Содержание к диссертации
Введение 3
Глава I. Изменение констант упругости различных сплавов в зависимости от их состава и строения.
Обзор литературы 43
1.1. Краткие сведения о методах определения констант упругости №
1.2. Сплавы механические смеси Zi
1.3. Сплавы твердые растворы ЦО
1.3.1. Неограниченные твердые растворы 40
1.3.2. Ограниченные твердые растворы 55
Выводы 63
Глава 2. Оборудование, методика и материалы исследований $5
2.1. Ультразвуковая импульсная установка и методика исследования 65
2.2. Анализ погрешностей измерений 72
2.3. Материалы исследования 7&
Выводы Ы
Глава 3. Исследование концентрационной зависимости констант упругости сплавов, находящихся в различных фазовых состояниях. Результаты экспериментов и их
обсуждение
3.1. Сплавы механические смеси В Ъ
3.1.1. Сплавы механические смеси во всей области концентрации Sh
3.1.2. Сплавы механические смеси в ограниченной области концентраций Or
3.1.3. Некоторые замечания относительно характера концентрационной зависимости констант упругости сплавов механических смесей 97
3.1.4. Сравнение экспериментальных и расчетных значений модуля упрутости для ряда систем сплавов механических смесей
3.1.5. Основные факторы, определяющие характер концентрационной зависимости модуля упругости в сплавах механических смесях 404
3.1.6. Влияние формы и дисперсности фаз сплавов механических смесей на величину констант упругости 403
3.2. Сплавы твердые растворы 44
3.2.1. двойные твердые растворы титан-цирконий, титан-гафний, гафний-цирконий 445
3.2.3. Тройные твердые растворы титан-цирконий-гафний
3.2.4. Сплавы медь-никель
3.2.5. Сплавы редкозмельных металлов
3.2.6. Исследование твердых растворов в ограниченной области концентраций
3.2.7. Общие закономерности изменения концентрационной зависимости модуля Е в сплавах твердых растворах
3.3. Сплавы, содержащие промежуточные фазы 440
3.3.1. Сплавы медь-цинк
3.3.2. Сплавы медь-іалюминий 445
3.3.3. Сплавы медь-олово 44$
3.3.4. Сплавы железо-никель 44В
Выводы 451
Глава 4. Исследование влияния некоторых факторов на константы упругости металлических материалов
4.1. Влияние водородного воздействия на константы упругости железоуглеродистых сплавов ™
4.1.1. Влияние длительности водородного воздействия 453
4.1.2. Зависимость констант упругости железа от изменения его сплошности при наводороживании и всестороннем сжатии 457
4.2. Влияние легирования и термической обработки на константы упругости высокохромистых сплавов на основе никеля 464
4.3. Влияние определенных технологических факторов получения бериллия на его константы упругости
Выводы 4 84
Заключение 48&
Литература 484
Приложение I 496
Приложение 2 497
Приложение 3 49&
Приложение 4 499
Акты внедрения
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития Советского Союза в одиннадцатой пятилетке предусмотрены,в частности, разработка и внедрение высокоэффективных методов повышения прочностных свойств металлов и сплавов, производство новых конструкционных материалов, покрытий и изделий, обладающих повышенной прочностью. Поэтому в настоящее время большое значение придается теоретическим и экспериментальным исследованиям, связанным с решением проблемы повышения прочности существующих и вновь создаваемых материалов.
При расчетах на жесткость и прочность различных конструкций, для оценки остаточных напряжений, усталостной прочности, износостойкости, вибропоглощающей способности и других эксплуатационных свойств материалов требуется знание величин их констант упругости: модуля упругости (Е), модуля сдвига (G) и коэффициента Пуассона (JH).
Изучение констант упругости представляет также научный интерес, поскольку они связаны с параметрами взаимодействия в кристаллических решетках. Факторы, вызывающие изменение этих параметров, оказывают влияние на уровень характеристик упругости, которые связаны определенными соотношениями с другими физическими характеристиками материалов /1/.
