Том 20, № 4 (2018)

Введение. Механическое состояние металла, в частности степень деформации и остаточные напряжения (ОН) первого рода, в значительной степени определяет эксплуатационную долговечность изделий, особенно в условиях приложения знакопеременных нагрузок. Широкими возможностями по созданию благоприятного механического состояния металла обладают способы отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД). При этом точный расчет механического состояния при ППД не всегда представляется возможным, что сохраняет актуальность исследования и создания модельных представлений о формировании механического состояния и ОН на стадиях механической обработки при изготовлении металлических изделий. Отмечено, что метод конечных элементов (МКЭ) позволяет учитывать изменение механического состояния при многократном нагружении одного и того же микрообъема металла и получить более точные аналитические решения. Цель работы: развитие теоретических положений механики ППД на основе разработки модели упрочняемого упругопластического тела. В работе представлена конечно-элементная модель формирования механического состояния поверхностного слоя при упрочняющей обработке поверхностным пластическим деформированием (ППД), учитывающая явление технологического наследования. Результаты и обсуждение. Выполнено моделирование и получены распределения параметров напряженно-деформированного состояния, а также рассчитаны параметры механического состояния поверхностного слоя и остаточные напряжения, формируемые в процессе упрочняющей обработки ППД. Особенностью предложенной модели является учет явления технологического наследования и эффекта упрочняемого тела: наряду с учетом эволюции свойств металла, произошедшей на предшествующих операциях механической обработки, учитываются изменения свойств на текущей технологической операции. В предложенной модели учет эффекта упрочняемого тела реализован в виде схемы многократного нагружения-разгрузки металла детали по мере его продвижения через пространство очага деформации, что позволило с высокой точностью описать феноменологию процесса ППД. Представленные результаты подтверждают перспективность распространения изложенных модельных представлений на другие способы механической обработки и различные виды эксплуатационного нагружения упрочняемых ответственных изделий.

Введение. Энергетическое воздействие, оказываемое в процессе сварки на соединяемые детали из аустенитной стали (12Х18Н10Т), способствует протеканию неблагоприятных процессов в зоне термического влияния (ЗТВ) сварного соединения, а именно изменению структурно-фазового состава, выгоранию легирующих элементов, снижению прочностных характеристик, что является предпосылкой образования очагов коррозионного разрушения в процессе эксплуатации и снижению механических характеристик в сварной конструкции. Все известные способы повышения коррозионной стойкости сварных соединений воздействуют только на наплавленный металл, а на состояние зоны термического влияния кардинально не действуют и ее коррозионную стойкость не меняют. Поэтому актуальной задачей является снижение выгорания легирующих элементов. Этого можно достичь, изменив динамические свойства источника питания в результате использования инверторного выпрямителя. Цель работы: измерить размеры ЗТВ и концентрацию легирующих элементов в различных зонах соединения при сварке с инверторным и диодным источниками питания. В работе исследованы сварные соединения стали 12Х18Н10Т, полученные с применением  источников питания, реализующих разные формы преобразования энергии: ВДУ-506 (традиционная) и ARC 200i (высокочастотная) с применением покрытых электродов марки ОК-61.30. Методами исследования являются спектральный анализ химического состава и металлографические исследования металла шва. Результаты и обсуждение. Выявлено, что динамические свойства источников  питания, реализующих различные способы преобразования энергии, оказывают влияние на химический и структурно-фазовый состав наплавленного металла. Установлено, что использование инверторного выпрямителя в сравнении с диодным способствует увеличению содержания в наплавленном металле Mn на 14 % и Cr на 3 %, уменьшению размеров зерна в наплавленном металле на 40 % и зоне термического влияния на 44 %, сокращению протяженности ЗТВ сварного соединения на 32 %.

Введение. Современным подходом к улучшению эксплуатационных свойств режущего инструмента является нанесение на его поверхность функциональных слоев на основе карбидов, нитридов, оксидов таких металлов, как титан, хром, алюминий, кремний и т.д. Несмотря на множество технологий нанесения покрытий на режущий инструмент, большинство из них обладают такими недостатками, как сложность оборудования, ограниченная геометрия покрываемых изделий, ограниченный элементный состав наносимых покрытий, низкие эксплуатационные свойства получаемых покрытий. Вышеуказанные недостатки отсутствуют у технологии диффузионной металлизации из среды легкоплавких жидкометаллических растворов. Цель работы: анализ влияния диффузионного титанирования из среды легкоплавких жидкометаллических растворов на износосойкость твердосплавного инструмента и качество механической обработки резанием. Методами исследования являлись испытания на макро- и микротвердость, микрорентгеноспектральный анализ, рентгенофазовый анализ, натурные испытания на стойкость инструмента и на качество обработанных деталей. Результаты и обсуждение. Выявлено, что функциональные диффузионные титановые слои, получаемые при помощи диффузионного титанирования из среды легкоплавких жидкометаллических растворов, формируются на базе карбида титана TiC. При этом характерно наличие двух слоев – поверхностного, имеющего микротвердость порядка 30 000 Мпа, и переходного, характеризующегося плавным снижением микротвердости и изменением концентрации титана. Было выявлено, что структура диффузионного слоя и переходной зоны зависит от температуры диффузионного насыщения, от длительности диффузионного насыщения, а также от режимов последующей термической обработки. Разработанная технология позволяет увеличить стойкость инструмента по сравнению с инструментом, не имеющим покрытие, до 7,4 раза, а также, имеющим PVD-покрытие, до 1,85 раза в зависимости от группы резания и скорости обработки. Наиболее эффективны покрытия при высоких скоростях резания – 190 м/мин. При этом параметр шероховатости Ra снижается до двух раз в зависимости от группы резания и режимов обработки.

