Введение к работе
Актуальность темы. Общей тенденцией прогресса техники является ускоренное развитие отраслей, обеспечивающих повышение эксплуатационных характеристик и надежности, снижение материалоемкости, рост производительности труда и улучшение экологических показателей предприятий. Поэтому несмотря на падение металлургического производства передовые в техническом отношении страны неуклонно наращивают мощности порошковой металлургии (ПМ). Это выражается в стабильном увеличении номенклатуры и объемов отрасли, так основной потребитель деталей из порошковых материалов - автомобильная промышленность, ежегодно увеличивает свои запросы на 10-12 %. При всех успехах основную массу продукции ПМ составляют малонагруженные детали простой формы с относительно невысокими физико-механическими свойствами. Для внедрения ответственных средне- и тяжелонагруженных изделий необходима разработка нетрадиционных технологических процессов и новых материалов с повышенными характеристиками конструктивной прочности, важное практическое значение имеет прогнозирование параметров технологических процессов, построение картин разрушения при различных видах взаимодействия. Достоверность разработок значительно возрастает с привлечением статистических моделей и критериев механики разрушения, что не означает отказ от ранее выработанных подходов.
Материалы диссертации являются результатом экспериментальных и теоретических работ, проводимых автором в Республиканском инженерно-техническом центре порошковой металлургии в 1980-90 го-дач в соответствии с Общесоюзной научно-технической программой 0.08.17 "Порошковая металлургия", утвержденной постановлением Государственного комитета СССР по науке и техніка и Академии наук СССР от 10 ноября 1985 года (N 573/137); Республиканской (РСФСР) научно-технической программой "Разработать и внедрить технологические процессы порошковой металлургии, нанесения защитных и упрочняющих покрытий в отраслях нарадного хозяйства РСФСР на 1987-1990 годы", утвержденной постановлением Госплана РСФСР от 10.04.87 г. № 45; Межвузовской инновационной научно-технической программы "Развитие инновационной деятельности в вузах России" подпрограммы "Исследования в области порошковой технологии" на 1992-96 годы; Межвузовской инновационно-технической программы
- 4 "
"Трансферные технологии, комплексы и оборудование" на 1992-1994 годы; Межвузовской научно-технической программы "Поисковые и прикладные исследования высшей школы в приоритетных направлениях науки и техники" на 1996-97 годы; Межвузовской инновационной научно- технической программы "Развитие инновационной деятельности в вузах России" на 1992-94 год; Межотраслевой научно-технической проблемой "Создание высокопроизводительных процессов, оборудования и средств механизации для производства металлических порошков, волокон, порошков сплавов и тугоплавких соединений и на их основе новых материалов и изделий" (программа работ российских организаций в рамках единого плана работы НТА "Порошковач металлургия") на 1993-94 и 1995-1996 годы.
Дель работы. Работа посвящена поиску закономерностей, связывающих состав и структуру порошковых сталей с их конструктивной прочностью, выбору рациональных методов получения материалов о улучшенными эксплуатационными характеристиками, разработке кон-центрационно-неоднородных материалов о метастабильной структурой.
Для решения этой проблемы поставлены следующие задачи:
разработать модели прогнозирования технологических режимов в зависимости от гранулометрического и химического'.состава композиций, особенностей структуры исходных компонентов и температурно- временных параметров спекания;
исследовать применимость критериев механики разрушения для концентрационно-неоднородных порошковых материалов, создать модель разрушения пористых сталей и провести ее экспериментальную проверку;
определить зависимости, связывающие состав и степень концентрационной неоднородности со структурой и конструктивной прочностью легированных сталей, исследовать влияние термической обработки на трансформацию структуры и свойства низколегированных и инфильтрированных медью сталей;
построить модели разрушения при фрикционном взаимодействии основных групп порошковых сталей в зависимости от вида контактирования поверхностей, установить закономерности изменения характеристик изнашивания пористых сталей;
разработать высокопрочные трещиностойкие порошковые кон-центращюнно-неоднородные метастабильные ауотенитные стали (MAC), найти пути реализации грипэффекта при различных видах нагружения
и способах получения материалов.
Научная новизна полученных результатов заключается в следую ідем:
создана и реализована методика прогноза распределения легирующих элементов з порошковых материалах, позволяющая численні оценивать концентрационную неоднородность без привлечения натурных экспериментов, установлен закон распределения легирующих элементов;
предложена и экспериментально подтверждена модель, объясняющая .механизм разрушения пористого тела, определены условия корректного проведения испытаний и установлены колікественнне закономерности, связывающие структуру и конструктивную прочность порошковых материалов, что позволяет предсказывать поведение пористых концентрзцшнно-неоднородных сталей при нагружении;
изучено влияние состава на формирование структуры концент-рационно-неоднородных порошковых сталей и разработана низколегированная стать, тлеющая повышенную конструктивную прочность;
установлены закономерности структурных превращений и изменения свойств при термообработке низколегированных и инфильтрированных медью сталей, эти закономерности являются основанием для выбора конкретных технологических режимов получения изделий"с повышенной конструктивной прочностью;
построены модели разрушения при фрикционном взаимодействии' порошковых материалов со сталью для различию: видов контактировз; ния поверхностей, изучено изменение химического состава и структуры активной зоны, экспериментально доказан немонотонный харак-' тер изменения основных триботехническик характеристик в зависимости от пористости;
созданы порошковые высокопрочные МАС с повышенной вязкостью разрушения, доказана возможность реализации трилэффекта в концентрационно-неоднородных сталях, предложены модели на основе термодинамики и механики разрушения, интерпретирующие высокую конструктивную прочность данных материалов, разработаны инфильтрированные МАС и ферротики с метастабильной матрицей.
