Скачать 79.15 Kb.
|
Перспективы применения наноструктурированного титана в деревообрабатывающем инструменте. Коломеец Н.П., Малыгин В.И., Севмашвтуз, филиал санкт-Петербургского государственного морского технического университета, г. Северодвинск В настоящее время известны и широко применяются титановые сплавы, которые благодаря низким потерям энергии (малому коэффициенту потерь) и хорошей удельной прочности обеспечивают стабильную работу изделий машиностроения и судостроения. В то же время с увеличением нагрузок в титановых сплавах с исходной крупнозернистой структурой ресурс работы их недостаточен. Вместе с тем повышение физико-механических характеристик сплава позволило бы существенно расширить технические возможности и спектр применения, используемых в настоящее время деталей различного назначения. Предварительные оценки, сделанные авторами настоящей работы, позволили предположить, что формирование в титановых сплавах ультрамелкозернистой структуры (наноструктуры) с повышенными физико-механическими характеристиками [1-3] может значительно увеличить ресурс работы (многоцикловую нагрузку) таких изделий. Кроме того, можно рассматривать применение такого материала в качестве инструмента для деревообрабатывающей промышленности. На основании вышеизложенного, в настоящей работе на примере широко используемого в судовом машиностроении титанового сплава ПТ-3В были проведены сравнительные исследования влияния ультрамелкозернистой структуры, сформированной методами интенсивной пластической деформации, на механические свойства и ресурс указанного материала, в том числе и при вибрации изделий на высокой частоте (в ультразвуковом частотном диапазоне). Материал и методики исследований В качестве материала для исследований был выбран промышленный сплав ПТ-3В (4,66% Al, 1,92% V вес.%) с исходной крупнозернистой структурой. Ультрамелкозернистую структуру в заготовках сплава размерами ~ 405060 мм3 получали одним из методов интенсивной пластической деформации - методом всестороннего прессования [3, 4] в интервале температур 1073-773 К. Металлографические исследования проводили на оптическом микроскопе Olympus GX 71. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке на индентер 100 г. и времени нагружения 15 сек. Электронномикроскопические исследования тонких фольг проводили с использованием просвечивающего электронного микроскопа ЭM-125K с гониометрическим устройством. Фольги для электронной микроскопии готовили стандартным методом на установке для струйной полировки “Микрон-103”, с применением электролита следующего состава: 20% HClО480% CH3CO2H. Размеры элементов зеренно-субзеренной структуры определяли по темнопольному изображению. Выборка составляла не менее 200 измерений. Были проведены сравнительные исследования свойств сплава ПТ-3В в крупно- и ультрамелкозернистом состояниях, в качестве образцов были выбраны детали, которые представляют собой ступенчатые волноводы, работающие на сжатие и растяжение в ультразвуковом диапазоне, частотой 22 кГц и амплитудами от 50 до 100 мкм, см. рисунок 1. Возбуждение колебаний в волноводах производилось от ультразвуковых преобразователей (двигателей), при этом ступенчатая форма волноводов позволяла регулировать амплитуду колебаний. Такой подход позволил проводить ресурсные испытания материала за короткое время.
Где: – амплитуда колебаний волновода, %; σ – напряжение в материале волновода, %; х – линейные размеры волновода, м. Таблица 1. Параметры одного из волноводов для проведения испытаний.
Результаты экспериментов и их обсуждение. Проведенные исследования показали, что в исходном состоянии сплав ПТ-3В имеет крупнозернистую структуру. Большую часть объема материала занимает пластинчатая структура (рис. 3а). Величина микротвердости Hµ сплава при комнатной температуре составляет 2,7 ГПа. После обработки сплава ПТ-3В методом всестороннего прессования в нем формируется достаточно однородная ультрамелкозернистая структура (рис. 3б). Исследования, проведенные с использованием электронной микроскопии, показали, что размеры элементов зеренно-субзеренной структуры после всестороннего прессования находятся в основном в диапазоне от 0,1 до 1 мкм. Средний размер указанных элементов структуры, определенный методом темного поля, составляет ~0,37 мкм (рис.4). На микродифракционных картинах наблюдается большое количество рефлексов, расположенных по окружностям (рис. 4а). Такая высокая плотность рефлексов при малом размере селекторной диафрагмы (площадь диафрагмы ~1,8 мкм2) свидетельствует о формировании зеренно-субзеренной структуры с субмикронным размером зерна. Величина микротвердости после прессования повышается по сравнению с исходной и составляет ~3,4 ГПа. Рис. 4. Микроструктура сплава ПТ-3В после всестороннего прессования: а – светлопольное изображение; б – гистограмма распределения элементов зеренно-субзеренной структуры по размерам. Таким образом, обработка сплава ПТ-3В методом всестороннего прессования привела к существенному уменьшению размера зерен, повышению однородности структуры и, как следствие, к значительному увеличению его механических свойств. Естественно ожидать, что такие изменения структуры и механических свойств исследуемого сплава окажут существенное влияние на его акустические характеристики. Исследования, проведенные на волноводах диаметрами 22 и 11 мм, показали, что разрушение волноводов из ультрамелкозернистого сплава ПТ-3В происходит при более высокой подводимой мощности, примерно в 1,5-2 раза выше, чем для волноводов из крупнозернистого материала (табл. 2). При этом волновод диаметром 8 мм из сплава с ультрамелкозернистой структурой проработал на предельной мощности 600 Вт, доступной в нашем эксперименте, в течение 22 минут, в то время как такой же волновод из крупнозернистого материала разрушился менее через секунду при величине мощности почти вдвое меньшей. Таблица 2. Зависимость предельной мощности и времени до разрушения от материала волновода.
