Введение к работе
'
Актуальность проблемы
В настоящее время в машиностроении сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ) используются в основном как функциональные материалы и находят применение в конструкциях различных соединительных и установочных деталей, исполнительных элементов и роботов, тепловых двигателей и др. Высокие характеристики механической усталости, износа, эрозии, демпфирования колебаний этих сплавов, демонстрирующие перспективность их применения для повышения работоспособности (надежности, долговечности и др.) элементов силовых систем, в сочетании с уникальными функциональными свойствами делают их конкурентоспособность просто недостижимой.
Непосредственное использование сплавов с ЭПФ в качестве конструкционных материалов хотя и открывает широкие возможности, но является дорогостоящим. До настоящего времени их применение ограничивается в основном отдельными нишами рынка из-за высокой стоимости и сложной технологии получения полуфабрикатов и деталей. Для компенсации этих недостатков необходимо создание новых экономичных технологий обработки поверхности и" нанесения покрытий из этих сплавов на детали машин.
Разработка технологий поверхностного модифицирования на основе сплавов с ЭПФ позволяет не только повысить механические свойства конструкционных материалов, но и обеспечить их новым комплексом функциональных свойств. Такие материалы могут быть использованы для создания разъемных соединений деталей машин, в которых на сопрягаемом участке поверхности детали получают слой сплава с ЭПФ, термомеханические свойства которого обеспечивают посадку с натягом при сборке соединения и свободную посадку при его разборке.
Работа выполнена по НИР "Повышение долговечности деталей машин с помощью создания поверхностных самоорганизованных структур с памятью формы" при поддержке Министерства образования Российской Федерации (код проекта 201.01.01.115) 2001-2002 гг.
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ? БИБЛИОТЕКА і
оа щ шяЭ/О 1
Цель работы - разработка методов повышения долговечности деталей поверхностным модифицированием материалами с памятью формы. Задачи исследования:
разработать методику прогнозирования прочности и циклической долговечности трехкомпонентных систем;
оценить функционально-механические возможности поверхностного модифицирования сплавами с ЭПФ;
разработать технологию поверхностного модифицирования среднеугле-родистых и низколегированных сталей сплавом с ЭПФ;
провести экспериментальные исследования долговечности сталей, поверхностно-модифицированных сплавом с ЭПФ.
Методы исследования. Исследования проводились экспериментальными и численными методами с применением математического моделирования. При этом использовались основные положения теорий: металловедения мартенситных превращений, механики разрушения, неравновесной термодинамики, фрактального материаловедения, технологии машиностроения.
Научная новизна. Разработана методика прогнозирования прочности и циклической долговечности трехкомпонентных систем на основе титана, позволяющая оптимизировать состав компонентов для поверхностного легирования.
Разработана технология аргонодуговой наплавки сплава с ЭПФ (нити-нола) на поверхность сталей 45 и 40Х с нанесением промежуточного подслоя из чистого металла (никеля), позволившая получить прочное и надежное покрытие требуемой толщины.
Разработан способ соединения деталей, имеющих цилиндрическую поверхность сопряжения, а тькже конструкция и способ получения составных коленчатых валов с помощью поверхностного модифицирования сплавом с ЭПФ.
Определены оптимальные размеры толщины покрытия из сплава с ЭПФ, обеспечивающие необходимые посадки с натягом гладких цилиндрических соединений, рекомендуемых Единой системой допусков и посадок (ЕСДП). *.' ' ' *
Разработана модернизированная методика мультифрактальной параметризации микроструктуры материалов с использованием ЭВМ, заключающаяся в изменении алгоритма разбиения геометрического множества носителя меры (микроструктуры) на ячейки, что позволило повысить точность определения мер ячеек при проведении мультифрактальной параметризации.
Практическая значимость работы. Экспериментально подтверждено
повышение циклической долговечности при многоцикловой усталости в усло
виях изгиба с вращением, малоцикловой механической и фрикционно-механи-
ческой усталости в условиях симметричного изгиба и граничного трения сталей
> 45 и 40Х после поверхностного-модифицирования сплавом с ЭПФ нитинол.
Разработана методика тренировки покрытия с ЭПФ для получения требуемых функционально-механических свойств. В основе способа лежит метод поверхностного пластического деформирования обкаткой роликами или шариками при охлаждении.
Разработана технология получения исполнительных элементов систем промышленных роботов в виде стальных стержней с промежуточным слоем сплава с ЭПФ, включающая самораспространяющийся высокотемпературный синтез и горячее изостатическое прессование порошка сплава нитинол, помещенного в оправку между стальными стержнями. Технология внедрена на ЗАО "Техническая керамика" (г. Краснодар).
На защиту выносятся:
- Методика выбора компонентов бинарных и тройных систем на основе ти-
ТОГІЇ» ТТТТСТ ГТҐ\ОР»'ПУиГ»Л'ГиґЧ'РЛ ТТ^Т'ТЛПЛООиТ.Га Г» ТТ«ГТТ ТЛ ТТ/-ЧТ>Т ТТТТііТЇІГ/Т «ТМ^тигал^л?} '«'- W»« ^.^^^^-r—/*** v-r *.*.*. V і. *J n». uj/иниіііш fc. I^VJIUIU UV/UWltUVUil/l JJ,JtAAVJ XXX X\*\SkWJX\.
долговечности.
Технология поверхностного модифицирования сталей сплавом с ЭПФ на основе титана {нитинол), включающая аргонодуговую наплавку и поверхностное пластическое деформирование обкаткой, повышающая их долговечность и расширяющая их функциональные возможности.
Результаты экспериментальных исследований циклической долговечности
сталей, поверхностно-модифицированных сплавом нитинол, при испытаниях на механическую и фрикционно-механическую усталость.
Модернизированная методика мультифрактальной параметризации микроструктуры материалов с использованием ЭВМ, заключающаяся в изменении алгоритма разбиения носителя меры с целью повышения точности расчетов мультфрактальных характеристик.
Способ получения разъемных соединений цилиндрических деталей, поверхностно-модифицированных сплавом с ЭПФ.
Расчет допусков и посадок разъемных соединений деталей машин, получаемых путем поверхностного модифицирования сплавом с ЭПФ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: Международной молодежной научной конференции "XXV Гагаринские чтения", 6-Ю апреля 1999, Москва, МАТИ (ТУ); Международной научно-практической конференции "Новые материалы и технологии на рубеже веков", 14-16 июня 2000, Пенза, ПГТУ; 5-ом Собрании металловедов России, 10-13 сентября
-
Краснодар, КубТТУ; 2-ом Международном междисциплинарном симпозиуме "Фракталы и прикладная синергетика", 26-30 ноября 2001, Москва, ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН; Всероссийской научно-технической конференции "Методы и технические средства оперативной оценки структурно-механического состояния металла элементов конструкций и машин", 26-28 ноября
-
Москва, МЭИ (ТУ); Международном конгрессе "Механика и трибология транспортных систем", 10-13 сентября 2003, Ростов-на-Дону, РГУПС.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 6 статей в отечественных изданиях и 1 в зарубежном издании. Общее количество страниц 83. Получен один патент и одно положительное решение по заявке на патент РФ, подано 2 заявки на патенты РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 7 глав^ приложения и перечня основных результатов и выводов. Она содержит 98 рисунков, 15 таблиц, список литературы из 195 наименований. Число страниц - 167.
