Соболев В.В., Шиман Л.Н. Высокоэнергетическая обработка материалов. Сборник научных трудов

Подождите немного. Документ загружается.

Высокоэнергетическая обработка материалов

111

(

)

[

]

[] [ ]

{}

−−−+−

−

∏

)x(sh)(xsh)x/x(x)(xsh

shxxxexp

)(

212114

θθθ

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

+−

−

−×

θθ

cthxx)(cthxx

)QQ(x

exp

;

2/x

)d(i

)f(i

, (35)

где

– частоты колебаний в начальном и конечном состоянии, а

– равновесные значения нормальных координат. В случае сильной связи со

средой, когда интеграл по

может быть рассчитан методом перевала,

[]

∫

∏

∗

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

Ψ−Δ−Φ

kfii

2/1

2/3

,)(),(exp),(),(

)2(

θϕρωβθϕρϕρ

βωπ

θθ

(36)

где точка перевала

∗

может быть определена из уравнения

0)()(

=Ψ−Δ−

θωβ

. (37)

Выражение для коэффициента экстинкции связанное с поглощением

изолированными частицами может быть легко получено из уравнения (36).

Обсуждение результатов

Полученные результаты пригодны для различных конденсированных

мезоскопических систем с флуктуациями. Среда может быть как жидкой, так и

твердой. Состояние среды существенно определяет характер флуктуаций и

вид соответствующей ФГ. С точки зрения практического применения резуль-

татов представляет интерес рассмотрение детоксикации различных веществ.

Токсичность многих комплексных частиц может быть связана с присутствием

определенных

функциональных групп. Для изменения токсических свойств

необходимо преобразование именно этих функциональных групп. На первой

стадии для этого необходимо разрушить определённые химические связи.

Как показали полученные результаты, для диссоциации частиц иногда

достаточно подобрать полярный растворитель (см. формулы (14) и (19)). Ес-

ли в этом случае диссоциация частиц не произойдет, то, по крайней мере,

бу-

дет иметь место изменение частоты колебания, как правило, в сторону ее

уменьшения. Более эффективный метод разрушения частиц это концентра-

ция колебательной энергии на определенных химических связях токсических

молекул (неравновесные процессы). Для этого необходимо подвергнуть об-

Высокоэнергетическая обработка материалов

112

лучению заданной частоты исследуемые системы (формула (19)). Переход

частиц в электронно-возбужденное состояние, в котором частица диссоции-

рует также является эффективным методом. Для такого процесса коэффици-

ент экстинкции имеет вид (36).

Продукты, полученные в процессе разрушения, могут рекомбинировать

или принять участие в химическом процессе термически с другими частицами.

Чтобы убедиться в протекании

целенаправленного химического процесса, ве-

роятно, необходимо обеспечить деструкцию других молекул. Фрагменты дис-

социированных токсических молекул будут взаимодействовать с фрагментами

этих молекул. При этом необходимо воздействовать на систему, по крайней

мере, двумя источниками излучения.

Наиболее интересным является случай, при котором может быть осуще-

ствлен фотосинтез новых частиц из фрагментов разрушенной токсической мо

лекулы с фрагментами других частиц.

При этом необходимо использовать еще один источник излучения, кото-

рый обеспечит фотосинтез. Процесс внешнесферного фотосинтеза новых ком-

плексных частиц описывается формулой (35), процессы синтеза посредством

электронно-возбужденных частиц соответственно выражением

(30).

Литература

1. Dogonadze R.R., Marsagishvili T.A. Methods of quantum field theory in

electrodynamics of salvation // The chemical physics of salvation. Part A, chap. 2.

Ed.: R. Dogonadze et al. – Elsevier: Amsterdam. – 1985. – P. 39–76.

2. Dogonadze R.R., Marsagishvili T.A. Quantum theory of electronic and vi-

brational spectra of impurity molecules in polar media In: The chemical physics of

salvation. Part B, chap. 5. / Ed. R. Dogonadze et al. – Elsevier: 1986. – P. 189–222.

3. Onsager L. // J. Amer. Chem. Soc. – 1936. – V.58. – P. 1485.

4. Feig M., Tonizaki S., Sayadi M.. Implicit solvent simulation of bio-

molecules in cellular environments // Annual reports in computational chemistry. V.

4 / Ed. R.Wheeler and D.Spellmeyer. – Elsevier: Amsterdam, 2008. – P. 107.

5. Закарая М.Г., Марсагишвили Т.А., Хоштария Д.Э. Элементарные про-

цессы в конденсированной среде. – Тбилиси: Мецниереба, 1989. – 260 с.

