Вплив процесів деформування на поверхневий шар металів (стр. 5 из 6)

Як наслідок цього спостерігається кореляція між величиною залишкових макронапружень і активаційним об`ємом. Зростанню стискуючих напружень відповідає зменшення величини активаційного об`єму. Показано, що контактні напруження з ростом деформації збільшуються, виходячи на плато, що відповідає границі плинності сплаву. Хід кривих дозволяє виявити особливості пружно-пластичної деформації матеріалу в залежності від обробки. На підставі отриманих даних, наприклад, можна рекомендувати віброамплітудне шліфування і полірування для збільшення опору контактним деформаціям.

Таблиця 1

Деякі характеристики матеріалу приповерхневого шару зразків з сплаву титана ВТ3-1 після різних видів поверхневої обробки.

№ серії	Модуль Юнга, E, ГПа	Залишкові макронапруження, σ, МПа	Активаційнийоб`єм,V*,10-8,м3
A	118	-594	4, 99
B	90	-460	6, 02
C	99	-200	8, 41

Примітка: A – віброамплітудне шліфування і полірування, 30 хв.; B – обробка сталевими кульками діаметром 1,9 мм в ультразвуковому полі, 3 хв; C – віброамплітудне зміцнення керамічними гранулами діаметром 1,9 мм.

Розділ 6. Зміни приповерхневої структури металів під впливом електроімпульсної та магнітно-абразивної обробок. У даному розділі дисертації описано результати досліджень впливу потужних імпульсів електричного струму і магнітно-абразивної обробки на механічні властивості поверхневого шару металів. Через зразки пропускався розряд конденсаторної батареї ємністю 200 мкФ. Тривалість розряду складала 50 мкс. Максимальна зареєстрована термопарою температура знаходилася в інтервалі 350¸520 0К. Після електроімпульсної обробки (ЕІО) зразки випробовувалися на втому, а також досліджувалися з використанням рентгеноструктурного аналізу. Визначалися такі величини: макроскопічні залишкові поверхневі напруження σ; мікроскопічні деформації

; розмір блоків мозаїки D. Результати, отримані для сплаву титана ВТ3, наведено в таблиці 2. Із таблиці 2 видно, що електроімпульсна обробка підвищує опір втоми в 1,25¸1,50 разів. Макроскопічні напруження зменшуються по абсолютній величині, а мікронапруження зростають. Структурний стан поверхні після ЕІО стає більш однорідним. У роботі зроблений висновок, що ЕІО є способом “прицільного лікування” дефектів кристалічних ґраток і ефективним новим методом поліпшення міцності втоми сплавів.

Таблиця 2

Довговічність, залишкові напруження і параметри мікроструктури до і після ЕІО сплаву марки ВТ3-1. t – час попереднього зміцнення (УЗО).

t, с	N, 107 циклів	σ, МПа	, 10-3	D, нм
до ЕІО	до ЕІО	до ЕІО	до ЕІО
300	2,5±1,2 3,8±0,5	-466 -311	1,5 2,6	12,4 10,5
600	3,5±0,9 3,6±0,6	-594 -437	1,2 2,4	12,3 9,2
900	2,9±1,3 3,7±0,7	-648 -447	1,5 2,0	15,0 11,8

Проходження електричних імпульсів через метал супроводжується відділенням теплової енергії. Оскільки будь-які дефектні області кристалу мають більш високий опір електричному струму, теплова енергія в основному виділяється в цих областях. Ця додаткова енергія сприяє переходу дефектних зон у рівноважний стан. Таким чином, дія імпульсів електричного струму специфічна локалізацією виділення теплової енергії. Автором запропонована і розглянута фізична модель еволюції пари точкових дефектів у зоні локального розігріву кристалу. Загальна енергія системи атомів представлена у вигляді:

(10)

де VR(rij) – потенціал парної взаємодії атомів і та j, відстань між якими rij; f(ni) – функція “занурення” атома i в електронну підсистему густиною ni. Підсумовування проводиться за всіма парами атомів моделі і по всіма атомами i. Використовувалися рівняння багаточасткового неадитивного потенціалу з числовими значеннями параметрів для кристала нікелю, записані у вигляді полінома для кожної пари взаємодіючих атомів. Рівняння враховує найближче оточення шляхом підсумовування поліноміальних функцій. Розглядалася кінетика взаємодії пари вакансія – міжвузловий атом. Моделювання на ЕОМ теплового імпульсу, створюваного електричним струмом, полягало в додаванні всім атомам, що оточують дану пару точкових дефектів ґратки, швидкостей за розподілом Гауса для трьох випадків миттєвих максимальних температур у термічному піку: 2000, 1500 і 1000 0К. Після виникнення температурного піка кристал релаксував протягом 12 пс. При цьому спостерігалися інтенсивні переміщення атомів поблизу області дефектів. При температурі 1000 0К, наприклад, число атомних переміщень у напрямку, перпендикулярному поверхні, складає 94 % від загального числа переміщень. Встановлено значну роль полів пружних напружень дефектів ґратки при їхній рекомбінації. Показано, що термічний пік навіть із відносно не дуже високою максимальною температурою здатний “заліковувати” області кристала з дефектами типу вакансія - міжвузловий атом.

