Повышение долговечности деталей машин поверхностным модифицированием сплавами с эффектом памяти формы

• Автор: Будревич, Дмитрий Геннадьевич
• Шифр специальности: 05.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Краснодар
• Количество страниц: 167 с. : ил.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Уже стало трюизмом, что интенсивное использование композиционных материалов требует широкого внедрения принципиально новых технологий - электронно-лучевых, плазменных, импульсных, лазерных. Только благодаря активному взаимному проникновению технологических разработок и междисциплинарного подхода к научным исследованиям, а также взгляду на технологию как на науку, обладающую собственной аксиоматикой, задачами и аппаратом для их решения, стало возможным разработать в последние несколько лет композиционные материалы нового класса, так называемые интеллектуальные материалы, в число которых наряду с пьезоэлектрическими и магнитострикционными материалами, а также реологическими жидкостями входят сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ). Эти материалы обладают рядом нетривиальных свойств: памяти, восстановления, адаптивности, активации, преобразования энергии и имеют также высокие эксплуатационные свойства, работая в условиях механической усталости, износа и эрозии. Однако использование их в качестве конструкционных материалов хотя и открывает широкие возможности, но является дорогостоящим. До настоящего времени их применение ограничивается в основном отдельными нишами рынка из-за высокой стоимости и сложной технологии получения полуфабрикатов и деталей. Для компенсации этих недостатков необходимо создание новых экономичных технологий обработки поверхности и нанесения покрытий из этих сплавов на детали машин. Кроме того, синергетический эффект при использовании покрытий дает возможность объединять свойства двух и более материалов (материала основы и покрытия из сплавов с ЭПФ) с получением композитов, обладающих характеристиками, которые не могут быть получены при использовании одного материала.
В настоящее время в области машиностроения сплавы с ЭПФ используются в основном для обеспечения различного рода функциональных свойств в конструкциях соединительных и установочных деталей, исполнительных элементов и роботов, тепловых двигателей и других конструкциях. Одним из пер-

спективных направлений использования сплавов с ЭПФ является создание на их основе разъемных соединений деталей машин, в которых эффект памяти формы используется для получения гарантированной посадки с натягом между соединяемыми деталями. Известные в промышленности способы использования подобных сплавов в основном ограничиваются их применением в качестве охватывающих деталей (муфт, гильз, хомутов) в трубопроводных системах.
Материалы, поверхностно-модифицированные сплавами с ЭПФ, могут быть использованы для создания разъемных соединений деталей машин, в которых на сопрягаемом участке поверхности детали получают слой сплава с ЭПФ, термомеханические свойства которого обеспечивают посадку с натягом при сборке соединения и свободную посадку при его разборке. Подобная технология может быть использована не только для получения разъемного соединения труб, но и для создания широкого класса разъемных соединений деталей, имеющих цилиндрическую поверхность сопряжения, типа "вал-втулка".
Связь работы с научно-техническими программами. Работа выполнена в соответствии с координационным планом НИР на 1996-2000 гг. отделения Механики процессов управления по проблемам прочности и пластичности РАН по теме "Развитие механики разрушения, обоснование критериев разрушения для различных классов нагружения", а также по НИР "Повышение долговечности деталей машин' с помощью создания поверхностных самоорганизованных структур с памятью формы" по подпрограмме Министерства образования Российской Федерации "Производственные технологии" (код проекта 201.01.01.115)2001-2002 гг.
Нель работы - повышение долговечности деталей поверхностным модифицированием материалами с памятью формы.

Задачи исследования:

- разработать методику прогнозирования прочности и циклической долговечности трехкомпонентных систем;
- установить функционально-механические возможности поверхностного модифицирования сплавами с ЭПФ;

- разработать технологию поверхностного модифицирования стали сплавом с ЭПФ, включающую аргонодуговую наплавку сплава нитинол и последующую термомеханическую обработку (тренировку) наплавленного слоя методом поверхностного пластического деформирования при криогенной температуре;
- провести экспериментальные исследования долговечности сталей, поверхностно-модифицированных сплавом с ЭПФ (нитинолом).
Объектом исследования являются металлические материалы (стали), поверхностно-модифицированные сплавами с ЭПФ. Предмет исследования составляют характеристики прочности и долговечности сталей после поверхностного модифицирования сплавами с ЭПФ.
Методология и методы проведенного исследования. Методы исследования, использованные в данной работе, базируются на основных положениях металловедения мартенситных превращений, механики разрушения, неравновесной термодинамики, фрактального материаловедения, технологии машиностроения, математических методов планирования экспериментов.
Научная новизна.
- Разработана методика выбора компонентов для поверхностного легирования бинарных и тройных систем на основе титана с целью повышения прочности и циклической долговечности.
- Разработана технология аргонодуговой наплавки сплавов с ЭПФ на основе титана, типа нитинол, на поверхность стали 45 и 40Х, обеспечивающая прочность и надежность получаемой композиции за счет формирования промежуточных подслоев из чистого никеля на границе сталь - нитинол.
- Разработан способ соединения деталей, имеющих цилиндрическую поверхность сопряжения, включающий нанесение сплава с ЭПФ на сопрягаемые поверхности деталей, протачивание канавок в нанесенном слое, пластическое деформирование образовавшихся выступов до размеров, соответствующих диаметру сопряжения второй детали и соединение деталей с последующей термической обработкой.

долговечность-деформация были получены при температурах , соответствующих существованию псевдоупругой и аустенитной структур. На кривых отмечаются переломы, приблизительно при амплитудах деформаций, равных 0,5ч-1,0% и числе циклов 104ч-105. Величина наклона кривой на восходящем участке в логарифмическом масштабе (коэффициент (3) составляет 0,24, что удовлетворительно соотносится со значением 0,216, полученным К.Н. Мелтона и О. Мерсье [41] для нитинола в псевдоупругом состоянии. Кривые усталости в области низких величин деформаций (~1 %) соответствуют РФП, а области высоких величин деформаций (~9 %) - МП. Этот факт позволяет предположить, что конструкции из сплавов с эффектом памяти, основанном на РФП, могут иметь высокую долговечность, но в то же время они не способны развивать значительных реактивных напряжений и деформаций восстановления формы.
X. Тобуиш с сотр. также провели серию испытаний по исследованию влияния частоты нагружения в диапазоне от 8,3 Гц до 83 Гц на воздухе и в воде. Опыты на воздухе показали снижение усталостной долговечности с ростом частоты нагружения, в воде такой тенденции отмечено не было. Снижение долговечности в опытах на воздухе объясняется температурным эффектом разогрева образца с ростом частоты нагружения.
Ш. Миядзаки с сотр. [54] провели усталостные испытания при изгибе с вращением проволочных образцов. На рис. 1.11 представлены результаты испытаний двух сплавов в виде серии кривых усталости, полученным при различных температурах фазовых превращений. На кривых отмечаются перегибы в диапазоне 104ч-105 циклов. Повторные перегибы наблюдаются только у двух высокотемпературных кривых (аустенитных Т^Ма). Первый перегиб находится в области низких деформаций, что соответствует выходу на предел пропорциональности и, таким образом, перегиб ограничивается чисто упругой деформацией. Второй перегиб связан с пределом упругости, то есть является точкой, в которой начинаются макроскопические мартенситные превращения. Эти перегибы различимы только в области высоких температур. Таким образом, усталостная долговечность существенно зависит от температурного режима испы-