Диссертация (1144175), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Образецзакрепляется на специальном держателе, установленном на подвижном столике.Перпендикулярно поверхности образца подводится контртело. Усилие прижимаосуществляется при помощи грузов с известной массой. Скольжение контртелаотносительно образца обеспечивается путем вращения платформы с образцом,при этом столик, с закрепленным на нем образцом, совершает возвратнопоступательные движения. По окончании теста трибометр автоматическивычисляет коэффициент трения.Рис. 2.35. Пример профиля поверхности после трибологических испытаний73Для анализа степени износа образца дополнительно производилисьизмерения профиля поверхности образца в месте его истирания контактнымпрофилометром MarSurf PS1 (рис. 2.35).По построенному профилю поверхности вычисляется объем унесенногоматериала, и в соответствии с данными условий испытания и режима измерениятрибометр вычисляет коэффициент износа исследуемого образца.В качестве контртела выступает стальной шар марки 100 Cr6 диаметром 6мм, неподвижно закрепленный в стержневом держателе.
Прижимное усилие –4 Н. Амплитуда возвратно-поступательных движений – 5 мм. Для каждогоисследуемого материала индивидуально подбиралось количество циклов взависимости от толщины модифицированного слоя и шероховатости материала.Заданная длина исследуемого участка на профилометре составляла 4 мм.Полученные данные для исследуемых материалов представлены в таблице2.10.Таблица 2.10Результаты измерений коэффициента истирания№Материал1Титан 3М2Сталь08Х18Н10Т3БронзаБрАЖНМцОбработка–++–+––+Пробег,м44544102020КтрК,м /Н·10-1311,519 ± 2,665,217 ± 2,1227,215 ± 2,1272,219 ± 0,3781,973 ± 0,9192,804 ± 0,0042,67 ± 0,141,803 ± 0,2320,201 ± 0,0710,139 ± 0,010,121 ± 0,0160,190 ± 0,0270,162 ± 0,0150,121 ± 0,0050,1205 ± 0,0050,112 ± 0,005В таблице 2.10 обозначено Ктр – коэффициент трения для всего материалаобразца в целом; К – средний коэффициент износа по всему материалу.Можно отметить, что незначительное увеличение износостойкостиобразцов стали 08Х18Н10Т (около 12%) по отношению к необработанному74материалу обусловлено наличием волнистости поверхности образца послеобработки электронным пучком (рис.
2.36, 2.37).Рис. 2.36. Профиль поверхности образца стали 08Х18Н10Т в необработанном состоянииСвязано это с тем, что при проведении измерений на трибометре контртелоначинаетскользитьнепоровнойповерхности,апо«верхушкам»образовавшихся неровностей, что в свою очередь сказывается на процессеизноса.Рис. 2.37. Профиль поверхности образца стали 08Х18Н10Т после обработкиэлектронным пучком с плотностью энергии 30 Дж/см2, 2 импульса + 18 Дж/см2, 5импульсовНа рисунке 2.38 приведена зависимость коэффициента трения от времениэксперимента и пути контртела по образцу в процессе трибологическихиспытаний.75Рис. 2.38.
Зависимость коэффициента трения от времени эксперимента и путиконтртела образца стали 08Х18Н10Т после обработки электронным пучкомПроцесс истирания на первом участке (около 10 % от всего времениэксперимента) и на втором заметно отличается. Разница заключается вистирании неровностей поверхности на первом участке, на втором же участкепроцесс истирания аналогичен истиранию необработанной поверхности.Специфические условия трения на первом участке отражаются на формированиипрофиля истирания образца (увеличении уноса материала обработаннойповерхности), и как следствие, завышает коэффициент износа образцов смодифицированной поверхностью.Аналогичный эффект наблюдался и на БрАЖНМц, но так как бронза болеемягкий материал, то эти неровности быстро сглаживались, и их влиянием напроцесс эксперимента можно пренебречь (рис.
2.39).76Рис. 2.39. Зависимость коэффициента трения от времени эксперимента и путиконтртела образца бронзы БрАЖНМц после обработки электронным пучкомНа рис. 2.40 – 2.42 представлены виды образцов после обработкиэлектронным пучком по оптимальным режимам.Рис. 2.40. Вид образцов из титана 3М с модифицированной поверхностью77Рис. 2.41.