Высокоэнергетическая обработка материалов

113

6. Marsagishvili T.A., Machavariani M.N. Free energies of the polyatomic po-

larizable dipole-active particles in polar media // Phys. Stat. Sol. (b). – 1989. – V.

154. – P. 97–104.

7. Platzman P.M.,Wolff P.A. Waves and interactions in solid state plasmas.

N.Y. – Academic press–London, 1973.

8. Khoshtariya D.E., Kjaer A.M., Marsagishvili T.A., Ulstrup J. Absorption

band shape analysis for photoinduced intermolecular electron transfer in solution.

Application to a new near-infrared transition between free hexacyanoferrate (II) and

Hexacyanoferrate (III) // J. Phys. Chem. – 1991. – V.95/ – P. 8797–8804.

9. Marsagishvili T.A. Heterogeneous process of charge transfer and photo-

transfer with participation of dipole particles // J. Electroanal. Chem. – 1998. – V.

450. – Р. 47–53.

10. Марсагишвили Т.А. Кинетика элементарного акта процессов перено-

са и фотопереноса заряда в нерегулярной конденсированной среде. В: Химия

и химическая технология. Ред. Г.Г. Гвелесиани, Г.В. Цицишвили. – Тбилиси:

Мецниереба. – 2001. – С. 191–209.

11. Marsagishvili T. Kinetics of an Elementary Charge Transfer Act Involving

Polyatomic Dipole Polarizable Species: A Spectroscopic Study // Russ. J. of Elec-

trochemistry. – 2003. – V. 39. – P. 21–27.

УДК 621.4

ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

ПРИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Е.И.Марукович

, Ю.С.Ушеренко

, А.А.Андрушевич

Институт технологии металлов НАН Беларуси,

г.Могилев,

Белорусский государственный аграрный технический университет, г. Минск

lms@itm.by,

usherenko@gmail.com,

andru49@mail.ru.

Исследованы свойства алюминиевых литейных сплавов после динамической обработки

микрочастицами. За счет вводимых порошковых композиций и состава алюминиевой мат-

рицы регулируется структурная дефектность (2,9-42 раз) создаваемого композиционного

материала и его механические свойства, например пластичность (5-10 раз), на глубинах в

десятки и сотни миллиметров. В режиме сверхглубокого проникания происходит дробление

упрочняющей кремниевой фазы в

направлении перпендикулярном к движению ударников с

расстояниями между плоскостями скола 0,1 -10 мкм.

Высокоэнергетическая обработка материалов

114

Properties of aluminium castings alloys are investigational after dynamic treatment microparti-

cles. Due to the entered powder-like compositions and composition of aluminium matrix structural

imperfectness (2,9-42 times) of the created composition material and its mechanical properties, for

example plasticity (5-10 times), on depths in ten and hundreds of millimeters is regulated. In the

mode of the super-deep penetrating there is crushing of consolidating silicic phase in direction per-

pendicular to motion of shock-workers with distances between the shearing planes 0,1 -10

μm.

Введение

Алюминиевые сплавы широко используются при производстве конст-

рукционных и электропроводящих материалов. Благодаря малому удельному

весу, высокой электропроводности и коррозионной стойкости эти материалы

имеют высокую конкурентоспособность. Повышенные механические свойст-

ва этих сплавов достигаются за счет формирования химических соединений

на основе алюминия. Повышение прочности алюминиевых сплавов легиро-

ванием в значительной степени ограничивается

неспособностью алюминия

образовывать твердые растворы в широком интервале. Введение даже малых

количеств легирующих элементов приводит к образованию первичных ин-

терметаллических соединений в виде грубых включений. Наличие последних

вызывает неоднородность состава, ухудшает прочностные и пластические

свойства, снижает коррозионную стойкость, отрицательно сказывается на ка-

честве поверхности полуфабрикатов [1].

Увеличение скорости кристаллизации путем

быстрого охлаждения из

жидкого состояния позволяет расширить пределы твердых растворов на ос-

нове алюминия. Такие подходы требуют учета динамических эффектов, воз-

никающих при переохлаждении (фазовые переходы первого рода) поверхно-

стных слоев [2]. Большая скорость охлаждения позволяет производить высо-

колегированные сплавы алюминия с легкоплавкими, практически нераство-

римыми в алюминии, резко

отличающимися по плотности компонентами

(свинец, висмут), взаимодействующими в соответствии с диаграммой со-

стояния монотектического типа.

