Введение к работе
Актуальность работы. Развитие научно-технического прогресса в области создания титановых изделий нового поколения требует совершенствования существующих и разработки принципиально новых научно-обоснованных, контролируемых технологических процессов, учитывающих структурные и фазовые превращения, как в материале заготовки на этапе её механической обработки, так и в материале готового изделия на этапе его эксплуатации, что обеспечит повышение качества и надежности работы деталей машин и изделий, увеличение их срока эксплуатации, что является одной из наиболее важных народнохозяйственных проблем.
Среди современных высокопроизводительных технологических процессов все более возрастает удельный вес эффективных высокоскоростных технологических процессов, со скоростью деформации 10+4...10+, 1/сек. В различных областях промышленности используется энергия взрыва и другие методы получения ударных волн для ковки, штамповки, прессования порошков, лезвийной обработки материалов.
Однако, при высокоскоростной обработке заготовок известны случаи охрупчивания поверхностей готовых изделий, например: «эрозия» лопаток паровых турбин в результате каплеударного воздействия частицами водяного пара; формирование «прижогов» в поверхностных слоях деталей при высокоскоростном шлифовании; интенсивный износ инструмента при повышении скорости механической обработки сверх определенного уровня.
Титан и его сплавы занимают одно из ведущих мест среди конструкционных материалов. Уникальное сочетание высокой удельной прочности и вязкости разрушения, коррозионной стойкости, немагнитности и высокой температуры плавления - определили их широкое применение в машиностроении, особенно при создании лопаток паровых турбин.
Однако титан имеет и свои специфические особенности, к которым, прежде всего, относится его полиморфизм, склонность к фазовым превращениям, высокая чувствительность низкотемпературной а- модификации к концентраторам напряжений и снижение её вязко-пластических свойств при высокоскоростном нагружении. Это, вероятно, обусловлено анизотропией ГПУ- решетки титана а, следовательно, анизотропией упругих и диффузионных свойств, а также, низкой теплопроводностью. Известно, что внутренние напряжения в металлах, вызванные градиентом температуры, пропорциональны отношению коэффициента теплового расширения к теплопроводности и упругой податливости. Для Mg, Zr, Ті эти отношения оказываются на порядок выше, чем в меди (с ГЦК) или молибдене (с ОЦК - решеткой).
К сожалению, отсутствуют систематические исследования структурных и фазовых превращений и связанного с ними перераспределения легирующих элементов при определенных высоких ударных нагрузках и контактных температурах в сплавах титана. Поэтому, работа по установлению закономерностей структурных и фазовых превращений, а также их влияния на повышение стойкости материала инструмента и надежности работы готовых изделий при высокоскоростной обработке, является, безусловно, актуальной.
Цель работы и задачи исследования. Цель настоящей работы заключалась в изучении закономерностей структурных и фазовых превращений под действием высокоскоростной обработки, с учетом упруго-напряженного поля, создаваемого в объеме титановых заготовок, как на этапе их механической обработки, так и в материале готового изделия на этапе его эксплуатации, направленных на повышение стойкости материала инструмента и надежности работы готовых изделий.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
изучить и проанализировать причины потери работоспособности инструмента при повышении скорости механической обработки сверх определенного уровня;
исследовать структурные и фазовые превращения в объёме титановых заготовок при высокоскоростной их механической обработке лезвийным инструментом с целью обеспечения возможности прогнозирования свойств поверхности и управления процессом стойкости материала режущего инструмента;
провести эксперименты по исследованию процессов протекающих в заготовках при высокоскоростной их механической обработке при одноосном ударном нагружении;
получить комплекс экспериментальных результатов по: оценке кратковременных механических свойств исследованных сплавов при комнатной и повышенных температурах; изучению коэффициентов пар трения; оценке линейного износа инструмента после лезвийной обработки исследованных сплавов;
разработать компьютерную программу и произвести расчёт полей внутренних напряжений термической анизотропии, создаваемых в объеме титанового полуфабриката вдоль границ зёрен с ГПУ- кристаллической решеткой при резких температурных и деформационных изменениях.
Научная новизна.
Показано, что при высокоскоростном нагружении двухфазных титановых сплавов, в материале формируется нагружающая волна пластической деформации, которая по мере своего движения модулирует структуру материала, разбивая ее на периодические самосогласованные мезо- объемы.
