Введение к работе
Актуальность. В последнее время наблюдается интенсивное развитие технологий получения изделий машиностроения из порошковых материалов. Например, из порошковых сталей изготавливаются уплотнительные, антифрикционные, фрикционные и другие изделия машиностроения, свойства которых определяются составом порошковых сталей, их структурой и технологией получения.
Характерной тенденцией развития физического материаловедения на современном этапе является переход от интуитивно-эмпирического подхода к научно-обоснованным методам «конструирования» материалов и изготовления их них наукоемкой продукции машиностроения. На первый план выдвигается задача целенаправленного получения материалов и изделий на их основе, управление их структурой и свойствами на основе использования фундаментальных научных знаний. Один из новых подходов к решению этой задачи базируется на методике мультифрактальной (МФ) параметризации изображений микроструктуры. Практическое использование возможностей МФ-параметризации при совершенствовании материалов и технологических процессов позволяет выдвинуть идею применения методики применительно к сплавам на основе железа.
Одной из важнейших в этом направлении является задача улучшения прочностных характеристик сталей, в том числе порошковых. Для ее решения необходимо установление корреляции между механическими характеристиками и мультифрактальными параметрами микроструктуры порошковых сплавов и определение оптимального состава легирующих элементов с использованием мультифрактальных диаграмм: упорядоченность-однородность.
В связи с вышеизложенным, при улучшении прочностных свойств порошковых сплавов актуально использование мультифрактальной параметризации. Являясь экономичным, точным и быстрым средством анализа строения материалов, МФ-параметризация может быть использована при выявлении закономерностей формирования микроструктуры сталей и прогнозирования их механических свойств. Использование возможностей МФ-параметризации, при условии соответствующей адаптации и выявления необходимых взаимосвязей, может повысить эффективность улучшения свойств порошковых сплавов для изготовления изделий машиностроения.
Степень разработанности исследуемой проблемы. Анализ научных трудов по мультифрактальной параметризации микроструктур материалов свидетельствует о наличии достаточного объема научного знания, позволяющего обосновать базис исследования.
Значительный вклад в разработку метода мультифрактальной параметризации микроструктур материалов внесли Г.В. Встовкий, А.Г. Колмаков, И.Ж. Бунин, разработавшие математический аппарат и алгоритм программного расчета мультифрактальных параметров микроструктур различных материалов.
В работах Л.Г. Авдеевой, Г.В. Козлова, Б.К. Барахтина были получены надежные данные о корреляции мультифрактальных параметров и физико-механических свойств материалов, а также успешно произведены совершенствования материалов и технологических процессов на основе результатов мультифрактальной параметризации.
В трудах А.Д. Анварова, и А.С. Маминова исследовалось влияние некоторых параметров получения изображений микроструктуры сталей на результаты МФ-параметризации.
Не смотря на большое количество исследований взаимосвязи МФ-параметров микроструктуры со свойствами различных материалов, возможности улучшения прочностных характеристик порошковых сталей с использованием мультифрактальной параметризации изучены недостаточно.
Объектом исследований диссертационной работы являются углеродистые и легированные порошковые стали.
Предметом исследований диссертационной работы являются мультифрактальные параметры микроструктуры углеродистых и легированных порошковых сталей, а также их взаимосвязи с прочностными характеристиками данных материалов.
Стадии разработки. Исследования в рамках диссертационной работы включали три этапа. На первом этапе анализировалось влияние условий получения изображения микроструктуры порошковой стали на результаты мультифрактальной параметризации и выявлялись условия получения изображений, исключающие искажения мультифрактальных параметров. На втором этапе устанавливались взаимосвязи между прочностными характеристиками углеродистых порошковых сталей и МФ-параметрами их микроструктуры. На третьем этапе устанавливались взаимосвязи между прочностными характеристиками легированных порошковых сталей и МФ-параметрами их микроструктуры, а также разрабатывалась методика улучшения прочностных характеристик порошковых сталей с использованием диаграмм: упорядоченность-однородность.
