i яюсть обробки.

The influence of grinding process distinctive features of complex space form large-sized workpieces on the machining accuracy and qualitative performances is investigated. These are: vibro stability of the system «machine-tool-work-piece».

мат. наук В. П. Силованюк2, канд. тех. наук О. А. М^яев1, Н. А. 1вантишин2

1Нац1ональний техшчний ушверситет, М. Запор1жжя 2Ф1зико-механ1чний шститут ¡м. Г.В. Карпенка НАН Укра'ши

ВПЛИВ 1НТЕРМЕТАЛ1ДНИХ ВКЛЮЧЕНЬ НА М1ЦН1СН1 ВЛАСТИВОСТ1 АЛЮМ1Н1СВИХ СПЛАВ1В

ства обработанной поверхности за счет правильного выбора входных параметров технологического процесса.

Перечень ссылок

1. Суздальцев Е. И. Радиопрозрачные, высокотермостойкие материалы XXI века // Огнеупоры и техническая керамика. - 2002. - №3. - С. 42-50.

2. Исследование влияния режимов механической обработки ситаллокерамических изделий в системе: станок -изделие-инструмент-схема / Е.И. Суздальцев, А.С. Ха-мицаев, А. Г. Эпов и др. // Огнеупоры и техническая керамика. - 2003. - №7. - С. 23-30.

3. Гусев В. В., Калафатова Л. П., Поколенко Д. В. Влияние виброустойчивости системы шлифования на структуру дефектного слоя ситаллов // Резание и инструмент в технологических системах. Международный научно-техн. сборник. - Харьков: НТУ «ХПИ», вып. 70, 2006. - С. 154-161.

4. Калафатова Л. П. Прогнозирование качества поверхностного слоя при обработке изделий из технических ситаллов // Приложение № 9 к журналу «Инженерный журнал. Справочник » Инженерия поверхности. -

Запропоновано математичну модель, яка дозволяе прогнозувати мщтсть гетерогенних алюмтевих cmaeie.

Вступ

Алюмшiевi сплави знаходять широке використан-ня в авiацil, космiчнiй техшщ, машинобудуванш та шших галузях. Виробництво алюмшш та його сплавiв в Укра!ш зараз перевищуе 200 тис. тонн за рщ з них близько 45 % е вторинними металами, що виробляються з брухту та вiдходiв виробництва. На вiдмiну ввд первинних, вторинш сплави мають бшьш низьку собiвартiсть, технологiя 1х виробництва е бшьш чистою, але вони забруднеш залiзом, магнiем та шшими небажаними металами та продуктами роз-паду при плавленнi пластмас i мастил. Внаслiдок цьо-го в структурi вторинних алюмiнiевих сплавiв форму-ються iнтерметалiднi фази, як1 значною мiрою знижу-

© I. П. Волчок, В. П. Силованюк, О. А. М1тяев, Н. А. 1вантишин,

ють 1х механiчнi та службовi властивостi.

Мета роботи полягала у вивченш механiзмiв руй-нування вторинних силуштв та оптишзацй технологий тдвищення мiцнiсних властивостей цих сплавiв.

Експериментальш дослiдження

Об'ектом дослiджень обрано сплав АК8М3, шихта якого при плавленш в полуменевiй двокамернiй печi вiдбивального типу EHW5000 eмнiстю 5,5 m склада-лася цiлком з брухту та вiдходiв виробництва. Плав-лення здiйснювали за прийнятою технолопею пiд по-кривним флюсом складу 33 % KCl; 67 % NaCl з на-

2007

ступною обробкою розплаву ушверсальним флюсом складу: 15 % KCl; 45 % NaCl; 40 % AlF3.

Шсля розплавлення, одержання потр!бно! темпе-ратури та вiдбору проб на хiмiчний аналiз з метою змiни форми штерметалщних фаз з пластинчасто! на компактну та зменшення !х розмiрiв, а також з метою дегазацп розплаву проводили модифiкування шляхом вводу модифжатора [1], у зростаючих кшькостях (0...0,1%) за допомогою спецiального пристрою.