Хотя в литературе опубликовано много работ, посвященных изучению различных свойств металлов и сплавов, однако данных, касающихся их констант упругости, все еще мало. Особенно остро как в отечественной, так и в зарубежной литературе, ощущается недостаток надежных экспериментальных работ по систематическому исследованию влияния состава и строения сплавов на их константы упругости /2/. Возможно, что недостаточное внимание исследователей к изучению данного вопроса обусловлено недооценкой важности значения констант упругости при использовании существующих и вновь создаваемых материалов в различных областях техники. Кроме того, нет единого мнения относительно степени влияния различных факторов на величину констант упругости. Б литературе, с одной стороны, встречаются вывказывания о малости влияния изменения состава или строения металлических материалов на величину констант упругости и о возможности пренебрежения таким влиянием при решении различных технических задач /3/. С другой стороны, в некоторых работах (например, в /4/) отмечена высокая чувствительность значений констант упругости к изменению состава и строения сплавов и необходимость учета этого обстоятельства при практическом использовании материалов.
Недостаток информации о концентрационной зависимости констант упругости затрудняет прогнозирование значений этих констант сплавов по данным о величинах констант упругости компонентов. В различного рода справочных пособиях приводимые для модуля Е сведения относятся в основном к чистым металлам и в значительно меньшей мере к некоторым сплавам. Причем, приводимые разными авторами сведения о константах упругости для одного и того же металла или сплава часто существенно отличаются по значению.
Следует отметить, что достаточно точные и надежные радиотехнические и ультразвуковые методы определения констант упругости появились относительно недавно и в настоящее время нет промышленных установок для проведения таких работ.
Цель данной работы - провести систематическое исследование сплавов различного фазового состояния в широкой области концентраций компонентов с использованием единой методики исследования, обобщить имеющиеся и полученные результаты для выявления закономерностей изменения констант упругости в зависимости от состава и строения этих сплавов. На основе установленных закономерностей оценить влияние технологических факторов получения некоторых металлических материалов и условий их эксплуатации на величину констант упругости.
Изучение поставленных в работе вопросов является дальнейшим развитием и уточнением идей академика Н.С. Курнакова о связи между видом диаграмм состояний и свойствами сплавов /5/. Кроме того, представлялось, что это исследование будет иметь и практическое значение, так как позволит прогнозировать величины констант упругости сплавов различного состава и строения по данным для чистых компонентов.
Поставленная цель определила необходимость решить следующие конкретные задачи:
1. Проанализировать литературные данные, охватывающие методики определения констант упругости и влияние на уровень этих констант изменения состава и строения металлических материалов.
2. Разработать единую методику, позволяющую определять константы упругости материалов при малых напряжениях с высокой точностью и провести исследование сплавов различного типа (спла-вов-механических смесей, сплавов-твердых растворов и сплавов, содержащих промежуточные фазы) в широкой области концентраций компонентов.
3. На основе анализа имеющихся и полученных в диссертации результатов попытаться выявить закономерности изменения констант упругости в зависимости от состава и строения металлических материалов.
4. В соответствии с установленными закономерностями провести исследование влияния технологических факторов получения опреде - в ленных металлических материалов, а также условий эксплуатации на уровень значений их констант упругости. диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
B ПЕРВОЙ главе проведен краткий анализ существующих методов определения констант упругости материалов и сделан обзор наиболее надежных работ, в которых изучалось изменение модуля Е в зависимости от состава сплавов, находящихся после затвердевания в различных фазовых состояниях. Сделаны выводы по рассматриваемым вопросам и обоснована актуальность темы диссертационной работы.
Во ВТОРОЙ главе приведено описание сконструированной в работе ультразвуковой импульсной установки и подробно изложена методика работы на ней. Дан анализ погрешностей измерений и приведены сведения по материалам исследования.
В ТРЕТЬЕЙ главе приведены результаты исследований закономерности изменения модуля Е, а также других констант упругости, в зависимости от состава сплавов-мехнических смесей. На примере серого чугуна и стали У8А дано экспериментальное подтверждение влияния формы и дисперсности фаз на величину констант упругости сплавов-механических смесей. При исследовании железоуглеродистых сплавов найдены уравнения регрессии для изменения констант упругости в зависимости от количественного содержания углерода и получены данные о значении констант упругости цементита. Проведено сопоставление величин модуля Е, полученных экспериментальным и расчетным путем, и даны рекомендации по применению расчетных методов для определения модуля Е бинарных сплавов-механических смесей. Здесь же рассмотрены полученные нами результаты, касающиеся концентрационной зависимости констант упругости сплавов-твердых растворов и сплавов с промежуточными фазами. Во всех случаях полученные данные анализируются и сравниваются с литературными.
