Автореферат (Повышение надёжности материалов судовой арматуры путём модифицирования поверхности лазерной и электронно-пучковой обработкой), страница 3

Электронно-пучковая обработка образцов всостоянии поставки из титана 3М, нержавеющей стали 08Х18Н10Т и бронзыБрАЖНМц 9–4–4–1 Ø30 мм толщиной 4 мм проводилась в режимах,определенных в результате расчетов, приведенных в подразделе 2.2.3.В результате проведенных исследований было установлено, что сувеличением количества импульсов излучения при выбранных значенияхплотности энергии излучения параметры износостойкости титанового сплава3М, нержавеющей стали 08Х18Н10Т и бронзы БрАЖНМц 9–4–4–1 повышаютсяна 15 – 50%, , микротвёрдость приповерхностного слоя повышается на 25 – 50%,шероховатость поверхности титана снижается в 2 – 3 раза.10Рациональные режимы обработки: для титана 3М – 8 импульсовэлектронного пучка с плотностью энергии 18 Дж/см2; для стали 08Х18Н10Т – 2импульса с плотностью 30 Дж/см2 + 5 импульсов с плотностью 18 Дж/см2; длябронзы БрАЖНМц 9–4–4–1 – 2 импульса с плотностью 30 Дж/см2 + 4 импульсас плотностью 18 Дж/см2.

В результате получено улучшение качестваповерхности (снижение параметров шероховатости) титана 3М поверхности(таблица 1). Для нержавеющей стали и бронзы улучшение качестваповерхности (шероховатость не снижается) отсутствует.Таблица 1Шероховатость образцов до и после электронно-пучковой обработки по оптимальнымрежимамМатериалРежим обработки:плотность энергииизлучения (Дж/cм2) иколичество импульсовRaRzRmax18; 80,113/0,3610,64/3,520,89/4,9818;5 + 30; 20,450/0,1331,71/0,942,64/1,18Титан 3М08Х18Н10ТСредние параметры шероховатости, мкмБрАЖНМц18;4 + 30; 20,324/0,2151,56/1,742,08/2,439–4–4–1Примечание: в числителе – значения параметров после обработки, в знаменателе – дообработки.Микротвердость модифицированного слоя и основы измерялась наприборе ПМТ-3М с полуавтоматической приставкой при нагрузке на индентор10 (бронза) и 20 грамм (титан и сталь).

Результаты измерений, приведенные втаблице 2, свидетельствуют, что микротвёрдость модифицированного слоясущественно выше основы материала.Таблица 2Микротвердость основы и модифицированного слоя исследованных материалов прирациональных режимах обработкиМатериалТитан 3МПлотность потока энергии(Дж/см2) и количествоимпульсов18; 8Среднее значениемикротвёрдости(размах значения), HV163 (44)/143 (19)Сталь 08Х18Н10Т18;5 + 30; 2194 (29)/157 (19)Бронза БрАЖНМц18;4 + 30; 2154 (25)/104 (32)9–4–4–1Примечание: в числителе – значения параметров в модифицированном слое, взнаменателе – в основе материала.Испытания на износостойкость образцов, проведённые на трибометремодели TRB CSM Instruments SA, показали, что износостойкость образцов(определяемая коэффициентом истирания К) из титана и бронзы увеличилась в11~ 2 раза, для стали 08Х18Н10Т – на 12%.

Последний результат связан сволнистостью обработанного слоя (рис. 2б).а)б)в)Рис. 2. Микроструктура модифицированных слоёв образцов из: а) титана 3М;б) стали 08Х18Н10Т; в) бронзы БрАЖНМцВ параграфе 2.3 представлены результаты модификации поверхностиматериалов сильноточным электронным пучком (СЭП) наносекунднойдлительности. Модифицирование поверхности исследуемых материаловпроизводилось с помощью электронного ускорителя ГКВИ – 300.Обработка поверхности проводилась в двух режимах: 1 – на поверхностьобразцов (диски диаметром 30 мм и толщиной 3 мм) воздействовали СЭП икатодный факел (КФ), генерировавшийся с катода вслед за пучком; 2 – наповерхность образцов воздействовал только СЭП.Полученные результаты свидетельствуют, что воздействие СЭП (без КФ) наисследуемые материалы приводит к формированию закалочной структуры вприповерхностном слое (слое кристаллизации) с повышенными прочностнымисвойствами.