За даними металографiчного аналiзу та експери-ментальних дослiджень модифiкування призвело до збiльшення мiцностi на 17 %, пластичносп на 80 %, твердосп на 23 % i ударно! в'язкостi на 50 % через зниження параметра форми штерметалвдних фаз X (ввдношення максимального розмiру до мшмально-го) з 5,5 до 1,7 (табл. 1, рис. 1).

Аналiз мжромехашзму руйнування при розтязi плоских зразкiв-шлiфiв показав, що першi мшротрь щини зароджувалися на штерметалщних включениях, що мали плоску форму та велик! розмiри, а також у мюцях !х скупчення (конгломератах) (рис. 2 а, б). При подальшому навантаженнi мжротрщини, що утвори-лися в iнтерметалiдах, переходили в металеву матри-цю (рис. 2, в).

Для того, щоб проаналiзувати вплив !нтерметал1д-них фаз на властивосп сплаву АК8М3 з позицп меха-нши руйнування необхвдно знати механiчнi властивостi цих фаз. За даними лгтератури i металографiчнош ана-л!зу основними фазами в сплавах типу АК8М3 е !нтер-металвди Al5SiFe, Al7FeCu2, Al2CuMg та шш!. У ваку-умнш шдукцшнш печ! ОКБ-862 було виплавлено за сте-х1ометричним стввщношенням елеменпв фазу Al5SiFe. З розплаву у вакуум! 2{1001 мм рт. ст. було ввдлито зраз-ки для мехашчних випробувань на розтяг та на зсув. За результатами випробувань фаза Al5SiFe мала так1 по-

казники: ств = 10 ±0,4, <^ср = 10±0,4 МПа, 5 = 0, модуль Юнга Е= 30 ГПа.

Математична модель MaTepi^y з включеннями

Моделюемо алюмiнieвий сплав з штерметалщни-ми включеннями неск1нченним тiлом, що мютить пе-рiодичну систему однакових за мехашчними i геомет-ричними параметрами компланарних цилiндричних включень (рис. 3). Вщстань мiж центрами включень 2ё. На нескiнченностi прикладенi зусилля розтягу штенсивносп р, направленi тд прямим кутом до пло-щини розмiщення включень. Зазначимо, що така схема вiдповiдае найбiльш сприятливим для руйнування вiд зусиль розтягу умовам, оск1льки включення у па-ралельних площинах якими знехтувано, змiцнюють тiло в порiвняннi з компланарним !х розмiщенням. Таким чином, вщхилення моделi вiд реально! ситуацп пiде в запас мiцностi матерiалу

б

Рис.1. Вплив модиф1кування на структуру сплаву АК8М3 (х 200):

а - без модифжатора; б - 0,05% модифжатора

а

Таблиця 1 - Вплив модифтатора [1] на властивосп сплаву АК8М3 (термообробка Т5)

Кшьюсть СТВ, 5, Середнш параметр Кшьюсть Середня ввдстань м!ж

модифжатора МПа % форми штерметал!дних включень, центрами включень,

[1], мас.% фаз, X шт./мм2 мкм

0 155 0,5 5,5 180 74,6

0,025 172 0,7 3,6 206 69,4

0,05 182 0,9 1,7 240 64,5

0,075 180 0,9 2,1 232 65,8

0,1 178 0,7 2,7 223 67,1

Рис. 2. Зародження 1 розповсюдження мжротрщин (х 900)

СТ * =

2к

(2)

де и

у

- стрибок перемiщень поверхонь включень;

Еу - модуль Юнга включения.

*

Перемщения поверхонь включень иу подамо у виглядi суми перемiщень цих поверхонь в однорщно-му (без включень) тш и° i перемiщень иу берепв математичних розрiзiв (трщини) довжиною 2а пiд дiею внутршнього тиску р. Перемiщения и ° визна-

чаються у спосiб наведений нижче.