Виходячи з того, що механічні властивості поверхневого шару визначаються взаємозв'язком параметрів мікрогеометрії і напружено-деформованного стану матеріалу приповерхневого шару, в роботі вирішувалась задача дослідження закономірностей формування залишкових напружень поблизу поверхні при магніто - абразивної обробці. На рівні винаходу в даній роботі вперше встановлено, що магнітно-абразивна обробка металів і сплавів у робочому середовищі, що складається із суміші магнітно - абразивного порошку і феромагнітних тіл, є ефективним новим методом одночасного полірування і підвищення міцності сплавів (приблизно в 1,5 рази).

Висновки

1. Вперше систематично виміряні розподіл роботи виходу електрона по поверхні алюмінію і сталей у процесі розтягування з постійною швидкістю. Отримано нові експериментальні підтвердження того, що в пружній області спостерігається зростання РВЕ, а в пластичній відбувається падіння РВЕ. Експериментально встановлено, що зменшення РВЕ визначається ступенем пластичного деформування і з його зростанням зміна РВЕ досягає граничного значення і насичення, після якого настає руйнування. Показано що, залежність РВЕ від ступеня деформації може бути описана аналогічно аналітичній залежності РВЕ від концентрації атомів, що адсорбуються на поверхні. Отримані при цьому значення густини ліній ковзання дислокацій, що вийшли на поверхню, добре узгоджуються з даними електронної мікроскопії.

2. Запропоновано фізичну модель, яка дозволяє кількісно оцінити РВЕ для деформованих металів. Вперше розроблено розрахункову схему, яка враховує наступні поправки до моделі “желе”: дискретність розподілу позитивного заряду; вплив релаксації іонних площин поблизу поверхні кристала на електронний розподіл; вплив діелектричного середовища, що граничить з поверхнею металу. Дані проведених розрахунків задовільно узгоджуються з експериментом.

3. Вперше розроблено модель розрахунку РВЕ для неідеальної поверхні металів в умовах їх пружного і пластичного деформування. Модель побудована на основі уявлень про взаємозв'язок РВЕ і електровід¢ємності атомів з урахуванням формування нанодефектів на поверхні. Обчислення, проведені для алюмінію і міді, показали задовільну збіжність з експериментальними даними.

4. Вивчено залежності РВЕ від розвитку фізичних процесів втоми алюмінію, жароміцних сталей і сплавів на основі титана. Проведені виміри значень РВЕ в осьових напрямках зразків, що зазнавали знакозмінних напружень. Вперше отримано, що на початкових стадіях випробувань РВЕ осцилює поблизу деякого значення, що свідчить про зворотність на цих стадіях процесів накопичення ушкоджень втоми і про зміну процесів зміцнення і релаксації, тобто процесів накопичення і анігіляції дефектів кристалічної структури. На наступній стадії впливу прикладених знакозмінних механічних напружень відбувається незворотне накопичення дефектів, розвиток процесів порушення неперервності кристалічної структури і руйнування. Встановлено, що в результаті структурних змін, які поступово підготовлюють зародження тріщин втоми, РВЕ зменшується. У зоні появи майбутньої тріщини криві розподілу РВЕ по поверхні мають характерний “деформаційний” провал.

5. На основі встановленого фізичного механізму явищ запропоновано кількісну модель кінетики структурних перетворень на поверхні металів у процесі втоми, яка включає рух деформаційних дислокацій по площинах ковзання, вихід дислокацій на поверхню і появу атомних заряджених сходинок, що і є причиною зниження РВЕ. З використанням розробленої моделі і виведених рівнянь виконані кількісні оцінки параметрів структурних та енергетичних змін на поверхні металів.

6. Вивчено вплив проміжної термічної обробки на міцність втоми досліджуваних сталей. Знайдено, що проведення відновлювального відпуску після випробувань, які складають 20 - 30 % середньої довговічності, є перспективним способом, що дозволяє істотно збільшити опір втоми. Вакуумна термообробка приводить до зменшення значень РВЕ на поверхні зразка в середньому на 100...120 мэВ. Відпуск зразків, проведений після механічної обробки (виготовлення), викликає різке збільшення величини РВЕ і істотне зменшення розкиду її значень.

7. Методом дифракційної електронної мікроскопії знайдено, що під дією циклічного навантаження спостерігається фрагментація мартенситних пластин у структурі високолегованих сталей, взаємодія дислокацій, їх часткова анігіляція і утворення субзернистої структури. Більшій втомній міцності сталей відповідає відносно однорідна дрібна субструктура.