Введение к работе
Актуальность темы. Стали и сплавы на основе железа в сравнении с появляющимися новыми видами материалов в ближайшие десятилетия останутся основными конструкционными материалами, благодаря не только благоприятному сочетанию прочностных и пластических свойств, но и высокой технологичности производства изделий из них. Перспективным вариантом улучшения качества сплавов для повышения надежности и долговечности деталей машин может быть реализация состояния, далекого от термодинамического равновесия. Стабилизация в диссипативных системах, обладающих избыточной энергией, достигается путем компенсирующего производства или отдачи энергии, которая может быть источником для повышения энергоемкости разрушения. Практически любой порошковый материал можно рассматривать как композиционный, состоящий как минимум из двух фаз - «вещества» и «пустоты» (пор), каждая из которых вносит свой вклад в прочностные характеристики. «Вещество» содержит дисперсные частицы с развитой поверхностью и за счет этого уже обладает избытком свободной энергии. Свойства порошковых материалов существенно зависят от размера зерна, дислокационной структуры, степени химической однородности. Поры, в зависимости от их морфологии, способны не только ослаблять живое сечение, но и тормозить развитие трещин. Регулирование состояния фаз открывает новые возможности для создания материалов с уникальными свойствами и управления этими свойствами. Традиционные процессы порошковой металлургии позволяют реализовать неравновесные состояния и получить материалы с качественно новыми структурами при механическом легировании (МЛ), при формировании метастабильных и дисперсных фаз, в том числе сверхтвердых, обеспечивающих более высокий уровень свойств. Изучение и прогнозирование закономерностей формирования структуры с целью повышения свойств порошковых материалов является актуальной проблемой материаловедения.
Цели н задачи работы. Цель работы - исследование процессов формирования структуры и свойств в механически легированных сталях с метаста-бильными и сверхтвердыми фазами для повышения износостойкости и прочности порошковых материалов. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучение процесса механического легирования на макро-, мезо- и микроуровнях;
исследование структуры и свойств механически легированных металлами и неметаллами сталей и сплавов на различных масштабных уровнях;
исследование диффузии и гомогенизации в порошковых сталях;
выявление зависимости свойств от параметров структуры сплавов на основе железа;
изучение фазовых превращений в метастабильных сталях;
исследование зависимости физико-механических и триботехнических свойств сталей и сплавов от фазовых превращений метастабильного аустенита;
изучение износостойкости и режущих свойств камнеобрабатыващего алм ного инструмента (АИ);
выяснение механизмов упрочнения сталей с повышенным запасом внутре ней энергии.
Научная новизна.
Впервые установлена роль МЛ при формировании структуры аустенит-ных коррозионно-стойких сталей с высоким содержанием азота и сталей с высоким содержанием фосфора, обладающих высокой прочностью и вязкостью;
впервые осуществлен синтез фуллеридов из графита в дисперсно-пористой металлической матрице при относительно низких температурах и без приложения внешнего давления;
впервые установлено влияние фазовых превращений аустенита на коэффициент шлифования алмазосодержащего композиционного материала;
впервые установлена взаимосвязь концентрационной неоднородности, создаваемой при МЛ сталей никелем, с уровнем их свойств.
предложено фрактальное описание поровой структуры и объяснение немонотонной зависимости прочностных свойств порошковых материалов от расстояния между порами.
Основные положения, выносимые на защиту.
Иерархическое описание диссипативных процессов при механическом легировании.
Механизмы формирования диффузионных зон в порошковых системах «железо-фосфор», «железо-никель».
Зависимости физико-механических свойств фосфористых сталей от параметров структуры.
Физическая модель формирования структуры высокоазотистых МЛ сталей.
Мезоскопическая модель поровой структуры и основанная на ней методика исследования порового пространства.
Зависимость прочности порошковых материалов от характеристик пористой структуры.
Механизм синтеза металлофуллерита в металлической пористой матрице.
Функциональная модель зависимости физико-механических и эксплуатационных характеристик от объема фазового превращения и степени гомогенности структуры основы материала.
Методика определения удельного расхода алмазов в АИ.
Научная и практическая ценность.
На основе исследованных закономерностей формирования структуры и свойств разработаны механически легированные конструкционные стали с содержанием фосфора 0,65-1,1 %, обладающие прочностью до 850 МПа, относительным удлинением до 14 /о, спекаемые при относительно низких температурах.
