Введение к работе
Актуальность темы исследования
В связи с непрерывно растущими требованиями к надежности и долговечности металлопродукции, повышаются требования к контролю качества, одним из аспектов которого является контроль микроструктуры металла.
Микроструктура материала отражает все кинетические процессы кристаллизации, полиморфные и другие структурные превращения при производстве самого материала, технологии обработки изделия и его эксплуатации.
Анализ микроструктуры носит в большинстве случаев субъективный характер, где много зависит от квалификации металловеда, при этом объективные количественные характеристики до последнего времени использовались ограниченно. Можно выделить только один показатель - балл зернистости, количественная оценка которого узаконена ГОСТом. Исследование микроструктуры сводится обычно к рассмотрению металлографического шлифа под микроскопом и сравнению увиденного изображения с изображениями, приведенными в соответствующей литературе и ГОСТе.
С развитием вычислительной техники металлография стала компьютерной, появилась масса программных продуктов, позволяющих измерять и рассчитывать многие количественные характеристики изображений и производить с ними различные математические и логические операции, но единых общепринятых количественных показателей микроструктур не существует. Достоинство количественного показателя определяется тем, насколько глубоко он отражает физические процессы структурных изменений при производстве материала, изготовлении и эксплуатации изделия. Количественные термодинамические показатели микроструктур отличаются тем, что отражают принципиальные стороны процесса и носят универсальный характер.
Целью настоящей работы является разработка и применение количественных структурно-энергетических показателей микроструктуры поликристаллических материалов и исследование с их помощью структурообразования материала при различных видах обработки изделий машиностроения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи исследования:
1. Проведение анализа количественного описания структуры материала, как набора геометрических объектов и оценка их информативных свойств.
2. Разработка количественных соотношений, отображающих состояние микроструктуры, базирующихся на термодинамике структурных изменений.
3. Разработка методики определения количественных структурно - энергетических показателей микроструктуры материалов.
3. Исследование микроструктурных изменений при различной технологической обработке материала, используя разработанные количественные микроструктурные соотношения.
4. Внедрение результатов работы в учебный и производственный процесс.
Научная новизна
1. Предложены количественные показатели и комплексы для описания интерфейса микроструктуры, отражающие его структурно-энергетическое состояние и активно реагирующие на структурные изменения деформационного и термического воздействия на материал.
2. Получены экспериментально-теоретические зависимости, позволяющие по микроструктурным показателям вычислять некоторые физико-механические свойства материала.
3. Установлено, что в области синергетического развития микроструктур между отдельными количественными показателями устанавливается детерминированная связь.
На защиту выносятся
1. Термодинамическое обоснование количественных показателей микроструктуры: фрактальной размерности (D) и плотности границ раздела (q), отражающих связь между поверхностной энергией границ и химическим потенциалом кристаллита.
2. Методика определения условной энергии Гиббса путем экстраполяции на нулевую глубину работы внедрения алмазного наконечника при микроиндентировании.
3. Закономерности изменения микроструктуры в количественных соотношениях при различных видах обработки.
Методы исследования
Теоретические положения диссертационной работы базируются на физике металлов, термодинамике неравновесных процессов и синергетике, а также физической мезомеханике.
При выполнении диссертационной работы использовались общепринятые методики определения структурного состояния и физико-механических свойства материалов, специальные методики определения условного потенциала Гиббса, количественных металлографических характеристик с помощью программы Image.Pro.Plus.5.1 и методика исследования структурной динамики в зоне стружкообразования при резании.
Экспериментальные данные обрабатывались с помощью пакетов прикладных программ (Microsoft Excel и Image.Pro.Plus.5.1). В работе использовались математическая статистика и теория вероятности.
Практическая значимость работы
Разработана методика определения количественных показателей микроструктуры поликристаллического материала.
Предложен метод определения балла зернистости, учитывающий все ГОСТовские требования и позволяющий определять балл зерна в более оперативном режиме.
Получены количественные соотношения, позволяющие рассчитывать некоторые механические характеристики материала по показателям микроструктур.
Результаты работы внедрены на ОАО «РН-Комсомольский НПЗ», ОАО «Амурметалл», ООО «Дальконтех» и учебный процесс.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждаются проведением экспериментальных исследований с применением современного оборудования на основе цифровых технологий, прошедшего государственную поверку; многократным повторением экспериментов в соответствии с положениями математической статистики; использованием общепринятых и специальных методик, а так же результатами промышленных внедрений на предприятиях Хабаровского края.
Апробация работы
Основные результаты работы были доложены и обсуждены на международных Российско-Китайских конференциях в городах Хабаровске и Харбине в 2007 и 2008 годах, на всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока» в 2007 году в Комсомольске-на-Амуре, на ежегодных научных конференциях аспирантов и докторантов ГОУ ВПО «КнАГТУ» и научных семинарах кафедры «Материаловедение и технология новых материалов» в 2006 – 2009 годах.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано шесть работ, в том числе одна статья в издании, рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Она изложена на 200 страницах машинописного текста, содержит ___ рисунка, ___ таблиц, списка литературы из ___ наименований.