Показано, что после прохождения прямой волны, от тыльной стороны в материале заготовки формируется разгрузочная волна пластической деформации и разрушения, которая проходя вдоль границ мезо-объёмов, подключает ротационные (поворотные) моды пластической деформации и в условиях интенсивного тепловыделения совершает периодические локализованные адиабатические сдвиги и отрыв.
Разработана компьютерная программа и произведен расчет полей напряжений термической анизотропии, возникающих на границах зерен титана с ГПУ-решеткой при теплосменах. Наиболее "опасными", вызывающими остаточные напряжения растяжения, являются призматические границы зерен, ориентировки гексагональных осей которых приблизительно параллельны границе раздела.
Показано, что в поверхностном слое с тыльной стороны заготовки были обнаружены структурные вихри - эпицентры формирования ротаций. Показано, что зарождение вихрей, происходит вблизи наиболее опасных для сплавов титана, вы-
зывшощих растягивающие внутренние напряжения, призматических границ зерен.
Показано, что причиной снижения износостойкости инструмента при механической обработке двухфазных титановых сплавов, является формирование в материале заготовки модулированных высокопрочных вторичных структур, что приводит к повышению защитной износостойкости обрабатываемого материала заготовки, но снижает износостойкость режущей кромки инструмента.
В результате проведенных исследований получены новые технические решения, подтвержденные патентом РФ.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученный комплекс результатов структурных и фазовых превращений и физико-механических свойств титановых сплавов после высокоскоростной обработки позволил дать рекомендации для повышения качества поверхности титановых изделий, путем создания регламентированной структуры с заданными и стабильными свойствами.
Результаты работы были использованы на предприятиях НИИ "Энергосталь", ОАО "ЛМЗ", ООО "Орис-ММ".
Результаты работы нашли отражение при проведении автором практических занятий по дисциплине "Физика технологических процессов в машиностроении".
Достоверность результатов обеспечивается использованием фундаментальных положений физики твёрдого тела, большим объемом экспериментов, выполненных с привлечением современных методов исследования (стандартных и специально разработанных).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на 11 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе на: международной конференции «Прогрессивные технологии обработки материалов, режущий инструмент и оснастка», ПИМаш, СПб, 2002; II международной конференции «Технологии третьего тысячелетия», ПИМаш, СПб, 2002; VII Санкт-Пегербургской ассамблее молодых учёных и специалистов «Молодые учёные - Промышленности Северо-западного региона», СПбГПУ, СПб, 2002; XIV международной конференции «Петербургские чтения по проблемам прочности», РАН, СПб, 2003; международном форуме «Технологов-машиностроителей», ПИМаш, СПб, 2004; III международной конференции «Фазовые превращения и прочность кристаллов», Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, 2004; 10", 11", 12ой международных научно-технических конференциях «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов», СПбГУНиПТ, СПб, 2004, 2005, 2007; 13th American Physical Society Topical Conference on «Chock Compression of Condensed Matter», Portland, Oregon ,USA, 2003; II международной школе «Физическое материаловедение», УГТУ, Тольятти, 2006; I, II международных симпозиумах «Физика и механика больших пластических деформаций», ЦНИИ КМ «Прометей», СПб, 2002 2007; The 11th World Conference on Titanium, Kyoto, Japan, 2007; First forum of young researchers. In the framework of International Forum "Education Quality - 2008", ИжГТУ, Ижевск, 2008.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 31 печатных работах, в том числе в 1 патенте. 1 работа опубликована в рецензируемом научном журнале рекомендованном ВАК. Библиографический список основных работ приведён в конце автореферата.
Диссертационная работа была поддержана и выполнена автором: - в рамках личного Гранта среди студентов и научной молодежи Санкт-Петербурга в 2003 г на тему «Структурно-фазовые превращения в металлических заготовках при высокоскоростном нагружении» (н.р. М.А. Скотникова); - в рамках личного Гранта среди аспирантов и научной молодежи Санкт-Петербурга в 2006 г на тему «Повышение эффективности высокоскоростной механической обработки титановых заготовок с учётом волновой теории пластической деформации» (н.р. М.А. Скотникова); - в рамках Гранта РФФИ на тему «Структурно-фазовые превращения в металле лопаток паровых турбин из сплавов титана после высокоскоростной обработки» № 05-08-65442 (2005-2008 гг.) (н.р. М.А. Скотникова).
Структура и объем работы Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 135 наименований и приложения, изложена на 1#9 страницах, включая: 23 -таблицы, 103 рисунка.
