Введение к работе
Актуальность работы. Борьба с вредными шумами и вибрациями является одной из самых актуальных проблем современной техники. Эффективным способом уменьшения вибраций и шумов является применение для деталей машин и конструкций сплавов высокого демпфирования. Этой проблеме посвящены фундаментальные исследования В. С. Постникова, М.А. Кришталла, Ю.В. Пигузова, С.А. Головина и др. В проблемной лаборатории металлических материалов с высокими вибропоглощающими свойствами ВятГУ (научный руководитель Кондратов В.М.) разрабатываются функциональные материалы с высокой демпфирующей способностью. Однако высокое внутреннее трение становится нежелательным в случае использования материала для изготовления колоколов и звучащих элементов ударных музыкальных инструментов. Для изготовления гармонично звучащего колокола нужен металл с особыми физическими свойствами, в котором в максимальной степени подавлены все источники релаксации, т.е. металл с минимальным внутренним трением.
Строительство и восстановление церквей и монастырей вызвало потребность в производстве колоколов высокого качества и в реставрации старинных исторических колоколов. Производством колоколов сейчас заняты многие промышленные предприятия: ООО «Вятские колокола» (г. Киров), «Вера» (г. Воронеж), «ИТАЛМАС» (г. Тутаев), «Отменное литье» (г. Минск), ЗАО «Пятков и К0» (г. Каменск-Уральский) и др.
Развитие колокололитейного производства непосредственно связано с улучшением качества звучания колоколов, повышением механических и функциональных характеристик сплава. Для достижения оптимального соотношения цены и качества при производстве колоколов сплавы должны быть экономнолегированными, что требует научно обоснованного выбора их композиций и применения оптимальных режимов термической обработки. Это требует знания закономерностей формирования структуры, функциональных и физико-механических свойств колокольных сплавов, следовательно, их изучение весьма актуально.
Целью данной диссертационной работы является изучение закономерностей влияния состава колокольных бронз и режимов термической обработки на их структуру, механические свойства, демпфирующую способность и разработка на их основе экономнолегированных сплавов.
Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:
- исследовать кинетику фазовых превращений, морфологию микроструктур, механические свойства и демпфирующую способность сплавов систем Cu-Sn, Cu-Sn-Sb, Cu-Si и установить корреляционные зависимости между составом, структурой и свойствами;
-рассмотреть особенности структурообразования при различных методах литья с оценкой демпфирующих свойств;
-показать возможность аналитической оценки по химическому составу акустических свойств медных сплавов и обосновать ее использование для прогнозирования функциональных свойств колоколов;
- разработать рекомендации по химическому составу бронз и режимам
термической обработки для достижения минимального уровня демпфирования
(\|/ < 0,1%) и комплекса механических свойств:
ов>215МПа, 8>1 %, 140...160 HV
Научная новизна
Впервые проведено комплексное исследование структуры, механических свойств и демпфирующей способности нового класса литейных бронз с 5 - 7 % кремния, предназначенных для производства колоколов.
Показана возможность научно обоснованного прогнозирования акустических свойств колокольных бронз. Предложена объективная оценочная характеристика резонансного металлического материала - «акустическая константа», с увеличением значения которой улучшается качество звучания колокола.
Установлены закономерности влияния режимов термической обработки на изменение демпфирующей способности и механических свойств исследуемых бронз. Показано, что после закалки и старения сплавы имеют минимальное демпфирование при образовании мелкодисперсной структуры с высокой степенью ликвации по основным элементам, что обеспечивает длительность звучания колокола
Обнаружено, что в медных сплавах, содержащих 5 - 7 % кремния, в литом состоянии присутствует у'-фаза, представляющая собой электронное соединение CusSi, отвечающая за качество звучания материала.
Показано, что демпфирующая способность кремнистых бронз обусловлена определенным структурным состоянием. Минимальный уровень демпфирования исследуемых сплавов предполагает наличие в структуре следующих фаз: а-твердого раствора легирующих элементов в меди и интерметаллида Cu5Si.
Практическая значимость
Разработан и апробирован новый сплав, характеризующийся тем же уровнем звучания, что и классическая колокольная бронза, но превосходящий ее по прочностным свойствам;
разработана технология выплавки нового сплава;
рекомендованы режимы термической обработки, обеспечивающие повышение прочностных и пластических свойств, а также снижение демпфирующей способности;
даны рекомендации по выбору материала для колоколов и других музыкальных инструментов;
результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при изучении соответствующих разделов дисциплин «Материаловедение» и «Методы упрочнения и выбор материала».
Основные положения, выносимые на защиту
1. Комплексная оценка структуры механических свойств и демпфирующей способности бронзы, предназначенной для изготовления колоколов и других
музыкальных инструментов в исходном литом состоянии, после закалки и старения с применением современных методов исследований, позволяющих получить точные и достоверные данные.
Установление наиболее значимых характеристик, отвечающих за звучание колокола (демпфирующая способность, модуль Юнга, плотность материла).
Объективная оценочная характеристика резонансного металлического материала, включающая в себя демпфирующую способность, модуль Юнга и плотность материала, позволяющая судить о качестве резонансного материала.
Закономерности влияния структуры, режимов термической обработки на изменение демпфирующей способности и механических свойств сплавов БрК5ЖЦС, БрКбМц.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы изложены на международной научной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (г. Волгоград, 2004), на II Международной школе «Физическое материаловедение», на XVIII Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Тольятти, 2006), на XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (г. Самара, 2006), на Всероссийских ежегодных научно-технических конференциях «Наука - производство - технологии -экология» (г. Киров, 2004 - 2009), на Всероссийской конференция «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Екатеринбург, 2008), на Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов с международным участием (г. Москва, МГТУ им. Баумана, 2009), на XX Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Пермь, 2010).
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 16 печатных работах, в том числе: одна статья в журнале, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ.
Объем и структура работы