Прикладенi до однорiдного несшиченного тiла зу-силля розтягу р викликають у ньому поле перемщень в напрямi осi у

и0 = ^

у Е

(3)

Враховуючи, що поверхня включень елштична, перемщения точок цих поверхонь будуть, очевидно, такими:

0 ± Рс 1 х 2 и 0 = ±1 -

(4)

Вважаемо, що поперечнi перерiзи включень обме-женi кривими, що описуються рiвияниям

к(х) = — Vа2 -;

X

(1)

тобто е елiпсами з твосями а i с (а > с); X = а/с.

Осшльки жорстшсть включень майже у два рази нижча за жорстк1сть алюмшево! матрищ, то реакцiю включень на зовшшш навантажения одноосного розтягу представимо на основi моделi типу Вшклера [2]

Знаки «+» i «-» вiдносяться до перемiщень точок поверхонь вiдповiдно у пiвпросторах у > 0 i у < 0.

1нтегральне рiвияння для визначения невщомих перемiщень и у мае вид

Г иусъ пЬА л - + (1 -е)

1 у 2d к Е

Р = 0,(5)

де е = Еу / Е; V - коефiцiент Пуассона.

Його розв'язок, використовуючи метод малого параметру, отримуемо у виглядi

1

б

в

2

а

„ („ _ ^Мо-^ТТ"-;2

Е 1 + 2Хе 1 -

'

Розв'язок задачi, зображено! на рис. 5, в рамках ще! концепцп отримано в робот [4]. 1з результатiв ще! роботи випкае, що мiцнiсть тiла, яке мютить перю-дичну систему трщин, визначаеться залежнiстю

1+

2п2

п р

24(1 + 2 Хе) -V 2)

+ 0(Р4)

в_ % < ! (6)

На основi сшввщношень (2), (6) знаходимо зв'я-зок напружень у включеннях з iнтенсивнiстю зовнiшнiх

навантажень р та параметрами е, Х, в :

ст _ е р (1 + 2Х) Г + п2в2 + 0 СТ ^ 1 + 2Хе(1 -V 2 ) ) 12(1 + 2Хе( -V 2 )

(4 ))

.(7)

Аналiз ще! залежносп для значень параметрiв, що ввдповвдаюгь сплаву АК8М3 з iнтерметалiдними включениями, показуе (рис. 4), що рiвень напружень у включеннях достатнш для того, щоб викликати !х руй-нування навiть у випадку невзаемодiючих дефектiв (в ^ 0). Як видно з наведених кривих, вищий рiвень напруженостi мае мюце у включеннях з бiльшим параметром форми Х, i саме вони, як показують дослщ-ження, руйнуються в першу чергу (при нижчому рiвнi зовнiшнього навантаження).

Таким чином, з теоретичного аналiзу та експери-меигiв встановлено, що включення ще задовго до того, як зовшшш зусилля досягнуть значення границ мiцностi матерiалу, руйнуються. У вщповщносл з прийиятою неоднородною моделлю матерiалу на мiсцi зруйнованих включень отримуемо систему трiщин в несшнченному тiлi (рис. 5).

З огляду на малi розмiри включень, а отже i трiщин (« 30цш) концепция коефщеипв iигенсивностi напружень, очевидно, тут не застосовна. Скористаемося 5С -моделлю тш з трiщинами [3], яка дозволяе провести аналiз впливу малих трщин на мщшсть матерiалу.

Рис. 4. Залежнють розрахункових напружень у включеннях в1д прикладеного навантаження за рЬних значень параметру форми Х :

Рис. 5. Модель сплаву з системою трщин

Б1П

2 гМ _ — Сто '

0 2агссоБ-

па 20

Б1П

п1 20

(8)

Тут - границя текучостi матрицi, в даному випадку алюмшш без iнтерметалiдних включень. Параметр I, що характеризуе розмiр пластично! зони, зв'я-заний iз iншими параметрами задачi спiввiдношениям

8(1 -V 2)стМ2 а пЕ

Б1П-

1п-

п1

20

Б1П-

( па Л

2 а Б1П—

1__20.

па

20

■ 2 п1 .2 па

Б1П--Б1П -

20 20

2 (па 20

па( . 2 па . 2 п1 Л + а Б1П-1 Б1П--+ 2Б1П -I х

(

201

п1 Л

20

20

■ 2 па .2

Б1П--Б1П -

20 20

2па

-8с _ 0

(9)

де 8с - критичне розкриття трiщини.