Принципиально новые сплавы появляются тогда, когда открываются

новые фазы – упрочнители. Фазы – это, по существу, химические соединения

– интерметаллиды, образующиеся в сплаве и заметно влияющие на его свой-

ства. Разные фазы по-разному повышают прочность, коррозионную стой

кость и другие практически важные характеристики сплава. Однако упроч-

няющих фаз найдено совсем немного – меньше десятка. Их образование воз-

можно лишь при условии растворимости соответствующих элементов в алю-

Высокоэнергетическая обработка материалов

115

минии [1]. То, что алюминий хороший проводник известно давно и активно

используется в электротехнике и электронике. Но, оказывается, при опреде-

ленных условиях он может вести себя как керамика или даже как полупро-

водник. Изучался процесс скольжения одного слоя атомов над вторым слоем.

Оказалось, что слои атомов меди обладают достаточной

подвижностью, то-

гда как слои атомов алюминия не скользят, а как бы проскакивают друг через

друга. Причина поведения алюминия в связях, при которых атомы соседних

слоев могут делать электроны общими, что, скорее, характерно для керамики

и полупроводников. Кроме того, выяснилось, что алюминий более устойчив

к механическим напряжениям, чем медь. Эти неизвестные

ранее свойства

алюминия делают его весьма перспективным материалом для наноэлектро-

ники, хотя ранее он считался не вполне пригодным для создания электрон-

ных устройств вообще.

Изменение свойств алюминиевых сплавов реализуется при концентра-

циях легирующих элементов 0,001-0,1 масс. %. Использование эффектов ди-

намического массопереноса и сверхглубокого проникновения (СГП) обеспе-

чивают такое легирование по объему

алюминия и его сплавов и интенсивные

динамические нагрузки единовременно [3]. Изучение структурных превра-

щений в алюминиевых деталях при импульсном воздействии пылевых час-

тиц является актуальным для авиации и космонавтики.

Целью работы является исследование особенностей изменений структуры

и свойств алюминия и его сплавов при локальном динамическом воздействии.

1 Изменение механических свойств после динамической обработки

Динамическое воздействие осуществляется импульсными нагрузками, в

том числе ударными волнами, возникающими при высокоскоростных ударах.

Кроме того, импульсное воздействие реализуется при облучении высокоско-

ростными потоками ионов, электронов и нейтронов. Такие динамические воз-

действия, как правило, сопровождаются реализацией внутри и вокруг метал-

лических объектов импульсных электромагнитных полей. В совокупности та-

кие динамические воздействия

представляют собой комплексный многофак-

торный процесс, что позволяет прогнозировать увеличение числа степеней

свободы (вариантов) структурообразования метастабильных соединений и,

соответственно, изменение физико-механических и физико-химических

свойств алюминия и его сплавов.

Высокоэнергетическая обработка материалов

116

Известно два типа динамического воздействия, которые наряду с уда-

ром, реализуют дополнительное легирование алюминиевых материалов. Пер-

вый тип такого воздействия известен как динамический массоперенос [4], а

второй тип известен как сверхглубокое проникание [5]. По первому типу ди-

намического воздействия по поверхности твердого тела реализуется массопе-

ренос вводимого вещества

на глубины в несколько миллиметров. При этом

концентрация вводимого вещества достигает десятки масс. % и, соответствен-

но, формируется поверхностная зона материала, который не может быть опи-

сан известными диаграммами состояния. Естественно создание такого мате-

риала реализуется через переход в системе порядок – беспорядок, т.е. предпо-

лагает потерю устойчивости кристаллической структуры исходного алюминия

или его сплавов [3]. Метастабильное состояние фиксируется в поверхностных

слоях за счет интенсивного теплоотвода в матричный металл (закалка в метал-

лическую матрицу). В этом динамическом процессе одновременно реализуют-

ся следующие факторы: высокое импульсное давление, дополнительное леги-

рование и интенсивная пластическая деформация.

По второму типу динамического воздействия (сверхглубокое проника-

ние)

микрочастицы движутся в твердом теле, проникая на глубины в десятки

и сотни миллиметров. Движение множества дискретных частиц в объеме ме-

таллического тела уже на постановочной стадии предполагает прошивание

металлической преграды отдельными микронитями. При сверхглубоком про-

никании одновременно реализуются следующие факторы: высокое импульс-

ное давление, дополнительное легирование, интенсивная пластическая дефор-

мация и

высокоэнергетическое излучение [5].