Вид образцов из стали 08Х18Н10Т с модифицированной поверхностьюРис. 2.42. Вид образцов из бронзы БрАЖНМц с модифицированной поверхностью2.3. Модификация поверхности материалов пучком электроновнаносекундной длительностиМодифицирование поверхности исследуемых материалов производилось спомощью экспериментальной установки, включающую электронный ускорителяГКВИ – 300 (рис. 2.43), измерительную аппаратуру, устройства регулированияи контроля условий облучения.
Функциональная схема78Рис. 2.43. Сильноточный ускоритель электронов ГКВИ–300ускорителя представлена на рис. 2.44.Рис. 2.44. Функциональная схема экспериментальной установки:1 – ускоритель пучка электронов; 2- исследуемый образец; 3 - пояс РоговскогоПараметры электронного ускорителя ГКВИ–300 следующие:1. Генераторэлектрическихимпульсоввыдаётодиночные (разовые)импульсы прямоугольной формы отрицательной и положительнойполярности, со ступенчато- плавной регулировкой амплитуды в пределахот 500 В до 300 кВ;2. Длительность импульса регулируется в интервале 2 – 100 нс;3.
Длительности фронтов нарастания и спадания импульса – 3 нс;4. Максимальный ток в импульсе 2,5 кА;795. Плотность тока регулируется в интервале 1 – 2500 А/см2;6. Относительный спад вершины импульса – 1,0%;7. Выходной импеданс – 300 Ом. В диапазоне изменения величиныимпульса от 0 до 60 кВ добавочно предусмотрено к выходному импедансу75 Ом;8. Время,необходимоедля полной готовности к повторному запускугенератора – 32 нс;9. Питание прибора от сети 220 В, 50 Гц;10. В качестве зарядной ёмкости используется два стандартных конденсатораКБГ 30 кВ, 0,5 мкФ, включённых последовательно;11. Длязарядкиформирующейлиниииспользуетсярезонансныйтрансформатор Тэсла.Исследуемые образцы обрабатывали сильноточным электронным пучком спараметрами: средняя энергия электронов – 250 кэВ, длительность импульсатока – 30 нс, амплитуда тока – 700 А, мощность потока импульса – 2,5·106 Вт/см2.Обработка поверхности проводилась в двух режимах: 1 – на поверхностьобразцов (диски диаметром 30 мм и толщиной 3 мм) воздействовали СЭП икатодный факел (КФ) (металлическая плазма), генерировавшийся с катода вследза пучком; 2 – на поверхность образцов воздействовал только СЭП.
Такиевоздействия в наносекундном диапазоне сопровождаются сверхвысокимискоростями нагрева (до 108 град/с) тонкого приповерхностного слоя вплоть дотемператур плавления, при этом процесс нагрева материала становитсясамоорганизующимся с аномальными эффектами в распространении илокализации тепла [70].Исследования образцов титана 3М на световом микроскопе «Аксиоверт»выявили следующие структурные изменения [71 – 72].
Для первого режимахарактерно образование волнообразной приповерхностной области высотой до25 мкм со стороны фронтальной поверхности, в которой возникла в результатеперекристаллизации α''- фаза с ромбической решёткой и остаточной β-фазой80(рис. 2.45). Микротвёрдость, измеренная с помощью микротвёрдомера «Аффри»при нагрузке 0,2 Н, в этом слое упала на 20 – 25% (рис.
2.46).Рис. 2.45. Структура титанового сплава 3М после воздействия катодного факела + СЭПРис. 2.46. Микротвёрдость в зоне воздействия катодного факелаДлявторогорежимаобработкинаблюдалосьобразованиеприповерхностной области, состоящей из двух зон. В первой (прифронтальной)зоне глубиной ~ 4 – 5 мкм структура не выявлялась, а микротвёрдость была вышеисходной более чем в 1,5 раза (рис. 2.47). Со стороны фронтальной поверхностиволнообразования не наблюдалось. Вторая зона высотой 15 – 20 мкм имелаволнообразной рельеф со стороны первой зоны, однако параметры волны(период и амплитуда) были в 2 – 3 раза меньше по отношению к волне дляобразцов, обработанных по первому режиму. Микроструктура и микротвёрдостьэтой зоны полностью соответствовали микроструктуре и81Рис.
2.47. Структура титанового сплава 3М после воздействия СЭПмикротвёрдости области образцов, обработанных по первому режиму.Необходимо отметить, что микротвёрдость образцов была существенно выше,чем после обработки электронным пучком микросекундной длительности.На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, чтовоздействие импульсного электронного пучка (без катодного факела) на сплав3М приводит к формированию закалочной структуры в приповерхностном слое(слое кристаллизации) с повышенными прочностными свойствами. Действиекатодногофакелаприводиткувеличениюпластическихсвойствприповерхностной зоны.