Анaлiз отриманих залежностей (8), (9) показуе, що трщини розмiром вiд 30 до 70 мш, яш з'являться на м1сщ зруйнованих включень, можуть знижувати мщшсть мaтерiaлу лише в результат взаемодп мiж собою (рис. 6).

Якщо ця взaемодiя незначна (дефекти вiддaленi один вiд одного на вщстань бiльше нiж на 10 !х харак-терних розмiрiв), включення такого розмiру взaгaлi не

X

СТ

в

71

+

X

х

х

а„ - границя мщност матер1алу включення

впливають на мiцнiсть матерiалу. В алюмшевому сплавi АК8М3 вмiст штерметалвдних включень, як встановлено, сягае 12 %. При такш концентрацп се-редня вщстаиь м1ж !х центрами становить близью 70 цт. Розмiр включень змiнюеться вiд 30 цт i бiльше в за-лежиостi ввд параметра форми X. Очевидно, що за таких умов мае мюце суттева взаемодiя включень, яка проявляеться у змш службових характеристик матер-iалу. На рис. 6 наведено розрахункову криву, що вщоб-

ражае зростання границi мiцностi ав матерiалу в результата змiни форми включень вщ пластиичасто! до глобулярно!.

Експериментальш данi на рисунку 6 позначеш зiрочками. Як видно, теоретичний прогноз змши мiцностi алюмiнiевого сплаву вщ змiни форми включень достатньо добре вщображае основну тенденцш встановлену експериментально.

i 5 9 13 17

Рис. 6. Залежнють вiдношення напружень бшя включень ag до межi TeKy40CTi бездефектно'1 матрицi вiд геомет-ричних параметрiв розташування включень (рис. 5)

Висновки

В роботi експериментально дослщжено та теоретично обгрунтовано ефективнiсть процесу модиф^-ваиня вторинного силумiну з метою змiни форми включень з пластиичасто! на глобулярну.

Модифшуванням можна суттево покращити мщшсш властивостi вторинних алюмiнiевих сплавiв (« 20 %).

В результата аналiзу в межах теоретично! моделi матерiалу з включениями встановлено, що можливi два шляхи покращення мiциiсних властивостей вторинних алюмiнiевих сплавiв. Перший - знизити концентрацiю домшок до рiвия, коли взаемодiя включень буде не-значною. В цьому випадку iзольований один вiд одного дефекти малих розмiрiв не знижуватимуть мiцнiсть сплаву. Якщо вказаний спосiб покращения властивостей реалiзувати, як правило, важко, то шший шлях -оптимiзацiя форми дефекпв введениям модифiкаторiв е бiльш реальним. Як показують експерименти та тео-ретичнi розрахунки змiною форми включень вщ пластиичасто! до глобулярно! можна досягти суттевого покращения службових, зокрема, мiцнiсних властивостей сплавiв.

Перелiк посилань

1. Пат. 57584А Украша, МКИ С22С1/06. Модифжатор для алюмтевих сплав1в / 1.П. Волчок, О.А. М1тяев (Укра!-на). - № 2002108343; Заявл. 22.10.2002; Опубл. 16.06.2003. Бюл. №6.

2. Панасюк В .В., Стадник М.М., Силованюк В .П. Концентрация напряжений в трехмерных телах с тонкими включениями. - Киев: Наукова думка, 1986. - 216 с.

3. Панасюк В.В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами. - Киев: Наукова думка, 1968. - 246 с.

4. Витвицький П.М. Пружнопластична р1вновага пластинки з перюдичною системою щлин. Доп. АН УРСР. Сер. А -1970. - №6, С. 524-527.

Одержано 4.06.2007

npednoweHc McmeMcmunecKcn Mode.nb, Komopcn noseomem npoгнoзupoecmb npoHHOcmb гетерогеннuх cmmMUHueeux cnnceoe.

The mathematical model, allowing to forecast a aluminium alloys heterogeneous strength is suggested.