Повышение прочностных свойств стекла в результате металлизации методом диффузионной сварки Гридасова, Екатерина Александровна

Введение к работе

Актуальность темы. Известно, что неорганическому стеклу присуща высокая природная прочность, но поверхностные и внутренние микродефекты существенно ее снижают. Повышение прочности стекла с целью использования его в конструкциях ответственного назначения является важной задачей, которую решают ученые по всему миру. При этом повышение прочности за счет устранения поверхностных микродефектов остается распространенным способом решения проблемы упрочнения стекол, а наиболее известным методом является метод создания сжимающих напряжений в поверхностных слоях, к которому относится: закалка, ионный обмен, поверхностная кристаллизация и нанесение защитных покрытий. Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки, например, удаление поверхностных микродефектов не повышает устойчивость стекла к абразивному воздействию и действию ударных нагрузок, поэтому необходимо выделить метод поверхностного упрочнения, который позволяет исключить постоянный контакт поверхности с окружающей средой.

В последнее время появились альтернативные подходы к решению проблемы повышения прочности стекла. Профессор В.В. Пикуль предложил способ, в основе которого лежит возможность стекла надежно соединяться с металлами при определенных температурах. Заключение стекла между металлическими слоями, кроме упрочнения методом создания сжимающих напряжений за счет разницы ТКЛР, исключает его непосредственный контакт с окружающей средой и создает дополнительные барьеры, препятствующие разрушению композита, что должно повышать прочность конструкции в целом. При подробном анализе литературных источников не было обнаружено экспериментальных исследований по предложенному способу упрочнения стекла, вместе с тем, предложенный метод упрочнения стекла имеет актуальные проблемы, которые требуют проведения исследований. К таким проблемам относятся: способ соединения стекла и металла, получение прочного соединения, поскольку разница ТКЛР приводит к появлению опасных напряжений в стекле; влияние размеров и геометрической формы на свойства, упрочненного по предлагаемому способу стекла. Отдельной задачей является изучение структуры и свойств переходной зоны, возникающей в месте соединения стекла и металла. Эту задачу решали такие российские и зарубежные ученые как Н.Ф. Казаков, В.А. Бачин, О.В. Мазурин, А.В. Люшинский, А. Рот. К настоящему времени предложено несколько теорий соединения металла со стеклом: дендритная, электрохимическая, теория оксидного соединения и теория топохимических реакций, однако, полного представления о физико-химических процессах, протекающих в зоне соединения металлов со стеклом нет. Все перечисленные проблемы и определяют актуальность настоящего исследования.

Целью работы является исследование диффузионной сварки стекла С49-1 со сталью СтЗсп, как метода изготовления нового композиционного стержня, и ее влияние на прочностные характеристики стекла в составе стеклометалло- композитного стержня.

Для достижения цели были поставлены и решались следующие задачи:

исследовалась возможность получения прочного соединения стекла С49-1 и стали СтЗсп методом диффузионной сварки;

изучались особенности формирования и свойства диффузионной зоны при сварке стекла С49-1 со сталью СтЗсп;

разрабатывался технологический режим изготовления стеклометалло- композитного стержня;

исследовались механические характеристики стекла в составе нового композиционного материала и стеклометаллокомпозитного стержня в целом.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. 1. Разработан новый способ упрочнения стекла методом диффузионной сварки его с металлом, в результате которого, прочностные характеристики стекла увеличились на порядок: при проведении статических испытаний максимальные напряжения, испытываемые стеклометаллокомпозитным образцом на сжатие, в два раза больше, чем у стального образца СтЗсп и лежат в интервале закаленных стекол, а также на порядок выше, чем максимальные напряжения стеклянного образца С49-1.

   2. В результате проведенного исследования зоны сварного соединения выдвинуты предположения о механизме формирования ее фазового состава, определено влияние наличия отдельных фаз на прочностные характеристики композита в целом, экспериментально показано, что предварительное химическое оксидирование поверхности стали позволяет получить однородную диффузионную зону.

   3. Разработан способ создания композиционного материала - стеклометаллокомпозитного стержня. Новизна технологических и конструкторских решений защищена патентами РФ.

   4. Разработаны технологические режимы, позволяющие получить прочное сварное соединение стекла со сталью при заданной геометрии компонентов.

   5. Исследована микроструктура и распределение химических элементов в зоне сварки стали СтЗсп со стеклом С49-1, на основании результатов которых выделены три подзоны, сделан вывод об их фазовом составе, определены микротвердость, модуль Юнга и их протяженность в зависимости времени выдержки при температуре сварки.

   6. На основании свойств фаз введены поправки в математическую модель, позволяющую оценить остаточные напряжения в полученном композиционном материале.

   Достоверность результатов обосновывается использованием современных методов исследований и обработки полученных результатов. При экспериментальных исследованиях применяли методы планирования экспериментов и статистической обработки их результатов. Основные результаты экспериментальных исследований получены современными методами оптической и электронной микроскопии, энергодисперстного рентгеноспектрального микроанализа; стандартизированными методами испытаний и исследований механических свойств. Для математического моделирования применены известные модели механики деформируемого твердого тела, апробированные аналитические и численные методы их реализации.