Таким образом, формирование в титановом сплаве ПТ-3В ультрамелкозернистой структуры приводит к повышению величины предельной мощности ультразвукового воздействия и значительному увеличению ресурса работы (многоцикловой нагрузки) волновода из этого материала в условиях высокой плотности мощности по сравнению с крупнозернистым аналогом. Заключение. 1. Проведенные исследования показали, что интенсивная пластическая деформация методом всестороннего прессования приводит к формированию в титановом сплаве ПТ-3В однородной ультрамелкозернистой структуры со средним размером элементов зеренно-субзеренной структуры 0,37 мкм. В результате этого наблюдается существенное изменение механических и акустических свойств исследуемого материала. Так, значение величины микротвердости в ультрамелкозернистом сплаве увеличивается примерно на 25%, а разрушение волноводов из этого материала происходит при более высокой подводимой мощности ультразвука, примерно в 1,5-2 раза выше, чем для крупнозернистого. Также значительно увеличивается ресурс работы (многоцикловая нагрузка) таких волноводов в условиях повышенной плотности мощности ультразвуковой системы. Полученные результаты создают хорошие предпосылки для разработки на основе титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой изделий машиностроения с повышенным ресурсом работы в условиях высокой плотности мощности (амплитуды смещения более 50 мкм). 2. На основании проведенных исследований становится возможным применение титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой и в качестве инструмента для деревообрабатывающей промышленности. При малой массе, по сравнению с инструментальными сталями, и высокой удельной прочности, новый инструмент будет иметь повышенный ресурс работы, ему не страшны будут вибрации, в том числе и высокочастотные, он может выдержать большое количество перезаточек. Уменьшенная масса инструмента позволит увеличить скорость обработки с малым уровнем вибраций и повысить качество обработки древесины. Можно будет создавать и комбинированный инструмент, например, сделать дисковую пилу (фрезу), где диск из титанового сплава, а режущие зубья из наноструктурированного титана. Перспективным является и получение нового материала с ультрамелкозернистой структурой из конструкционных сталей, однако вследствие большого числа легирующих элементов и различных выделений, в них сложно получить однородную УМЗ структуру, в настоящее время работы ведутся только на малоуглеродистых сталях. 1. Валиев Р.З, Александров И.В. Наноструктурные материалы, подвергнутые интенсивной пластической деформации. М.: Логос, 2000. – 272 с. 2. Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П., Жиляев А.П., Дударев Е.Ф., Иванов К.В., Иванов М.Б., Кашин О.А., Найдёнкин Е.В. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов. Новосибирск: Наука, 2001.- 232 с. 3. Кайбышев О.А., Утяшев Ф.З. Сверхпластичность, измельчение структуры и обработка труднодеформируемых сплавов. М.: Наука, 2002. – 438 с. 4. Раточка И.В., Лыкова О.Н., Колобов Ю.Р., Манжула А.Ю. Влияние неоднородности распределения по размерам элементов субмикрокристаллической структуры на механические свойства сплава ВТ6 // Известия ВУЗов. Физика. – 2008.- №7. - С.8-11. Приложение А Рис.1. Распределение амплитуды высокочастотных колебаний на волноводе. Рис.2. Общий вид ступенчатых волноводов для проведения ресурсных испытаний. |
Подгруппа титана На долю титана приходится около 0,2% от общего числа атомов земной коры, т е он является одним из весьма распростанённых в природе... | «Перспективы применения ит в печатных сми» Реферат по теме «Перспективы применения ит в печатных сми» | ||
Основные достижения иммунобиотехнологии Интерфероны. Природа, классификация, биологические свойства, перспективы применения | Мишучкова И. Н. Графические методы психодиагностики Заключение. Перспективы и проблемы применения графических методов в психодиагностике | ||
Рефератов По Курсу «Информатика и математика» Перспективы применения новых информационных технологий в правоохранительной деятельности | Перспективы применения ит в психодиагностике Охватывают многие сферы деятельности человека, в том числе и психологическую диагностику | ||
Контрольная работа по дисциплине «Налогообложение» Проблемы и перспективы применения организациями специальных налоговых режимов (научный реферат) | Горяева Аркадия Алексеевича № п/п Название научного труда Печатный или рукописный Изготовление разлучек на лесопильно деревообрабатывающем комбинате им. В. И. Ленина | ||
Елизавета Александровна Студент фгбоу впо «СыктГУ» Аннотация: в данной статье анализируется опыт и перспективы применения в РФ международных избирательных стандартов с учетом современного... | Рабочая учебная программа дисциплины Предметом изучения являются современные интенсивные плазмохимические технологии, применяемые в производстве или имеющие перспективы... | ||
Рабочая учебная программа дисциплины Предметом изучения являются современные интенсивные плазмохимические технологии, применяемые в производстве или имеющие перспективы... | «Перспективы применения ит в изучении рукописных текстов» Целью данного реферата является поиск оптимального на сегодняшний день решения проблемы изучения древних рукописных текстов, а также... | ||
Стюарт Мак Роберт Руки титана Учебно-методический комплекс разработан доктором философских наук, профессором кафедры философии и методологии науки Лешкевич Т.... | Реферат «Способы применения аптамеров в диагностике и терапии» Направление 011200. 68 «Физика» В последние годы были обнаружены новые перспективы использования нуклеиновых кислот в качестве терапевтических и диагностических... | ||
Энергетические состояния в запрещенной зоне кристаллического кремния,... ... | Электронная энергетическая структура тетрагональных купридов титана и сплавов cu-Ti-Ni Работа выполнена на кафедре физики Технологического института Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального... |