Методы исследований. Поставленные задачи исследования обусловили необходимость применения стандартных методов определения механических свойств металла (испытания на твердость, статическое сжатие и статический изгиб), метода мультифрактальной параметризации, металлографических исследований и стандартных методов статистической обработки результатов.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является улучшение прочностных свойств порошковых сталей на основе прогнозирования их структурного состояния методом мультифрактальной параметризации.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
- анализ влияния условий получения изображения микроструктуры сталей (увеличение, тип травителя и плоскость шлифования) на мультифрактальные параметры; определение условий получения изображений микроструктуры, исключающих искажение мультифрактальных параметров;
- установление взаимосвязей между пределом прочности в углеродистых порошковых сталей и мультифрактальными параметрами их микроструктуры с целью создания метода косвенного определения механических свойств;
- установление для легированных порошковых сталей взаимосвязей между мультифрактальными параметрами их микроструктуры и пределом прочности сж, твердостью HB, а также концентрацией легирующих элементов;
- изучение возможностей оптимизации состава легированной порошковой стали с использованием метода мультифрактальной параметризации для разработки методики улучшения механических свойств изделий из легированных порошковых сплавов.
Научная новизна:
- впервые установлены взаимосвязи между механическими свойствами порошковых сталей и мультифрактальными параметрами их микроструктуры, что позволяет производить косвенную оценку прочностных характеристик;
- установлены зависимости, связывающие мультифрактальные параметры микроструктуры порошковых сталей с содержаниями в них углерода и легирующих элементов. Полученные соотношения могут быть использованы для ускоренной оценки состава порошковых сталей посредством программного анализа изображений микроструктуры;
- установлены взаимосвязи между условиями получения изображения микроструктуры (увеличение, тип травителя, плоскость шлифования) и результатами мультифрактальной параметризации, использование которых позволяет свести к минимуму искажения мультифрактальных параметров микроструктуры порошковых сталей, связанные с условиями получения изображений;
- разработана методика улучшения свойств медьникелевых порошковых сталей путем использования мультифрактальной диаграммы: упорядоченность - однородность.
Практическая значимость состоит в том, что найденные закономерности обеспечивают возможность проводить оценку механических свойств порошковых сталей неразрушающим способом без вырезки образца из изделия, исключая потенциальную вероятность снижения безопасности его эксплуатации.
Предлагаемый подход к определению оптимальной концентрации легирующих элементов в сочетании с традиционной методикой, основанной на многофакторном эксперименте, упрощает и ускоряет оптимизацию состава сталей, а также повышает ее точность.
Полученные в работе результаты внедрены и используются на промышленных предприятиях: ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение», ОАО «Казанькомпрессормаш».
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается применением комплекса стандартных методов определения механических свойств материалов, большого числа испытанных образцов, согласованностью данных модельных и реальных образцов, использованием стандартных поверенных средств измерений, а также статистической обработкой полученных данных.
На защиту выносятся:
- результаты исследований взаимосвязи между условиями получения изображения микроструктуры и мультифрактальными параметрами;
- методика оценки механических свойств порошковых сталей по мультифрактальным параметрам их микроструктуры;
- результаты исследований влияния пористости порошковых сталей на мультифрактальные параметры;
- подход к улучшению состава легирующих элементов в порошковой стали на основе использования мультифрактальной диаграммы: упорядоченность – однородность.
Личный вклад соискателя состоит в использовании методологии МФ-параметризации в области металлургии порошковых сталей, в проведении исследований, обработке данных, обобщении и анализе результатов.
Апробация работы. Основные результаты были представлены и обсуждались на конференциях: «Череповецкие научные чтения», Череповец, 2009г.; «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2009», Казань, 2009г.; «Молодые ученые – промышленности науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения», Москва, 2009г.; «Приоритетные направления современной российской науки глазами молодых ученых», Рязань, 2009г.; «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности», Могилев, 2009г.; «Инновации в авиационных комплексах и системах военного назначения», Воронеж, 2009г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, из них три – в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Содержит 131 страницу машинописного текста, 74 рисунка, 19 таблиц, библиографический список из 118 наименований и 2 приложений.
