Введение к работе
Актуальность проблемы
Важными задачами являются разработка и применение новых прогрессивных методов упрочнения и микролегирования изделий с целью повышения уровня эксплуатационных свойств, использование высркоконцентрированных потоков энергии для упрочнения и легирования деталей машин, технологической оснастки и инструмента. Решение этой проблемы является перспективным в связи, с возможностью целенаправленной организации структуры металлов и сплавов и, как следствие, получения нетривиального комплекса физических и механических свойств.
Эффективным способом перестройки структуры металлов является воздействие на них импульсных нагрузок. Высокие импульсные нагрузки в ходе такой обработки приводят к появлению метастабильных структурных формообразований, которые не могут быть однозначно оценены с позиции статических процессов.
В настоящее время способы обработки металлических материалов с использованием импульсных нагрузок распространены недостаточно широко. Актуальность исследований в этом направлении обусловлена сложностью и недостаточной изученностью механизмов и эффектов, сопровождающих процессы упрочнения и микролегирования металлических материалов, что сдерживает разработку рекомендаций прикладного характера применительно к таким высоким технологиям, как взрывное упрочнение и легирование.
Решение этих важных научных и практических задач является комплексной проблемой, включающей знания условий динамической нестабильности материалов и перестройки структуры в этой области при взаимодействии с существовавшими в металле и вводимыми включениями.
Получение достоверных теоретических и экспериментальных данных по взаимодействию потока микрочастиц с дестабилизированной металлической преградой, по созданию локализируемых формообразований в объеме металла является актуальной задачей и важным научным направлением на пути совершенствования технологии создания композиционных материалов и улучшения их качества.
Детальное исследование структур металлов, возникших в результате их взаимодействия с вводимым потоком микрочастиц, выявило сложный механизм взаимодействия вводимых микроударников и матрицы и возможность управления этим процессом. На основании выполненных исследований в диссертации разработаны теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как новые крупные достижения в развитии материаловедения, порошковой металлургии и композиционных материалов, позволяющие прогнозировать развитие фазовых
и структурных переходов, а также целенаправленно конструировать структуру металлических материалов при взрывном легировании и получить новый тип композиционных- материалов с уникальным комплексом физических, механических и эксплуатационных свойств.
Связь работы с крупными научными программами, темами
Работа выполнялась в Белорусском государственном научно-техническом
концерне порошковой металлургии р соответствии с тематикой НИИ
импульсных процессов с опытным производством. Фундаментальные
исследования проводились в рамках государственных программ "Материал" №
ГР 19942676 от 19.09.1994 г., "Поверхность" — задание "Влияние поверхности
раздела на изменение физико-химических параметров металлических мишеней
в условиях сверхглубокого проникания" № ГР 19963869 от 2S.12.1994 г.,
задание "Создание материалов с анизотропной структурой и свойствами в
диапазоне условий динамического нагружения" № ГРІ9974078 от
02.12.1997 г.
Цель работы
Создание научных основ процесса "сверхглубокого" проникания микрочастиц в преграды, разработка на этой основе приемов целенаправленного изменения структуры и свойств металлических материалов, а также получения композиционных материалов нового типа для инструмента горной и машиностроительной промышленности.
Для ее достижения предполагалось решить следующие основные задачи:
1. Проанализировать условия возникновения аномалий, проникания
ударников в металлические преграды и определить факторы, ответственные за
их появление.
2. Определить условия реализации "сверхглубокого" проникания.
-
Создать ускорители порошковых частиц, обеспечивающие разгон большой массы и стабильность воспроизведения "сверхглубокого" проникания.
-
Исследовать обрабатываемые материалы на различных уровнях и выявить характерные особенности структурных изменений.
-
Изучить влияние параметров обработки на процесс "сверхглубокого" проникания, физико-механические свойства обработанных материалов и выявить факторы, ответственные за управлением процессом.
6. Разработать и внедрить технологию взрывного легирования для
производства композиционных материалов на основе экономнолегированных
сталей.
Объект н предмет исследований
Объектом исследования является металлическое твердое тело, подвергнутое бомбардировке потоком микрочастиц. Изменения исходного металла на различных структурных уровнях настолько велики, что в результате возникает новый материал, армированный по объему зонами перестроенной структуры и волокнами, образовавшимися в процессе взаимодействия между вводимым и матричным веществами.