На защиту выносятся основные положения, вытекающие из теоретического и экспериментального исследования:
- возможность прогнозирования неоднородности распределения
легирующих .элементов ло разработанной методике з зависимости от
состава композиций, температуры и продолжительности гомогенизации; :а; также Еьгбора рационального режима спекания легированных сталей в широких интервалах варьирования состава;
- объяснение отсутствия строго монотонной зависимости вяз
кости разрушения от пористости по предложенной модели разрушения
пористого тела и применимость для прогнозирования грещгоюстойкос-
ти порошкового железа и сталей полученных уравнений;
-: .;- - определение связи между трансформацией структуры и свойствами тёрмообрзботанных низколегированных и инфильтрированных медью сталей;
построение моделей разрушения при фрикционном взаимодействии, достаточных для прогнозирования коэффициента трения и интенсивности изнашивания пористых материалов;
разработка моделей разрушения гетерогенных трипсталей, создание концентрационно-неоднородных МАС и материалов на их основе.- :-
Достоверность результатов основана на использовании современных технических средств и исследовательских методик, хороши}.! согласием результатов моделирования и эксперимента, подтверждении другими авторами некоторых ключевых положений диссертации.
Практическая значимость работы состоит в разработке подходов, позволяющих учесть влияние пористости и структурной неоднородности на эксплуатационные характеристики порошковых материалов. Это дало возможность организовать ряд участков порошковой металлургии на предприятиях текстильной и местной промышленности, существенно расширить номенклатуру деталей для функционирующих цехов Ш, создать новые технологии производства деталей для добы-ващйх''й'-перерабатывающих отраслей хозяйства РФ. Предложены новые классы материалов: концентрационно-неоднородные порошковые трипс-тали и ферротики с ыетастабильной матрицей. Внедрение изделий конструкционного и триботехнического назначения явилось составной частью работы "Разработка технологии и развитие промышленной базы порошковой металлургии железа в Уральском регионе", удостоенной Премии Правительства России ва 1995 год.
Личное участие автора. Все выносимые на защиту научные и практические результаты получены лично автором. Других исследователей привлекали на этапах постановки экспериментов, при обсуждении результатов и промышленном внедрении разработок.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работ доложены и обсуждены на конференциях: Уральской регионально "Применение порошковых, композиционных материалов и покрытий машиностроении" в г.Перми /1982 г., 1985 г., 1987 г./; XI Всесо юзной научно-технической "Диффузионное соединение металлических ] неметаллических материалов" е г. Москве /1984 г./, XV. Всесоюзної научно-технической в г.Киеве /1985 г./; Всесоюзной научно-технической "Применение порошковой металлургии для изготовления деталей и инструмента" в г.Ереване /1986 г./; Региональной "Термическая обработка порошковых сталей" в г.Кургане /1987 г./; молоды* ученых и специалистов "Физическое материаловедение и физико-химические основы создания новых материалов" в г.Львове /1989 г./; Региональной и Межреспубликанских научно-технических "Свойства порошковых и композиционных материалов и покрытий, технология их получения с применением импульсных нагрузок и обработки давлением" в г.Волгограде /1988 г., 1989 г., 1992 г./; Всесоюзной научно-технической в г.Киеве /1990 г./, Всероссийской научно-практической " Новые высокие технологии и проблемы реконструирования и приватизации предприятий" в г.Екатеринбурге /1995 т./; XXVII научно-технической по результатам научно-исследовательских работ, выполненных в 1988-90 г.г. в г.Перми /1991 г./; научно-технической "Материалы и конструкции в машиностроении, , строительстве и. сельском хозяйстве" в г.Вологде /1996 г./; Международной "Новые технологии получения слоистых и порошковых,материалов, композиционных покрытий" в г.Сочи /1993 г./; 1 Международная, конференция "Энергодиагнистика" в г.Москве /1995 г./; на 2 Собрании Металловедов России в г.Пенза /1994 г./; EURO РМ - 97 "Proceeding of the 1997 European Conference on Advances in Structural PM Component Production", в г.Мюнхене, Германия /1997 г./. Международной,"Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии" ПМ - 97 в г. Киеве /1997/.
По теме диссертации опубликовано свыше 100 печатных работ, в том числе более 20 изобретений и монография.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, выводов, списка литературы и приложений, изложена на 409 страницах машинописного текста, включая 80 таблиц, 67 рисунков и библиографию в количестве 272 наименований.
Автор выражает глубокую признательность д.т.н., профессору, член-корр. РАН Анциферову В.Н. ва внимание к работе и поддержку исследований.