Повышение конструктивной прочности литых изделий и сварных швов путем добавления в расплав мелкодисперсных тугоплавких частиц

• Автор: Головин, Евгений Дмитриевич
• Шифр специальности: 05.16.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 234 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.
1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЛИТЬЕ И СВАРКЕ ЗАГОТОВОК литературный обзор

1.1. Основные понятия модифицирования.

1.2. Теории модифицирования

1.3. Термодинамические особенности кристаллизации металлических материалов

1.4. Кристаллизация материала сварных швов.

1.5. Способы ввода модификаторов в материалы.

1.6. Выводы

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Выбор материалов исследования.

2.2. Структурные исследования
2.2.1. Оптическая металлография.
2.2.2. Растровая электронная микроскопия
2.2.3. Просвечивающая электронная микроскопия.
2.2.4. Рентгенофазовый анализ.
2.3. Химический анализ материалов
2.3.1. Энергодисперсионный рентгеновский
микроанализ.
2.3.2. Оптикоэмиссионный спектральный анализ.
2.4. Исследование механических свойств материалов
2.4.1. Оценка показателей твердости.
2.4.2. Испытание материалов на статическое
одноосное растяжение
2.4.3. Испытания сварных соединений
на статический изгиб
2.5. Оценка показателей, характеризующих
надежность материалов
2.5.1. Испытание на ударный изгиб образцов с концентраторами напряжений
2.5.2. Определение циклической
трещиностойкости материалов.
2.5.3. Испытания на циклическую
долговечность.
2.6. Триботехнические исследования материалов
3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, РАЗВИВАЮЩИХСЯ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКЕ МАТЕРИАЛОВ
3.1. Математическая модель расчета
температурных полей
3.2. Математическая модель структурнофазовых
превращений в стали .
3.3. Анализ напряженнодеформированного
состояния материалов при лазерной сварке.
3.4. Результаты математического моделирования
3.5. Выводы
4. ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ ШВОВ
МОДИФИЦИРОВАНИЕМ ПЕРЕПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА
4.1. Лазерная сварка хромоникелевой стали
4.2. Лазерная сварка углеродистой стали
4.3. Лазерная сварка пластин из алюминиевых сплавов.
4.4. Лазерная сварка титановых сплавов
4.5. Комбинированная обработка сварных соединений, сочетающая модифицирование сварных швов, а также поверхностную пластическую деформацию швов и зон термического влияния
4.6. Выводы
5. ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЛИТЫХ МЕТАЛЛОВ МЕТОДОМ МОДИФИЦИРОВАНИЯ НАНО ДИСПЕРСНЫ МИ ЧАСТИЦАМИ
5.1. Модифицирование технически чистого алюминия АДО.
5.1.1. Постановка эксперимента
5.1.2. Механические свойства модифицированного АДО
5.1.3. Структура модифицированного АДО
5.1.4. Электронномикроскопическое исследование поверхностей образцов, разрушенных в процессе статического растяжения.
5.2. Модифицирование стали Л и серого чугуна
наноразмерными частицами
5.3. Модифицирование бронзы БрА9ЖЗЛ.
5.4. Выводы.
6. АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.
6.1. Разработка антифрикционного материала на основе
серого чугуна.
6.2. Разработка технологического процесса лазерной сварки алюминиевого сплава
6.3. Внедрение результатов исследований
в учебный процесс
6.4. Представление материалов работы
на научнопромышленных выставках
6.5. Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Для модифицирования алюминия и его сплавов предложено несколько теорий, основывающихся на различных подходах: теория фазовых диаграмм, теория частиц, теория перитектического каркаса, теория гиперзародышеобра-зования, теория двустороннего зародышеобразования [; ]. Детальный анализ предложенных теорий позволяет говорить о том, что они сфокусированы главным образом на оценке роли соединений или 2? Некоторые авторы полагают, что роль примесей несущественна из-за их малого влияния на процесс кристаллизации []. В работах [, ] авторы пришли к заключению, что содержание в сплаве 2 % приводит к максимальному измельчению зерна, а повышение содержания кремния выше 3 % является причиной огрубления зеренной структуры. В работе [9] авторы изучают влияние Ре на измельчение зерна алюминия технической чистоты при введении железа в расплав в составе лигатуры. Добавление Ре в количестве до 0,4 % вызывает измельчение зерна чистого алюминия, а дальнейшее повышение содержания железа приводит к огрублению зеренной структуры. В соответствии с фазовой диаграммой А1-Ре данные частицы являются соединением ГеА. Авторы указывают [], что в соответствии с двойной диаграммой А1-Ре, первичной кристалллизующейся фазой является чистый алюминий. При добавлении железа увеличивается скорость образования зародышей и переохлаждение расплава. С одной стороны, количество чужеродных кластеров будет расти, и возможно, при этом уменьшается' поверхностное натяжение, с другой стороны, с увеличением содержания железа возрастает переохлаждение. Это должно приводить к измельчению зерна с увеличением содержания железа. Но при достижении 0,4 % содержания железа, размер зерна начинает возрастать и наблюдается появление эвтектической составляющей, выделяющейся по границам. Таким образом, авторы делают предположение, что при низком содержании железа оно играет роль «. При увеличении содержания железа, происходит формирование участков эвтектики, которые не могут являться подложкой для кристаллизации, однако, сдерживают рост зерна за счет эффекта закрепления на границах. При кристаллизации действуют оба механизма. В работе [] приведены результаты исследований влияния размеров частиц модификатора на эффективность его применения для устранения столбчатой структуры алюминиевых сплавов. На основании ряда экспериментальных данных, полученных авторами ранее [-], а также данных других исследователей [, ] в работе предлагается математическая модель для оценки эффективности модификатора. Описывая модель, ТЕ. Quested и A. L. Greer придерживаются теории инокулирования, согласно которой частицы модификатора являются введенными в расплав искусственными центрами кристаллизации. Эффективность инокулятора (модифицирующей добавки) оценивается по таким параметрам как минимальный размер зерна литого металла, число частиц, выполнивших функцию зародышей кристаллизации и минимальная чувствительность размера зерна к скорости охлаждения. Отмеченные параметры напрямую зависят от размеров частиц модификатора и распределения среднего размера частиц [-, -]. Так, чувствительность к скорости охлаждения снижается, если увеличивается размер модифицирующих частиц и возрастает разброс этого размера []. С другой стороны, доля частиц, инициирующих рост зерна, крайне мала. Обычно она составляет 3. Такого рода неэффективность не только повышает стоимость процесса, но и влияет на структуру сплава: неактивные частицы наблюдают на границах зерен, куда их оттесняет граница раздела между твердой и жидкой фазами, в то время как активные частицы находят в пределах зерен []. Авторы также указывают на существование диапазона оптимальных значений размера модифицирующих частиц и их распределения, при котором степень измельчения зерна-литого материала максимальна. При этом отмечается, что при использовании разных материалов и технологий литья оптимальные значения параметров частиц различаются []. Важным параметром при моделировании кристаллизации алюминиевых сплавов авторы считают величину переохлаждения A7/g, выражаемую зависимостью (1. А7>*-лЙ?