Предметом исследования является область условий соударения тел, в рамках которой наблюдается аномальное внедрение ударников в мишень. Общепризнанные модели процесса соударения не позволяют объяснить экспериментальные результаты. Эти условия соответствуют взаимодействию порошковых микрочастиц с компактным телом при-взрывной обработке и некоторым случаям соударения космических аппаратов с пылевыми облаками.
Гипотезы
Известные экспериментальные случаи отклонения от' порогового значения относительной глубины кратерообразования (обычный кратер имеет отношение глубины к диаметру ударника не более 6) предполагают возможность существования узкой области аномального ударного взаимодействия, в рамках которой реализуется специфический механизм, обеспечивающий снижение удельной энергии кратерообразования, по-видимому, за счет концентрации энергии удара в локальной зоне.
Увеличение относительной глубины проникания на порядки, усиление роли этапа сжатия кратера (уменьшение отношения диаметра кратера к диаметру ударника) должно приводить к существенной неравномерности поля давления в материале, в условиях временного ограничения тепломассопереноса, а столь экстремальные режимы нагружения могут обеспечить объемные изменения структуры и, соответственно, физико-механических свойств обработанного металла.
Методология и методы проведенного исследования
Для исследования процессов формирования высокоскоростной струи частиц порошка использовала известные методики регистрации в импульсном режиме для установки ПИР-4 (импульсный рентген), для установки ВФУ-] (скоростная фотосъемка).
Приготовление образцов и анализ металлов и сплавов производились по известным методикам. Электрохимический анализ выполнялся по методикам и
на оборудовании НИИ порошковой металлургии. Использовали известные методики активационного анализа, механических и модельных испытаний.
Разработана и использовалась методика оценки параметров каналообразования на растровом электронном микроскопе.
Научная новизна и значимость полученных материалов
При соударении порошковых частиц с металлическими мишенями впервые обнаружены кратеры с отношением их глубины к диаметру ударника 102 - 104 (обычные кратеры - 6), что доказывает существование аномальной области взаимодействия при ударе с резким снижением удельной энергии кратерообразования, обеспечивая возможность объемного изменения структуры металла.
Установлено, что "сверхглубокое" проникание стабильно реализуется при соударениях со скоростями свыше 500 м/с только при размерах ударников меньше 500 мкм, времени нагружения свыше 10 мке и только в случае нагружения металлической преграды потоком ударников (для одиночных невозможно), что на основании сопоставимого анализа впервые позволяет объяснить случаи аномального кратерообразования (отклонения от порогового значения относительной глубины) определяющим влиянием масштабного фактора и наличием специфического механизма перераспределения энергии макроудара потока в кратерные зоны, образованные отдельными частицами.
Аппроксимацией экспериментальных результатов получены зависимости формируемой канальной структуры от диаметра ударника и глубины и построен среднестатистический "сверхглубокий" кратер, что в рамках динамической системы сталь Р6М5 — частица TiB2 (время нагружения до 200 мке) на основе анализа формального расчета кратерообразования впервые позволило показать снижение динамического предела текучести стали, в зависимости от размера исходных частиц, на 1-4 порядка по сравнению со "статистическими" значениями и дополнительный подвод энергии в канальную зону.
Обосновано научное положение о кумуляции энергии в узкой канальной зоне тем, что эта зона по степени удаления от оси состоит из разупорядоченной "аморфизированной" (фрагментизированной), сильно искаженной и ячеистой структуры и не повышает в поперечном сечении 4-х размеров остатка ударника, т.е. меньше ОД исходного размера ударника.
В условиях относительно длительного нагружения (сотни микросекунд)
струей микрочастиц с переменной плотностью и скоростью различных
участков обрабатываемый материал становится динамически
саморегулируемой системой, чю приводит к объемным изменениям структуры на субмикро-, микро- и макроуровнях, выделению энергии в виде
электромагнитного излучения, неаддитивному характеру изменения концентрации вводимого вещества при увеличении числа циклов обработки, необычным структурным новообразованиям при дополнительной дестабилизации струи.
Впервые обнаружено образование композиционного материала па основе металлического твердого тела, основанное на физико-химическом взаимодействии вводимого и матричного веществ в зонах "сверхглубоких" каналов, где за счет кумуляции энергии одновременно реализуются — высокое давление, интенсивные сдвиговые деформации и ограничение на теплоперенос й период взаимодействия, что в совокупности создает условия сверхпластичности, приводит к формированию на базе каналов волоконных образований.