Методом порошковой металлургии получены нержавеющие аустенитные безникелевые стали с содержанием азота до 1,24 %.
На основе исследований диффузии и гомогенизации в системе «железо-никель» предложены температуры спекания, обеспечивающие формирование оптимальных структур и свойств порошковых легированных сталей.
Создан режущий алмазный инструмент на основе матрицы из порошковой стали с метастабильным аустенитом с пониженным удельным расходом алмазов, обладающий универсальностью использования для обработки твердых и мягких горных пород.
Разработаны технологии и выпущены опытными партиями износостойкие изделия «Керн пустотообразующий» для производства кирпича, «Шестерня гидронасоса», инструмент для резки и шлифовки природного камня «Сегмент алмазный». Разработаны ТУ на «Керн пустотообразующий», экспериментальная технология выпуска заготовок из порошков сталей ПК Х21А11 и ПК Х18Н7ГА7. Результаты, полученные при исследовании закономерностей формирования структуры и свойств износостойких материалов и инструментов, позволили увеличить ресурс работы изделий в 2-3 раза.
Получены 5 патентов РФ на способы изготовления материалов.
Степень достоверности результатов гарантирована использованием современных приборов, технических средств и сочетанием различных исследовательских методик: рентгенографического и микрорентгеноспектрального анализов, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, количественной металлографии, химических методов анализа, дериватографического и термомеханического анализов, лазерной седиментации, физико-механических испытаний и других методов; статистической обработкой результатов, удовлетворительным совпадением результатов моделирования и эксперимента.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, организации и проведении экспериментальных и исследовательских работ, анализе, интерпретации и обобщении полученных результатов.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: Международной конференции «Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии РМ-97», Киев, 1997 г.; Международной научно-практической конференции «Новые материалы и технологии на рубеже веков», Пенза, 2000 г.; всероссийской конференции «Химия твердого тела и функциональные материалы», Екатеринбург, 2000 г.; Пятой Всероссийской конференции «Физико-химия ультрадисперсных систем», Екатеринбург, 2000 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Редкие металлы и порошковая металлургия», Москва, 2001 г.; научно-технической конференции ПГТУ «Высокие технологии в машиностроении и высшем образовании», Пермь, 2001 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии-2001», Пермь, 2001 г.; V Международной научно-технической конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы», Волгоград, 2001 г.; Международной конференции «Новейшие технологии в порошковой металлургии и керамике», Киев, 2003 г.; Научно-технической конференции и научно-практическом семинаре «Эффективные материалы, технологии и оборудования для сварки, плазмы, нанесения покрытий, металлообработки и порошковой металлургии», Ростов-на-
Дону, 2004 г.; VIII Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения», Волгоград, 2004 г.; VIII Международной конференции по спеканию и II Международной конференции по фундаментальным основам механохимических технологий «Механохимическии синтез и спекание», Новосибирск, 2004 г.; научно-практической конференции материа-ловедческих обществ России «Создание материалов с заданными свойствами: методология и моделирование», Москва, 2004 г.; Международной конференции и Российской научной школы «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий (инноватика-2004)», Москва,
-
г.; Международной научно-технической конференции «Теория и технология процессов пластической деформации-2004», Москва, 2004 г.; Международном научно-техническом симпозиуме «Прогрессивные процессы порошковой металлургии ПМ-2005», Минск, 2005 г.; Восьмом китайско-русском симпозиуме по новым материалам, Китай, Гуаньчжоу, 2005 г.; Двадцать пятой юбилейной международной конференции «Композиционные материалы в промышленности», Киев, 2005 г.; Первой Международной научно-практической конф. «Энергетика, материальные и природные ресурсы», Пермь, 2005 г.; Первой Российской научно-технической конференции по кузнечно-штамповочному производству материалов «Кузнецы Урала 2005», Екатеринбург, 2005 г.; Четырнадцатой Зимней Школе по механике сплошных сред, Екатеринбург-Пермь,
-
г.; Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии-2005», Пермь, 2005 г.; Международной юбилейной научно-технической конференции «Перспективные процессы и технологии в машиностроительном производстве», Пермь, 2005 г.; 7-й Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии», Минск, 2006 г.; симпозиуме «Фуллерены и фуллереноподобные структуры в конденсированных средах», Минск, 2006 г.; Международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения НПМ-2007», Волгоград, 2007 г.; международной конференции «Актуальные проблемы механики сплошной среды» Ереван, 2008 г.; Международных форумах по нано-технологиям, Москва, 2008 г. и 2009 г.;. Международной конференции «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», г. Суздаль, 2008 г.; Третьей всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО-2009», Екатеринбург, 2009 г.