Действие катодного факела приводило к увеличению пластическихсвойств приповерхностной зоны. Но глубина упрочнения и качествоповерхности образцов (повышенная шероховатость, наплывы металла) былипризнаны неудовлетворительными (рис. 3).а)б)в)Рис. 3. Структура поверхностного слоя титана (а), стали (б) и бронзы (в)В главе 3 представлены результаты механических испытаний материалов.В параграфе 3.1. представлены результаты стандартных механическихиспытаний титанового сплава 3М, нержавеющей стали 08Х18Н10Т и бронзымарки БрАЖНМц 9–4–4–1 (таблица 3).12Таблица 3Стандартные механические характеристики испытанных материаловМатериалПределтекучести  0.2 ,МПаПределОтносительное Относительноесужение  ,прочности  B удлинение  5 ,%,%МПаТитан 3М660 ± 10715 ± 1022 ± 136 ± 108Х18Н10Т275 ± 15595 ± 1559 ± 170 ± 2БрАЖНМц 9-4-4-1385 ± 15725 ± 535 ± 136 ± 1Примечание: округление значений произведено в соответствии с таблицей 2 ГОСТ 1497 – 84.В параграфе 3.2 приведена методика динамических испытаний металлов.В работе для определения механических характеристик всех 3-х исследуемыхсплавов при высоких скоростях деформации применялся метод Кольского иметодика разрезного стержня Гопкинсона.

В подразделе 3.2.1 приводитсяописание и основные принципы метода Кольского, дан вывод основныхзависимостей. В подразделе 3.2.2 приведено описание применяемойэкспериментальной установки (рис. 4).Рис. 4. Схема экспериментальной установки при испытании на растяжениеВ параграфе 3.3 представлены результаты динамических испытанийисследованных материалов при нормальных условиях (Т=22 0С, р =1,01·105 Па).Полученные результаты испытаний (табл.

4) показали, что в исследованныхТаблица 4Результаты механических динамических испытаний исследованных материаловМатериалСкоростьдеформацииПределтекучестиПределпрочностиОтносительноеудлинениеОтносительноесужениес-180011001500130016002000МПа775 ± 15725 ± 25810 ± 10450 ± 5550 ± 5570 ± 5МПа825 ± 25830 ± 10880 ± 20925 ± 25975 ± 25950 ± 10%20 ± 2,526,5 ± 0,522,5 ± 0,553 ± 0,555 ± 0,555 ± 1,5%44 ± 1,042,5 ± 0,544 ± 1,065 ± 0,564,5 ± 1,566,5 ± 0,5 ,Титан 3МСталь08Х18Н10Т Sd , bd ,d ,d ,13Продолжение таблицы 4БронзаБрАЖНМц9-4-4-1115015001800525 ± 5,0575 ± 15600 ± 5,0850 ± 50900 ± 10950 ± 1031 ± 1,031 ± 1,031 ± 0,531 ± 1,033 ± 2,032 ± 0,5диапазонах скоростей деформации прочностные (  Sd и  bd ) и пластическиехарактеристики (  d и  d ) титанового сплава 3М, нержавеющей стали08Х18Н10Т и бронзы БрАЖНМц 9–4–4–1 различаются незначительно, ноотличаются от тех же значений при статических испытаниях (табл.

3). В данномпараграфе также представлены результаты динамических испытаний образцовпосле лазерного легирования их поверхности (легирование проводили порежиму, выбранному для золотника (см. раздел 2.1)), которые показали, что врезультате легирования увеличиваются прочностные параметры (  Sd ,  bd ) инезначительно снижаются характеристики пластичности (  d , d ).В параграфе 3.4 представлены результаты динамических испытанийисследованных материалов после коррозионных потоковых испытаний(выдержки в проточной морской воде; скорость потока воды – 6 мс). Образцывыдерживались в проточной морской воде 90 и 135 дней.