Впервые выявлен эффект избирательного— массопереноса при "сверхглубоком" проникании, заключающийся в том, что при равных начальных условиях для некоторых пар взаимодействующих материалов (ударника и преграды) "сверхглубокое" проникание не происходит, микроударник отклоняется. На основе динамической системы железо-титан-частица NbB сделана оценка силового поля — 5-Ю Кдж/кг, отклоняющего частицу от границы раздела железо-титан, чем дополнительно доказан комплексный характер процессов превращения энергии, протекающих при "сверхглубоком" проникании, в частности, влияние электромагнетизма.
Доказаны научные положения " об управлении динамически саморегулируемой системой, реализуемой при "сверхглубоком" проникании, и, соответственно, возможности дальнейшего развития этого научного направления путем регулирования факторов, предопределяющих дополнительную дестабилизацию системы: длительность нагружения, неоднородность струи, дополнительный подвод энергии.
Установлено, что в материалах, обработанных высокоскоростной струей микрочастиц, структура изменяется по объему, за счет кумуляции энергии вводимое вещество взаимодействует с матричным материалом на глубинах в десятки миллиметров, формируя стабильные и метастабильные соединения и структурные образования, существенно меняя уровень физико-механических свойств исходного металла.
Комплекс этих факторов обеспечивает принципиально новое научное и практическое направление формирования материалов с заданными структурой и свойствами.
Практическая (экономическая) значимость полученных результатов
В диссертации изложены научно обоснованные технологические результаты получения новых композиционных инструментальных материалов
на базе экономнолегированных быстрорежущих сталей. Выполненная оценка уровня физико-механических характеристик позволяет обосновать использование новых материалов в металлорежущем инструменте. Разработанные технологические процессы показывают возможность эффективного совмещения известных и новых технологических операций. Ограничение в этом случае накладывается только на длину исходных заготовок. Можно рекомендовать использование новых инструментальных материалов взамен базовых сталей в случае производства. инструмента повышенной стойкости. Производителем такого инструмента может стать, например, МЗСИ и ТО.
В специфических условиях настоящего времени наиболее эффективно использование процесса взрывного легирования и материалов на этой основе для горнодобывающих предприятий нашей республики.
Самым крупным потребителем . данной продукции .является ПО "Беларуськалий". Это связано, в первую очередь.'с уровнем разработки новых материалов и конструкций горного инструмента для калийных рудников.
. В условиях калийных шахт на различных типах горных комбайнов получена стойкость инструмента, армированного новым композиционным материалом, в 1,5-10 раз более высокая, чем у аналогичного, армированного вольфрамокобальтовым твердым сплавом. В результате повышена производительность добычи руды, снижена энергоемкость и эксплуатационные затраты, улучшетш социально-бытовые условия работы шахтеров. Оценка потребности ПО "Беларуськалий" в этом инструменте составляет 50000 резцов в год. В 1997 году поставки нового инструмента резко увеличились, и по результатам его эксплуатации в 1998 году выполняется переход легких и средних машин на новые инструментальные материалы.
В начале 1998 года на новые резцы перешли 12 горных участков. Переход на новый инструментальный материал, осуществляемый на ПО "Беларуськалий", его масштабы представляют качественно новый шаг в области инструментального горнорежущего инструмента. Аналогов такого перехода за последние десятилетия в мире нет.
Учитывая специфику опытного производства НИИ импульсных процессов с ОП, организована поставка режущих вставок из нового материала на Солигорском заводе технологического оборудования. В результате с 1997 г. по I квартал 1998 г. ПО "Беларуськалий" получил 27 тысяч единиц нового горного инструмента. НИИ ИП организовал поставку нового материла в Россию на СП "Пигма-Кеннаметал". Осуществлена передача элементов технологии, поставка материалов на КБ Южное ( г. Днепропетровск). Выполнены поставки новых материалов в Италию, США и Голландию.
Практическое применение научных результатов позволяет организовать в Республике Беларусь производство, ориентированное на внутреннее
потребление (калийные рудники) и экспорт в промышленно развитые страны. Научные результаты могут использоваться для прогноза соударения космических аппаратов с пылевыми облаками.
