Содержание к диссертации
Введение 12
I. СПЛАВЫ С ЭПФ В ВИДЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПЕРСПЕКТИВЫ 14
1.1. Новые материалы. Функциональные сплавы с памятью 14
1.1.1. Эффекты памяти формы и сверхупругости. Механизмы и термомеханические характеристики 16
1.1.2. Никелид титана TiNi с ЭПФ. Способы получения
сплавов Ti-Ni 1.2. Механические свойства сплавов с ЭПФ (TiNi) 28
1.2.1. Диаграммы деформирования. Циклическая долговечность 28
1.2.2. Триботехнические свойства 30
1.2.3. Коррозионная, эрозионная стойкость, биосовместимость 34
1.3. Способы управления структурой и функционально механическими свойствами TiNi-сплавов с ЭПФ 37
1.3.1. Влияние состава сплава на свойства 37
1.3.2. Термическая и термомеханическая обработка 40
1.3.3. Технологическое наследование 44
1.4. Инженерные аспекты применений сплавов с ЭПФ в области машиностроения: технологии, достижения и новые тенденции.. 45
II. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ TiNi ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ОРГАНИЗАЦИЕЙ СТРУКТУРЫ 52
II. 1. Анализ возможностей использования лазерного воздействия для создания поверхностных слоев из TiNi сплава с ЭПФ 52
II.2. Энергетические характеристики импульсной лазерной наплавки никелида титана 54
П.З. Численное моделирование тепловых процессов при лазерной
наплавке TiNi на сталь 56
П.З. 1. Анализ и выбор методики расчета 57
II.3.2. Распределение поля температур в слое TiNi 62
III. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 65
III. 1. Исследуемые материалы и образцы 65
111.2. Конструктивные особенности и технологические возможности используемого оборудования 67
Ш.2.1. Лазерная наплавка 67
III.2.2. Комбинированный метод обработки 68
Ш.2.3. Метод термического переноса масс 71
111.3. Методика исследования структуры и свойств
Ш.3.1. Металлографический, рентгенофазовый, химический и дюрометрический анализ 73
Ш.3.2. Метод мультифрактальной параметризации 75
Ш.3.3. Исследование коррозионной стойкости 76
Ш.3.4. Исследование усталостных и триботехнических свойств 77
IV. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ПОВЕРХНОСТНО МОДИФИЦИРОВАННЫХ СЛОЕВ ИЗ СПЛАВА С ЭПФ 79
IV. 1. Технология лазерной наплавки TiNi 79
IV.1.1. Технологические особенности 79
IV. 1.2. Оптимизация параметров лазерной наплавки TiNi 81
IV.2. Структурные особенности поверхностных слоев из сплава TiNi 87
IV.3. Эволюция структурообразования в условиях процесса лазерной наплавки TiNi 94
IV.3.1. Возможности мультифракталыюго анализа в материаловедении 94
IV.3.2. Количественная оценка структуры и свойств слоя из сплава
TiNi методом мультифрактальной параметризации 95
I V.4. Управление параметрами структуры и функционально-механических
свойств поверхностных слоев из сплава с ЭПФ (TiNi) 102
IV.4.1. Варьирование составом поверхностных слоев
на основе сплава TiNi 103
I V.4.2. Влияние ТО на структуру, характеристики устойчивости и функционально-механические свойства слоя сплава TiNi 104
IV.4.3. Управление комплексом свойств TiNi-слоев методами ППД 108
IV.4.4. Оценка механических свойств TiNi-покрытий по фрактальным характеристикам в процессе обработки 117
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНО МОДИФИЦИРОВАННЫХ СЛОЕВ СПЛАВА С ЭПФ (TiNi) 122
V. 1. Твердость слоев из сплава TiNi на различных этапах цикла комбинированной обработки 122
V.2. Прочность сталей, содержащих поверхностный слой сплава
с ЭПФ (TiNi), при малоцикловом нагружении 123
V.2.I.Анализ технологии лазерной наплавки сплава с ЭПФ для повышения усталостной прочности и циклической долговечности деталей 124
V.2.2. Результаты испытаний на малоцикловую усталость 125
V.2.3. Механизм усталостного разрушения материала
с TiNi-покрытием 128
V.2.4. Влияние Ti-Ni-покрытий на повышение трибоусталостных свойств стали в условиях
фрикционно-механической усталости 131
V.3. Износостойкость поверхностных слоев из TiNi сплава с ЭПФ... 135
V.4. Коррозионная стойкость TiNi-покрытий 138
V.4.I.Воздействие растворов солей и кислот 139
V.4.2. Атмосферная коррозия: вода, морская среда и воздух 145
V.4.3.Общие результаты коррозионных испытаний 147
V.5. Технологическое наследование функционально-механических свойств поверхностно-модифицированного TiNi материала 149
V.5.I.Анализ механизмов наследования 149
V.5.2.Основные закономерности технологического наследования 150
VI. ПРИМЕНЕНИЕ ЭПФ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СПЛАВА TiNi ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 157
VI. 1. Технологические принципы и условия создания разъемных соединений, управляемых за счет термомеханического возврата 157