Введение. Высокая стоимость деталей из титановых сплавов определяется высокой материалоемкостью при механической обработке, плохой обрабатываемостью, вызванной низкой теплопроводностью и высокой химической реактивностью с материалами режущего инструмента, что является сдерживающим фактором для широкого использования. Применение аддитивных технологий позволяет снизить затраты при производстве изделий из титановых сплавов за счет изготовления высокоточных заготовок, которые в дальнейшем требуют минимальной механической обработки. При этом ключевым требованием при изготовлении таких заготовок является сохранение высоких механических характеристик как самого исходного материала, так и изготавливаемой детали в целом. Электронно-лучевая проволочная аддитивная технология обладает большим потенциалом как с точки зрения высокой производительности, так и в плане получения материалов с уникальной структурой и высокими механическими свойствами. Целью работы является изучение структуры, фазового состава и микротвердости образцов из сплава Ti-6Al-4V, полученных с использованием электронно-лучевой проволочной аддитивной технологии. Результаты и обсуждение. На основании данных оптической, сканирующей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа показано, что полученные после послойного выращивания образцы Ti-6Al-4V имеют гетерогенную микроструктуру, которая включает в себя помимо формирующихся в процессе эпитаксиального роста столбчатых предшествовавших β-зерен со средним размером не выше 1,5 мм систему ортогональных пластин мартенситной α¢-фазы. При этом по направлению к вершине построенного образца уменьшается толщина пластин α’;-фазы и количество остаточной β-фазы (от 4 мкм и 10 об.% для нижнего слоя, до 2 мкм и 5 об.% – для верхнего). Обнаружен эффект повышения значений твердости по Виккерсу с ростом высоты наплавленных слоев до значений порядка 3,5 ГПа. Хорошее согласие с соотношением Холла–Петча показывает, что эффект повышения твердости в направлении послойного выращивания реализуется в основном за счет градиентной микроструктуры, формирующейся вследствие сложной термической истории.

Введение. Для получения электроизоляционных покрытий из оксидной керамики широко используются различные методы газотермического напыления, такие как газопламенное, плазменное, HVOF, детонационное и др. Важными, но пока до конца не изученными являются вопросы о природе электропроводности газотермических, в том числе. детонационных, покрытий, а также о влиянии состава используемой детонирующей смеси на их электроизоляционные свойства. Экспериментально обнаружено, что электропроводность алюмооксидных покрытий зависит не только от технологического режима их нанесения и структуры, но и от влажности и температуры окружающей атмосферы. Однако физической модели, количественно описывающей механизм электропроводности с учетом этих факторов, пока не предложено, поэтому задача теоретического объяснения имеющихся экспериментальных данных является актуальной. Цель работы заключалась в экспериментальном изучении электроизоляционных свойств алюмооксидных покрытий, полученных детонационным напылением, в определении влияния состава детонирующей смеси на их электропроводность, а также в построении физической модели, позволяющей количественно оценивать удельное объемное сопротивление покрытий. В работе исследованы детонационные покрытия, полученные на детонационной установке CCDS2000 из порошка корунда марки М40 Super с использованием ацетиленокислородных смесей с различным содержанием компонентов.  Методы исследований включали измерения пористости, удельного электрического сопротивления и диэлектрической прочности полученных покрытий. Полученная информация использовалась для построения модели проводимости детонационных покрытий с учетом дефектности структуры. Результаты и их обсуждение. Различия в свойствах покрытий, полученных с применением ацетиленокислородных детонирующих смесей, в широком диапазоне молярных соотношений кислорода к топливу (от 1,0 до 5,0) не обнаружено. Высказана гипотеза о том, что проводимость покрытий обусловлена наличием дефектов – микроканалов, заполненных адсорбированной водой. Удельное сопротивление покрытий составляет (0,3…1,3)·1010 Ом·см, условная диэлектрическая прочность 5…6 кВ для толщины 240…300 мкм. Измеряемая в данной работе диэлектрическая прочность называется условной, поскольку до пробоя в обычном понимании, когда значения пробойного тока превышают сотни миллиампер и даже десятки ампер, тестируемые образцы не доводились. Пробой регистрировался, если ток через щуп превышал установленное предельное значение I = 1 мА, т. е. ток, уже ощущаемый человеком. На основе экспериментальных данных и предложенной гипотезы построена модель, согласно которой в объеме покрытия существуют сквозные дефекты в виде микроканалов, площадь которых составляет 0,5…2,0 % площади покрытия, а поперечный размер – от 24 до 105 нм. Микроканалы заполнены адсорбированной из атмосферы водой и по ним протекает основной ток при приложении напряжения. Удельное сопротивление воды при условном пробое составляет величину порядка 105 Ом·см. Научная значимость результатов заключается в объяснении причины более низкого удельного сопротивления газотермических покрытий по сравнению с беспористой спеченной алюмооксидной керамикой (более 1014 Ом·см). Практическая значимость состоит в возможности использования в детонационном напылении ацетиленокислородных смесей с различным сочетанием компонентов без ущерба качества электроизоляционных покрытий.