В результате экспорта в 1994-95 гг. получено 18000 долларов США. В 1997-98 гг. реализовано материалов и горнорежущего инструмента потребителям в Беларуси на 847 млн.рублей. Выполняется поставка по договорам 1998 г. на 3393000 тыс.рублей. Заключены договора на поставку материалов СП "Пигма-Кеннаметал" на 50000 долларов США.
Экономический эффект от внедрения горнорежущего инбтрумента, ^армированного новым композиционным материалом, в России на СП "Пигма-Кеннаметал" составил 10666250 новых российских рублей в 1997 году.
Экономический эффект от внедрения горнорежущего инструмента, армированного новым композиционным материалом, в „Республике Беларусь на ПО "Беларуськалий" за 1997 год' составил 22069800000 рублей. Долевое участие автора составило 50%, т.е. 11034,9 млн.бел.руб. и 5,333 млн.рос.рублей.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
1. Условиями, определяющими переход обычного кратерообразования
(отношения глубины кратера к диаметру ударника до 6) к аномальному,
являются переход от соударения с единичными объектами к соударению с
потоком ударников и изменение масштаба области взаимодействия, то есть
переход от макро- к микроудару, что доказывает существование
специфической области взаимодействия при ударе, в рамках которой
аномальное кратерообразование реализуется стабильно, а следовательно,
происходит объемное изменение структуры обрабатываемого материала.
2. В области аномального кратерообразования формируются
"сверхглубокие" каналы глубиной 102 - 10 и диаметром 10"' - 10'3 от
исходного размера ударника, а структура канала состоит из центрального
"аморфизированного" стержня, образованного при взаимодействии вводимого
и матричного веществ, и прилегающей к нему зоны интенсивной пластической
деформации, не превышающей в поперечном сечении 4-х диаметров стержня,
что определяет существенную роль этапа сжатия канала, подвод энергии из
внешней области в канальную зону, кумуляцию энергии и, соответственно, с
учетом фактора времени, возрастание энергоемкости материала в этой зоне.
3. Физический механизм "сверхглубокого" проникания микроударников
в металл, основанный на допущениях о реализации в канальной зоне состояния
текучести за счет высокого давления, температуры, интенсивной деформации и
ограниченного теплоотвода, а также подталкивания ударника догоняющей
струей, возникающей при схлопывании канала из-за объемных изменений в
металле и градиента давления между различными зонами, позволяющий объяснить резкое снижение сопротивления прониканию, необычные структурные образования, другие наблюдаемые эффекты и прогнозировать условия управления процессом.
4. Схема взрывного ускорителя, технология взрывного легирования металлов и инструментальный композиционный материал на основе быстрорежущих сталей, обеспечивающие создание квазистабильной кумулятивной струи порошка, заданные объемные изменения структуры и комплекса физико-механических свойств обрабатываемого материала, создание инструмента с новым уровнем эксплуатационной стойкости.
Личный вклад соискателя
Автор настоящей диссертационной работы первым обнаружил явление "сверхглубокого" проникания микроударников в металлические мишени, установил фактор, определяющий отклонение от предельной относительной глубины кратерообразования, определил условия стабильного воспроизведения результатов, обеспечив тем самым базовую возможность процесса. Ушеренко СМ. доказал наличие изменений структуры обработанного материала на субмикро-, микро- и макроуровнях, построил модель среднестатистического "сверхглубокого" канала. Автор сформулировал предположения, которые легли в основу данной работы, доказал локализацию энергии удара потока частиц в различных масштабных зонах обрабатываемого материала и выполнил оценку динамических свойств стали. Выдвинул предположение о реализации эффектов сверхпластичности при формировании канальной зоны, перехода металла в этой зоне в метастабилыюе состояние. Совместно с Л.В.Альтшулером, С.К.Андилевко и Г.С.Романовым обосновал механизм подвода энергии к частице»
Ушеренко СМ. обнаружил волоконные образования в металле после обработки и совместно с В.А.Шилкиным и О.А.Дыбовым выполнил их исследования.
