Введение к работе
Актуальность темы: Развитие современной техники, связанное с увеличением производительности и мощности машин и механизмов, сопровождается повышением уровня вредных шумов и вибраций. Борьба с этими явлениями - одна из актуальных проблем, существующих в различных областях промышленности. Наиболее эффективным ее решением является изготовление элементов конструкций, работающих в условиях повышенной вибрации, из сплавов высокого демпфирования, способных необратимо рассеивать энергию механических колебаний. Создание таких функциональных материалов возможно только в результате глубокого изучения протекающих в них процессов, определения физической природы наблюдаемых явлений, установления закономерностей формирования структуры и её отражения в свойствах.
Одним из наиболее важных достижений металловедения последних лет является открытие в металлических материалах, претерпевающих мартенситное превращение, ряда уникальных свойств, в том числе способности необратимо рассеивать энергию механических колебаний. Мартенситные превращения претерпевают многие металлы и сплавы, но лишь некоторые обладают высокой демпфирующей способностью. Самым общим необходимым условием для её проявления является обратимость мартенситного превращения: перестройка кристаллической решетки высокотемпературной матричной фазы в мартенсит при охлаждении и мартенситной фазы в матричную при нагреве должна осуществляться по мартенситному механизму без нарушения когерентности. Основные закономерности и условия обратимости мартенситных превращений в металлах и сплавах были установлены в работах Г.В.Курдюмова. Дальнейшее развитие основополагающей концепции Г.В.Курдюмова в работах В.Н.Гриднева, В.Д.Садовского, Л.Г.Хандроса, В.А.Лихачева, А.П.Ройтбурда, Дж.Христиана, М.Коэна, С.Веймана, К.Шимизу, К.Оцука, Л.Делея и многих других ученых позволило построить теорию мартенситных превращений достаточно полно объясняющую его физические и кристаллогеометрические особенности, ответственные за проявление особых свойств в материалах. Однако препятствием для широкого промышленного применения сплавов с обратимым мартенситным превращением, обладающих, в
частности, высокими диссипативными свойствами, является отсутствие обоснованных ігредставлений об общих закономерностях изменения свойств в зависимости от фазовых и структурных состояний, реализующихся при вариации внешних условий: химического состава, термической обработки, пластической деформации, способов нагружения, температуры окружающей среды, и т.д.
В связи с этим актуальным и практически значимым является выяснение физической природы протекающих процессов и установление взаимосвязи структуры и свойств в сплавах с обратимым мартенситным превращением с целью разработки физических основ формирования структурных состояний, обеспечивающих оптимальное сочетание функциональных и конструкционных характеристик, удовлетворяющих современным требованиям.
Дель и задачи работы: Целью работы являлось решение важной научной проблемы, состоящей в разработке общих принципов управления структурой и свойствами функциональных сплавов с обратимым мартенситным превращением, позволяющих на практике оптимизировать свойства таких материалов применительно к конкретным условиям эксплуатации.
Основные задачи:
-
На основе комплексного анализа известных металлических материалов с высокой демпфирующей способностью и механизмов рассеяния энергии механических колебаний сформулировать структурный принцип классификации высокодемпфирующих металлов и сплавов и определить наиболее перспективные направления их исследования и развития.
-
Рассмотреть закономерности формирования фазовых и структурных состояний в сплавах на основе меди и сформулировать принципы выбора легирующего комплекса, обеспечивающего получение обратимого мартенсита в структуре многокомпонентных медных сплавов для достижения сочетания высокой демпфирующей способности со стабильными механическими и другими служебными характеристиками.
-
Провести комплексное изучение закономерностей фазовых и структурных изменений в сплавах на основе системы медь-алюминий при легировании третьим компонентом и установить их влияние на демпфирующие, механические
и коррозионные свойства в закаленном состоянии.
-
Установить общие закономерности влияния химического состава на параметры обратимого мартепситиого превращения, фазовое и структурное состояния, а также установить их взаимосвязь с демпфирующими и механическими свойствами сплавов системы медь-атомштяй-цинк. Определить концентрационную область в трехкомлонентиой системе медь-алюминий-цинк, ограничивающую составы функциональных сплавов наиболее перспективных для промышленного использования.
-
На основе теории структурообразования в неравновесных термодинамических системах расчетным путем получить значения возможно достижимого уровня функциональных и конструкционных свойств сплавов системы медь-алюминий-цинк с обратимым мартенситом в структуре.
-
Установить общие закономерности и специфические особенности влияния термической и высокотемпературной термомеханической обработок на параметры обратимого мартенситного превращения, фазовые и структурные состояния, а также выявить закономерности соответствующего изменения демпфирующей способности и механических свойств сплавов системы медь-алюминий-цинк. Выявить наиболее перспективные режимы обработки, позволяющие достичь в сплавах системы медь-алюминий-цинк максимального уровня функциональных и конструкционных свойств.
-
Провести комплексное исследование технологических и эксплуатационных свойств сплавов системы медь-алюминий-цинк.