Однако качество поверхности образцов нельзяпризнать удовлетворительным.Аналогичные результаты были получены для бронзы и нержавеющей стали:образование волнистой поверхности (рис. 2.48) после совместногоа)б)Рис. 2.48. Структура бронзы (а) и стали (б) образцов после воздействия КФ + СЭПвоздействия катодного факела и СЭП (при этом толщина модифицированногослоя была существенно меньше 25 мкм (5 – 10 мкм)) и достаточно ровнаяповерхность после воздействия СЭП. При этом микротвёрдость также быласущественновыше,чемвслучаевоздействияэлектронногопучка82микросекундной длительности (рис. 2.49) (например, для стали 08Х18Н10Т HV240 против HV 200).На основании исследования воздействия СЭП наносекундной длительностиРис.
2.49. Микротвердость стали 08Х18Н10Т после воздействия СЭПна исследуемые материалы можно сделать вывод о том, что, несмотря наповышенные значения микротвёрдости, качество поверхности образцовнеудовлетворительное.83Выводы к главе 21. Установлены закономерности влияния рецептуры присадок, химическогосостава флюса и параметров технологического процесса лазерноголегирования поверхностного слоя изделий судовой арматуры из бронзыБрАЖНМц 9–4–1–1.
Применение в качестве присадки алюминия и флюса ссодержанием 20% хлористого калия, а также увеличение скорости обработкидо 13 мм/с, за счет повышения мощности излучения до 2,5 кВт при лазерномлегированииобеспечиваетповерхностногослояболееглубину700упрочненного,мкмприбездефектногодостижениизначениямикротвердости, превышающей более чем в два раза по сравнению состандартной обработкой.2.
Установлено, что при фиксированной плотности потока энергии вусловиях электронной–пучковой обработки поверхности металлическихсплавов с повышением количества импульсов излученияпараметрыизносостойкости титанового сплава 3М, нержавеющей стали 08Х18Н10Т ибронзы БрАЖНМц 9–4–1–1 снижается в 2 – 3 раза шероховатостьповерхности, повышается на 25 – 50% микротвёрдость приповерхностногослоя;3. Износостойкость модифицированных слоев образцов, обработанных пооптимальным режимам, выше по сравнению с основой в 1,5-1,6 раз длябронзы БрАЖНМц и титана 3М, и как минимум в 1,15 раз для нержавеющейстали 08Х18Н10Т.
При этом коэффициент трения меньше по сравнению сосновой в 1,6 раза для титана 3М, в 1,17 раза для нержавеющей стали08Х18Н10Т и в 1,1 раза для бронзы БрАЖНМц.4. В случае обработки поверхности образцов сильноточным электроннымпучком наносекундной длительности качество поверхности, несмотря наповышенные значения микротвёрдости по отношению к воздействию пучкамикросекундной длительности, неудовлетворительные.843.3. Механические испытания исследуемых материалов3.1.СтандартныеСтандартные механические испытаниямеханическиеиспытанияобразцовпроводилисьвсоответствии с ГОСТ 1497 – 84. В процессе испытаний определялись следующиехарактеристики материалов: 0.2 – предел текучести уловный, B –временноесопротивление (предел прочности),5 –относительное удлинение, –относительное сужение.
Результаты испытаний приведены в таблице 3.1.Основнымистатистическимихарактеристиками,применяемымивнастоящей главе, являются:1. Математическое ожидание (среднее арифметическое из n испытаний)n x x i / n ;i 12. Выборочная дисперсия2 nS n ( x i x ) 2 /( n 1) ; i 13. Доверительный интервал математического ожидания x t ,k S n n ,где t ,k значение квантили уровня p 1 / 2 для числа степеней свободыk n 1распределенияСтьюдента[73],p 0,95 доверительнаявероятность.Количество испытаний на одну точку в данном разделе равнялось n 6 .Таблица 3.1Стандартные механические характеристики испытанных материаловМатериал 0.2 ,B,5 ,Титан 3ММПа660 ± 10МПа715 ± 10%22 ± 1,%36 ± 108Х18Н10Т275 ± 15595 ± 1559 ± 170 ± 2БрАЖНМц 9-4-1-1385 ± 15725 ± 535 ± 136 ± 1Примечание: округление значений произведено в соответствии с таблицей 2 ГОСТ 1497– 84.3.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