Он осуществлял ' постановку задач, предлагал пути решения научных проблем. Ушеренко СМ. лично активно участвовал в выполнении приведенного в настоящей работе цикла экспериментальных исследований уровня физико-механических свойств обработанных сталей, в создании эффективных порошковых составов, в модельных и эксплуатационных испытаниях на всех стадиях. Автор лично участвовал в многочисленных заводских и шахтных испытаниях, в том числе в условиях угольных шахт. Совместно с О.В.Романом и Г.С.Романовым автор обеспечил организацию международной дискуссии по полученным экспериментальным результатам, рассмотрение различных модельных представлений. В итоге многочисленных
публикаций и выступлений полученные им и его коллегами результаты признаны в научном мире, а приоритет исследований, выполненных в Республике Беларусь, никем не оспаривается. Совместно с Дорошкевичем.Е.А. обосновал необходимость расширения работ и выполнил исследования по изменению структуры и свойств материалов.
В комплексе проведенные исследования позволили автору создать новое
научное направление объемного легирования и модифицирования структуры и
свойств металлических материалов динамическим нагружепием потоком
порошковых частиц. Основные положения и выводы данной диссертационной
' 'работы сформулированы Ушеренко Сергеем Мироновичем лично.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на:
II и III республиканских конференциях "Спеченные износостойкие
материалы"(г. Таллинн, 1977 и 1981 гг.); Всесоюзной научно технической
конференции по использованию. импульсных- источников энергии в
промышленности (г. Харьков, 1980 г.); научно технической конференции
"Порошковая металлургия и области ее применения" (г. Пенза, 1982 г.);
секции "Физико химические превращения в ударных волнах" Академии наук
СССР, отделения общей и технической химии, Научного совета по проблеме
"Теоретические основы процессов горения" (г. Минск, 4 октября 1978 года);
Всесоюзной школе семинаре "Применение взрыва в эксперименте. Физика
взрыва"(г. Красноярск, 1984 г.); 1 Всесоюзном симпозиуме по химической
кинетике и газовой динамике (г. Алма Ата, 1984 г.); XI и XII научных
семинарах "Влияние высоких давлений на вещество" (Одесса, 1986,1987 гг.);
Всесоюзном совещании "Применение высоких давлений для получения новых
материалов и создания интенсивных процессов химических технологий" (г.
Москва, 1987 г.); III и IV Всесоюзном совещании по детонации (г. Таллинн,
1985; Телави, 1987 г.); XII Всесоюзной конференции "Физика прочности и
пластичности металлов и сплавов" (г. Куйбышев, 1989 г.); Всесоюзном
совещании "Влияние внешних воздействий на массоперенос в металлах" (г.
Киев, 1990 г.); Международном симпозиуме по химии ударных волн (г.
Красноярск, 1991 г.); Международной конференции по физике
высокоэнергетических воздействий (г. Минск, 1992 г.); на периодических
заседаниях секции "Синтез новых материалов динамическими методами"
Научного совета ГКНТ СССР "Теория и практика применения высоких
давлений в народном хозяйстве"; Международной конференции "Проблемы
современного материаловедения"(г. Днепропетровск, 1995 г.);
Межгосударственном семинаре "Высокоэнергетическая обработка материалов" (г. Днепропетровск, 1995 г.); Международной конференции по механике и
физике поведения материалов под динамическими нафузками (Евродаймат 94, Оксфорд, 1994 г.); Международной конференции по металлургии и материалам, 'Применению ударных волн и высокоскоростных явлений (Экспломет 95, Эль Пасо, Техас, 1995 г.); Международной конференции "Ударные волны в конденсированных материалах" (г. С. Петербург, 1996 г.); XI Симпозиуму по горению и взрыву (г. Черноголовка, 1996 г.); Международной конференции по технологии модификации поверхности (г. Париж, 1997 г.); II Межгосударственном семинаре "Высокоэнергетическая обработка материалов" (г. Днепропетровск, 1997 г.).
Опубликовашюсть результатов
Основные результаты изложены в 120 работах, из них 17 журнальных статей в центральных и 8_ в международных журналах, 3 обзорные информации, 22 статьи в сборниках (3 международных), 6 тезисов докладов (1 международный), 1 монофафия, а также 63 авторских свидетельства. Общее количество страниц опубликованных материалов составляет 492.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, семи глав, общих вывЪдов, списка литературы и приложения. Она изложена на 198 страницах машинописного текста, содержит 216 иллюстраций, 52 таблицы, 4 приложения и список использованных литературных источников в количестве 236.