   Теоретическая значимость работы в том, что доказана возможность получения прочного сварного соединения стекла и стали методом диффузионной сварки, что расширяет теорию диффузионных соединений разнородных материалов; предложена структурно-механическая модель повышения прочности стекла методом диффузионной сварки; изучено влияние отдельных параметров технологического режима сварки на структуру диффузионной зоны и прочностные характеристики нового композиционного материала; при математическом моделировании остаточных напряжений в стеклометаллокомпозитном стержне, предложено учитывать влияние диффузионной зоны, что позволило получить более адекватную картину напряженно-деформированного состояния композиционного материала.

   Практическая значимость заключается в разработке нового способа упрочнения стекла методом диффузионной сварки его с металлом. Разработанная технология расширяет возможности новых решений при использовании стекла в конструкциях ответственного назначения. Определены перспективы использования стеклометалокомпозитных стержней на практике. Разработана и внедрена при проведении патентных исследований по созданию нового композиционного материала технология диффузионного соединения стекла и стали. Представлены результаты экспериментальных исследований прочностных характеристик нового композиционного материала и структуры диффузионной зоны стекла С49-1 и стали Ст3сп.

   На защиту выносится следующие положения:

   1. 6. 1. Способ упрочнения стекла в составе стеклометаллокомпозитного стержня, основанный на возможности диффузионного соединения стекла и металла.

         2. Результаты математического анализа температурных напряжений с учетом развитой диффузионной зоны, имеющей физико-механические характеристики промежуточные между исходными материалами.

         3. Результаты комплексного исследования диффузионной зоны сварного соединения неразрушающим, микроскопическими и рентгеноспектральным методами исследования.

         4. Закономерность влияния времени выдержки при температуре сварки на структурное изменение переходной зоны.

         5. Результаты экспериментального исследования механических характеристик упрочненного стекла и стеклометаллокомпозита в целом.

         Апробация работы. Результаты работы докладывались на:

         семинаре «XVI-я Зимняя школа по механике сплошных сред» г. Пермь, 2009г;

         всероссийской конференции приуроченной к 70-летию академика В.А. Левина «Успехи механики сплошных сред» г.Владивосток, 2009г;

         международной конференции «Актуальные проблемы механики (АРМ)», г. Санкт-Петербург, 2009 - 2010г.г;

         Съезде «Х Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики», г. Нижний Новгород 2011г;

         семинаре «XXXVI Дальневосточная Математическая школа - семинар имени академика Е.В.Золотова», Владивосток 2012г;

         семинарах ИАПУ ДВО РАН.

         Исследование выполнено при частичной поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.А18.21.0383, соглашение № 14.А18.21.0353.

         Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 6 статей в ведущих рецензируемых журналах из списка ВАК [16], 5 тезисов докладов на Региональных и Международной конференциях [711], 2 патента на изобретение [12,13].

         Личный вклад автора. Работа [5] выполнена автором лично. В работах [1, 2] автор подготавливал экспериментальные данные для вычислительного эксперимента. В работах [12, 13] автор проводил отработку технологии изготовления стеклометаллокомпозита. В работах [3, 4, 6] автор проводил экспериментальные исследования, обработку и анализ полученных результатов.

         Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов по работе и списка литературы (146 наименований). Объем работы 134 страницы с 57 рисунками и 26 таблицами.

         Похожие диссертации на Повышение прочностных свойств стекла в результате металлизации методом диффузионной сварки

         Специальные численные методы для сингулярно возмущенных задач при моделировании процессов сварки и наплавкиПершин Игорь Викторович

         Разработка и исследование пучково-плазменных методов повышения эксплуатационных свойств изделий из металлических материаловКензуке Уемура

         

         Управление оптическими свойствами биотканей для повышения чувствительности оптической когерентной томографииАгрба, Павел Дмитриевич

         

         Исследование влияния физико-химических свойств вакуумных ионно-плазменных покрытий на повышение износостойкости конструкционных материалов энергетического оборудованияТер-Арутюнов Богдан Григорьевич

         

         Образование нанофазы и размерные эффекты в свойствах наночастиц в стеклеЛейман Валерий Иванович

         

         Магнитные свойства метастабильных дефектов в полупроводниковых стеклах, кристаллах и наноструктурахРоманов Владимир Викторович

         

         Магнитно-оптические и магнитные свойства нано-частиц феррита марганца в боратном стеклеИванцов Руслан Дмитриевич

         

         Разработка методов кластеризации для повышения надежности контроля дефектов при акустико-эмиссионной диагностике сварных соединений в процессе сварки и остывания сварного шваКанифадин, Кирилл Владимирович

         

         Повышение технологических свойств дуги при сварке неплавящимся электродом в инертных газах Лапин Игорь Евгеньевич

         

         Совершенствование метода сварки взрывом сталей на основе исследования процессов, идущих в сварочном зазоре перед точкой контактаРихтер Дмитрий Владимирович