Работа выполнена в Научном центре порошкового материаловедения ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет» в рамках проектов:
«Разработка технологий и производство порошковых материалов и изделий». Научно-техническая программа Минобразования РФ: «Инновационная деятельность высшей школы», подпрограмма «Инновационные научно-технические проекты по приоритетным направлениям науки и техники», 2002
г.;
«Диссипативные явления при получении нанокристаллических метаста-бильных порошковых материалов». Раздел "Функциональные порошковые материалы", НТП «Новые материалы», подпрограмма «Научные исследования
высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», 2001-2002 гг.;
«Разработка технологии получения азотосодержащих порошковых износостойких немагнитных сталей». Федеральная целевая научно-техническая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники», блок «Поисково-прикладные исследования и разработки», раздел «Новые материалы и химические продукты», подраздел «Новые материалы», тема «Исследования и разработка новых коррозионно-стойких ау-стенитных и мартенситных Cr-N-сталей для высоконагруженных изделий в машиностроении и медицине», 2002-2004 гг.;
«Прогнозирование прочности и износостойкости порошковых самоорганизующихся материалов с метастабильными и сверхтвердыми фазами». Раздел «Функциональные порошковые материалы». Подпрограмма «Новые материалы» программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», 2003-2004 гг.;
«Процессы взаимодействия и фазовые превращения при получении и сложнонапряженном нагружении самоорганизующихся структурно-неоднородных порошковых сталей», ЕЗН 1.16.03,2003-2004 гг.;
«Изучение процессов формирования структуры и свойств многофункциональных порошковых материалов на основе железа с наноразмернымн элементами структуры». ЕЗН 2.02.04,2004 г.;
«Разработка процессов получения порошковых сталей и керамических материалов различного функционального назначения». Научно-техническая программа. «Инновационная деятельность высшей школы». Подпрограмма «Инновационные научно-технические проекты по приоритетным направлениям науки, технологий и техники», 2004 г.;
«Формирование структуры и свойств многофункциональных структурно-неоднородных порошковых сталей со сверхтвердыми, нано- и микродисперсными метастабильными фазами». ЕЗН 0120050529,2005-2008 гг.;
грант РФФИ № 02-03-96415-р2002урал_а «Научные основы синтеза фул-лереновых фаз в композиционных материалах, полученных методом порошковой металлургии», 2002-2003 гг.;
Грант РФФИ № 4-03-96007-р2004урал_а «Исследование процесса гомогенизации наночастиц легирующих элементов в наносистемах Fe-Mo, Fe-Cu, Fe-Cr, Fe-Ni в зависимости от температуры и времени спекания», 2004-2005 гг.;
грант РФФИ № 06-08-00375-а «Математическое моделирование и экспериментальное исследование физико-механических процессов при механическом легировании», 2006 -2008 гг.
грант РФФИ № 08-03-00894-а «Исследование механизмов активирующего воздействия нанокристаллических добавок легирующих элементов Ni и Си на процессы спекания и свойства материалов из традиционных порошков на основе железа и никеля», 2008-2010 гг.;
грант РФФИ № 08-08-00327 «Изучение фазовых превращений и процессов формирования структуры и свойств функциональных порошковых материалов на основе железа с наноразмернымн элементами структуры в условиях
термической и высокоэнергетической механической обработки с целью создания износостойких материалов нового поколения», 2008 -2009 гг.;
грант РФФИ № 09-08-99107 «Разработка научных основ получения легированных наноструктурированных порошковых металлических материалов, упрочненных наноуглеродом», 2009-2010 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 59 печатных работ, в том числе 4 монографии, 2 учебно-методических пособия, 22 статьи в журналах, рекомендованных ВАК; получены 5 патентов РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит их введения, семи глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 177 наименований. Работа изложена на 270 страницах машинописного текста, содержит 137 рисунков и 58 таблиц.