В ЧЕТВЕРТОЙ главе диссертации приведены результаты исследований, выполненных нами в рамках творческого содружества кафедры материаловедения ЛИЇМ0 с заинтересованными научными и научно-производственными организациями. В частности, приведены полученные данные влияния водородного воздействия при различных давлениях и температурах на константы упругости чистого железа и стали 20, а также влияние всестороннего сжатия на константы упругости чистого железа, предварительно подвергнутого водородному воздействию.
Рассмотрены данные, показывающие влияние легирования и сложной термической обработки на константы упругости высокохромистых сплавов на никелевой основе и результаты экспериментов по оценке влияния некоторых технологических факторов получения бериллия на его константы упругости.
Основные результаты диссертационной работы отражены в заключении.
Краткая формулировка новизны выполненной работы.
На сконструированной в работе ультразвуковой импульсной установке с применением ряда оригинальных методических приемов впервые проведены систематические исследования констант упругости широкого круга металлических материалов и выявлены закономерности изменения этих констант в зависимости от состава и строения сплавов различного фазового состояния. Полученные результаты можно использовать для прогнозирования значений констант упругости различных сплавов по данным для чистых компонентов. Выявленные закономерности позволили, в частности, оценить влияние условий эксплуатации железоуглеродистых сплавов и технологичес -/0 ких факторов получения высокохромистых никелевых сплавов и бериллия на величины их констант упругости.
Основные положения работы, выносимые на защиту.
I. Разработана методика исследования, позволяющая проводить измерение всех констант упругости на одном образце из выбранного материала при малых напряжениях и с высокой точностью.
2. Впервые по единой медодике проведено систематическое исследование большого количества бинарных и тройных систем, представляющих все основные типы сплавов, в широком диапазоне изменения концентраций с целью выявления общих закономерностей изменения констант упругости в зависимости от состава и строения сталей и сплавов.
3. Показано, что установленные закономерности изменения констант упругости в зависимости от состава и строения сплавов-меха нических смесей, сплавов-твердых растворов и сплавов с промежуточными фазами, по крайней мере качественно, согласуются с элементарной физической теорией концентрационной зависимости модулей
Е бинарных сплавов /26/ и могут быть использованы для прогнозирования констант упругости бинарных сплавов по данным для чистых компонентов.
4. Выявлены условия, обеспечивающие возможность линейной экстраполяции концентрационной зависимости модулей Е в сплавах-механических.смесях и оценено влияние изменения формы и дисперсности фаз в таких сплавах на уровень значений их констант упругости.
5. Получены более надежные, чем в предшествующих работах данные о значении констант упругости цементита и найдены уравнения регрессии для изменения констант упругости в зависимости от количественного содержания углерода в железоуглеродистых сплавах.
6. Впервые показано, что водородное воздействие на железоуглеродистые сплавы при высоких температурах и давлениях с течением времени приводит к значительному уменьшению величин их констант упругости, а последующее всестороннее сжатие - к их восстановлению.
7. Показано, что заданный уровень констант упругости высокохромистых сплавов на основе никеля обуславливается составом и фазовым состоянием сплавов. Это открывает возможность использовать закономерность изменения концентрационной зависимости констант упругости не только для выбора составов сплавов для получения необходимого уровня жесткости, но и в качестве одного из методов анализа фазово-структурного состояния сложных сплавов. Найдены математические модели, связывающие величины констант уп-рутости с содержанием легирующих элементов.
8. Показано, что технология получения бериллия оказывает существенное влияние на анизотропию и пространственную неоднородность его констант упругости.
Материалы диссертационной работы докладывались на восьми семинарах и конференциях. В их числе: IX Всесоюзная конференция по физике прочности и пластичности металлов и сплавов (г. Куйбышев, 1979 г.); Межобластной семинар по коррозии и защите материалов нефтехимической промышленности (г. Усолье-Сибирское, 1975 г.); Ленинградский постоянно-действующий семинар -„Научно-теоретические и прикладные вопросы металловедения, проводимый Научным советом АН СССР "Физика прочности и пластичности" совместно с ЛДЕГШ (Ленинград, 1979 г.); ХХ-ХХІУ научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава ЛИШО (Ленинград, 1973, 75, 77, 79, 81 гг.).
Результаты работы внедрены в 3-х научно-исследовательских организациях.
Работа выполнена на кафедре материаловедения Лениградского института точной механики и оптики.