После каждойвыдержки образцы подвергались испытаниям на установке (рис. 4).Таблица 5Результаты испытаний после выдержки материалов в проточной морской водеМатериалСкоростьдеформации ,-1сПределтекучести Sd ,Пределпрочности bd ,Относительноеудлинениеd ,Относительноесужениеd ,МПаМПа%%900830 ± 10870 ± 518,5 ± 0,536 ± 1,0Титан 3М850 ± 5900 ± 517,5 ± 0,531 ± 0,51300850 ± 15900 ± 1021 ± 1,034,5 ± 1,5880 ± 20920 ± 520 ± 2,030 ± 3,01800860 ± 10890 ± 1020,5 ± 0,530 ± 2,0900 ± 10940 ± 1519,5 ± 1,025,5 ± 3,5Сталь1300450 ± 10680 ± 4053,5 ± 1,562 ± 1,508Х18Н10Т560 ± 20775 ± 5051 ± 1,561 ± 1,51600475 ± 25800 ± 7553 ± 2,062,5 ± 4,5600 ± 30920 ± 2049 ± 2,059,5 ± 3,02000500 ± 15925 ± 8556,5 ± 0,567,5 ± 2,5635 ± 15860 ± 2047 ± 1,559 ± 3,0Бронза1150545 ± 25,0975 ± 25,022,5 ± 2,033 ± 3,0БрАЖНМц650 ± 20985 ± 15,026,5 ± 2,033 ± 3,09-4-4-11500625 ± 751050 ± 10023,5 ± 3,533 ± 1,0675 ± 25980 ± 2025 ± 1,531 ± 4,01800680 ± 40,01070 ± 2026,5 ± 1,532,5 ± 1,5775 ± 75975 ± 2526,5 ± 1,535 ± 1,0Примечание: в числителе – результаты после выдержки 90 дней, в знаменателе – после 135.14Результаты испытаний приведены в табл.

5. Анализ полученныхрезультатов испытаний показал, что значения всех параметров испытанныхматериалов после их выдержки в проточной морской воде соответствуютзначениям параметров вязких материалов средней и высокой прочности. Однако,в целом, нахождение материалов в проточной воде приводит кихохрупчиванию (значения относительного удлинения и сужения уменьшаются).Глава4посвященафизико-математическомумоделированиюдинамического поведения материалов и элементов арматуры подводныхаппаратов. В параграфе 4.1 описываются структурно-геометрические переходы,происходящие в динамически нагружаемых материалах, и рассматривается связьфрактальной размерности контура разрушенной поверхности с динамическимпределом прочности и динамическим значением относительного сужения.

Наоснове проведенных микроструктурных исследований предложен следующийсценарий развития динамического разрушения: 1) последовательное накоплениеансамблей дефектов (дислокаций) у границ зёрен (рис. 5а); 2) образованиемультипольных структур внутри зерна (рис. 5б); 3) образование зернограничныхрасслоенийи/иликаналовдеформации(рис.5в).Приведеннаяпоследовательность структурных изменений характеризует релаксационныесвойства деформируемой среды.а)б)в)Рис. 5. Схема структурно-геометрических переходов накануне акта разрушения впоследовательности: приграничные дислокационные сплетения – а), мультипольныеобразования – б), каналы деформации – в)При исчерпании запаса пластичности инициируется отрыв материала собразованием поверхности разрушения. Также по результатам исследований вданном параграфе установлено: 1) по мере приближения к акту окончательногоразрушения структурные аккомодационные процессы микропластическойдеформации происходят в пределах локальных областей, размеры которыхуменьшается с ростом скорости деформации; 2) характерные размеры локальныхобластей не превосходит размеров зерна; 3) в последовательности выявленныхструктурных изменений пространственные размеры представительных объёмовс ростом скорости деформации меняются пропорционально.