VI.2. Соединение вал-втулка фрикционной шпонкой с элементами сплава с ЭПФ 159
VI.3. Параметры функционирования TMPC с элементами сплава с ЭПФ в контакте с другими деталями 161
VI.4. Применение покрытий из сплавов с ЭПФ для расширения функционально-механических возможностей крепежных изделий 168
VI.4.1. Болтовое соединение с элементами сплава с ЭПФ для работы в условиях вибраций 170
VI.4.2. Допуски и посадки резьбовых соединений, поверхностно-модифицированных сплавом с ЭПФ 172
VI.4.4. Оценка напряженно-деформированного состояния резьбового соединения с поверхностно-модифицированным слоем сплава с ЭПФ МКЭ с учетом технологического наследования 175
Основные результаты и выводы 182
Список использованных источников 184
Приложения 2
Введение к работе
Новый класс функциональных материалов, к которому отнесены сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ), характеризуется широкими возможностями, исключительными с точки зрения традиционно применяемых в инженерии материалов, успешно реализуется в современных агрегатах и конструкциях. Технологии, использующие сплавы с ЭПФ, является интенсивно развивающейся и самостоятельной областью современного материаловедения, которая по объему вкладываемого капитала, наряду с нанотехнологиями, выходит на многомиллиардные (в долларовом исчислении) обороты и актуальны для таких областей производства, как авиа- и автомобилестроение, приборо- и машиностроение, медицина, космическая техника. С точки зрения экономичности принципиально новые возможности открывают принципы создания изделий, в которых функциональный материал составляет незначительную долю общей массы. В связи с этим, возникла необходимость разработки и развития высокоэффективных технологий поверхностного модифицирования сплавами с ЭПФ. В настоящее время, как показывает инженерная практика, покрытия из сплавов с ЭПФ (тонкие пленки 0,01-И 0 мкм) используются в индустрии микроэлектромеханических систем. Создаваемые с помощью микротехнологий они не могут быть использованы для получения композиционных материалов макроуровня, представляющих наибольший интерес в машиностроении. На данном этапе не проведено комплексных исследований структуры и свойств покрытий из сплавов с ЭПФ, обеспечивающих функционально-механические свойства объемного материала с памятью, и практически используемых в деталях машин и элементах конструкций. Что делает актуальным поставленные цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование особенностей структурообразования и свойств материалов с поверхностно-модифицированным слоем из сплава с ЭПФ на основе никелида титана с целью обеспечения функционально-механических свойств деталей.
Содержание диссертационной работы построено следующим образом: - в первой главе дана оценка современного состояния вопроса и перспектив использования сплавов с ЭПФ в виде поверхностно-модифицированных слоев в машиностроении, анализ их свойств, существующих технологий и инженерных аспектов применений; во второй главе анализируются возможности лазерной технологии для получения покрытий из сплавов с ЭПФ, рассматриваются вопросы численного моделирования тепловых процессов при лазерной наплавке сплава TiNi; в третьей главе описываются материалы и образцы для проведения исследования, конструктивные особенности и технологические возможности используемого оборудования, испытательные машины, методика исследования, средства измерения и диагностики; в четвертой главе приводится описание результатов отработки технологических режимов лазерной наплавки сплава TiNi на стали 40Х, ЗОХГСА, 12Х18Н9Т, 38ХНЗМФА; взаимосвязи и способов управления структурой и функционально-механическими свойствами слоя сплава TiNi методами термической и комбинированной обработки. Показаны возможности прогнозирования и оценки свойств 7Ж/-покрытий на основе эволюционного развития структурных параметров; в пятой главе представлены результаты следующих испытаний: чистой механической и фрикционно-механической усталости при малоцикловом нагружении, коррозионной стойкости. Для оценки циклической долговечности поверхностных слоев сплава TiNi после лазерной наплавки использован структурно-энергетический критерий. Развитие функционально-механического поведения поверхностных слоев сплава с ЭПФ в процессе поверхностного модифицирования рассмотрено с позиций технологического наследования; в шестой главе отражены: технологические принципы создания разъемных соединений, управляемых с помощью термомеханического возврата; новые конструктивно-технологические решения с применением поверхностных TiNi-споев с ЭПФ; расчетная оценка разъемных соединений с элементами сплава с ЭПФ.