Научная новизна: В диссертационной работе систематически исследованы закономерности процессов структурообразования и формирования свойств в трехкомпонентных сплавах на медно-апюминиевой основе в широкой концентрационной области при различных видах обработки. Получен ряд новых научных результатов, среди которых наиболее важными можно назвать следующие:
Обоснованы пути создания сплавов на основе меди с обратимым мартенситным превращением с заданной структурой и свойствами, что открывает новые возможности для широкого практического использования функциональных сплавов высокого демпфирования.
Сформулированы основные закономерности изменения фазового и структурного состояний и характеристик обратимого мартенситного превращения в зависимости от химического состава, режима термической и пластической обработок сплавов системы медь-алюминий-цинк, что обеспечивает возможность прогнозирования и управления их свойствами.
Установлено, что равновесная диаграмма состояния системы медь-алюминий-цинк может быть унифицирована по параметру электронной концентрации, что позволяет описывать фазовые и структурные состояния многокомпонентных медных сплавов с помощью псевдобинарных диаграмм состояний, где химический состав выражен обобщенной перемеїшой -электронной концентрацией.
Экспериментально обнаружена ограниченная температурно-концент-рационная область, закалка из которой обеспечивает протекание мартенситного превращения в сплавах системы медь-алюминий-цинк; установлена количественная связь границ области со степенью легировашгости Р-фазы, выраженной через обобщенную характеристику химического состава - электронную концентрацию.
На основе феноменологической теории структурообразования в неравновесных термодинамических системах дано описание поведения сплавов с обратимым мартенситным превращением при нагружении и показано существование количественной взаимосвязи между изменением энтропии во время деформации и величиной наблюдаемого при этом деформационного упрочнения, что позволяет оценивать поведение материалов при воздействии температурных и силовых полей.
Используя сформулированные теоретические представления и установленные закономерности, разработан ряд высокодемпфирующих сплавов на основе системы медь-алюмшшй-цшгк (А.с. № № 1039232, 1122007, 1334741), предназначенных для различных условий эксплуатации.
Практическая значимость: Получены экспериментальные данные, позволяющие обоснованно выбирать содержание легирующих элементов и рациональные режимы обработки трехкомпонентных сплавов системы медь-алюмшшй-цинк по заданным условиями эксплуатации значениям
функциональных и конструкционных свойств.
Даны практические рекомендации по использованию термической и высокотемпературной термомеханической обработок функциональных сплавов медь-алюминий-цинк с обратимым мартенситом в структуре; предложены новые режимы обработки (А.с. № 864829).
Разработан экспресс-метод определения демпфирующей способности (А.с. № 1130804), использование которого значительно удешевляет и упрощает количественную оценку функционатьных свойств сплавов с обратимым мартенситным превращением.
Внедрение разработок в промышленность позволило получить экономический эффект 340 тыс. руб. в ценах 1991 г. (доля соискателя).
Апробация работы: Основные результаты и положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих международных, всесоюзных и республиканских конференциях, совещаниях и семинарах: IV Республиканская научная конференция «Проблемы нелинейных колебаний механических систем», Киев, 1978г.; ХП, ХШ, XV Республиканские конференции «Рассеяние энергии при колебаниях механических систем», Киев, 1980г.; 1983г.; Каменец-Подольский - Киев, 1989г.; Всесоюзные конференции по вибрационной технике, Тбилиси, 1981г.; 1984г.; Международная конференция по мартенситным превращениям «ICOMAT-82», Хеверли - Левен, Бельгия, 1982г.; П, III Всесоюзные конференции «Сверхупругость, эффект памяти и их применение в новой технике», Воронеж, 1982г.; Томск, 1985г.; IV, V, VI Республиканские научно-техшиеские конференции «Демпфирующие металлические материалы», Киров, 1984г.; 1988г.; 1991г.; Всесоюзное совещание по механизмам внутреннего трения в твердых телах, Батуми, 1985г.; III Международная конференция «Медь и ее сплавы: структура, свойства, применение», Висла (Польша), 1986г.; Всесоюзный семинар «Термомеханическая обработка металлических материалов», Москва, 1989г.; Всесоюзная научно-техническая конференция «Производство, применение и свойства медных сплавов общего и специального назначения», Москва, 1990г.; III Республиканский семинар «Динамическая прочность и трещиностойкость конструкционных материалов при однократном импульсном нагружении»,
Киев, 1991г.; Всесоюзная конференция «Мартенситные превращения в твердом теле», Косов - Киев, 1991г.; XXVII Межреспубликанский семинар «Актуальные проблемы прочности», Ухта, 1992г.
Публикации: По теме диссертации опубликовано свыше 100 работ, в том числе 2 книги (в соавторстве) и статьи в журналах «Физика металлов и металловедение», «Металлофизика», «Проблемы прочности», «Передовой опыт», «Известия АН СССР», «Известия АН РФ», «Трение и износ», «Судостроительная промышленность» и др. Список основных публикаций - в конце автореферата.
Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов и приложения; содержит 355 стр. машинописного текста, 112 рис., 25 табл. и библиографический список, включающий 322 наименования.