Явление сверхглубокого проникания реализуется в рамках определен-

ных условий. Одним из определяющих граничных условий является размер

дискретного ударника (порошковой частицы). Поэтому для того, чтобы вы-

явить специфическое воздействие сверхглубокого проникание на механиче-

ские свойства при прочих равных условиях удара был выполнен цикл сравни-

тельных экспериментов. Для

этого при постоянных параметрах взрывного ус-

корителя в качестве ударников использовали частицы SiC фракции менее

100 мкм, чугунная дробь с размерами Ø 2-3 мм, медные частицы с размерами

Ø 0,6-1,0 мм. Так как в заданном режиме ускорителя максимальный гранич-

ный размер ударника при реализации СГП не превышает 0,2 мм, то режим

Высокоэнергетическая обработка материалов

117

сверхглубокого проникания реализуется только для SiC. Эффекты, наблюдае-

мые при обработке металлических заготовок бомбардировкой чугунной дро-

бью и медью, можно отнести к обычному удару.

Твердость по Бринеллю НВ (ГОСТ 9012-93) определяли на рычажном

полуавтоматическом прессе ТШ-2, используя нагрузку 250 кгс и шарик диа-

метром 5 мм. На каждую точку производили не менее 3 уколов с

измерением

отпечатка в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Результаты рас-

пределения твердости по глубине образцов, характеризующей процесс упроч-

нения алюминия и его алюминиево-кремниевого сплава, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Изменение твердости по Бринеллю по глубине образцов

Сплав Al-12%Si Алюминий А7

Расстояние

от поверхности

образца, мм

Обработ-

ка при

СГП (SiC)

Обра-

ботка

дробью

Обработка

медными

частицами

Обработка

при СГП

(SiC)

Обработка

дробью

20 - 62,4 62,4 37,5 -

40 76,3 62,4 62,4 37,1 41,9

60 68,8 62,4 62,4 37,1 38,4

80 68,8 62,4 62,4 37,1 34,0

100 68,8 60,8 60,2 35,7 31,8

120 68,8 56,8 56,5 33,8 31,7

140 65,6 56,8 56,6 31,8 31,8

160 65,6 57,9 56,5 31,8 31,8

180 62,4 59,5 56,8 31,8 31,8

Исходный литой 56,9 34,2

Из приведенных в табл. 1 данных следует, что влияние множественного

удара по техническому алюминию сказывается на твердости до глубин 60 мм,

а по сплаву Al-12%Si до глубин 100 мм. Влияние эффекта СГП по техниче-

скому алюминию на твердость заметно до 100 мм, а по сплаву Al-12%Si – до

глубин 180 мм. На основе этих результатов можно также отметить,

что и

влияние множественного удара и СГП более значимо в сплаве Al-12%Si , чем

в техническом алюминии.

В результате многофакторного воздействия при СГП в объеме алюми-

ния и его сплавах формируются необычные структурные элементы [6]. Чем

менее однороден обрабатываемый материал, например алюминиевый сплав по

Высокоэнергетическая обработка материалов

118

сравнению с алюминием, тем на большей глубине наблюдаются структурные

новообразования и, по-видимому, больше влияние динамического процесса на

механические свойства.

Проведены экспериментальные исследования изменений в алюминие-

вом сплаве Al-15%Zn при импульсных нагрузках за счет обжатия газом, обжа-

тия по традиционной ампульной схеме, а также при взаимодействии с высоко-

энергетическими сгустками пыли (

СГП). Механические свойства сплава Al-

15%Zn, полученные после различных вариантов динамических нагрузок, при-

ведены в табл. 2.

Некоторые модели процесса сверхглубокого проникания объясняют за

счет существования особых механизмов. В рамках этих механизмов взаимо-

действие между вводимыми и матричными материалами отсутствует [5]. При

постоянном режиме динамического воздействия в соответствии с этими мо-

дельными

представлениями не может быть заметным влияние состава вводи-

мого вещества на структурную дефектность и механические свойства. Поэто-

му были выполнены дополнительные эксперименты. Вначале изучалось влия-

ние состава вводимого вещества на структурные изменения в сплаве АК12.

Результаты этих измерений представлены в табл. 3.

Таблица 2

Механические свойства сплав Al-15%Zn при различных схемах

импульсной обработки

Значения

свойств

Состояние образца

в,

МПа

δ, % НВ

Исходный литой сплав 95 6 33-34

Обработка газовым давлением

3 МПа

118 9 39-42

Обработка газовым давлением

10 МПа

132 11 46-48

32-34

102 7 35-36,5

Обработка СГП:

без предварительного подогрева

подогрев до 200

подогрев до 400

102 8 35-36

106

36-39

92 6 28-30

Обработка по ампульной схеме:

без предварительного подогрева

подогрев до 200

подогрев до 400

95 6 31-32

Высокоэнергетическая обработка материалов

119

Таблица 3

Дефектность в алюминиевом сплаве АК12 после обработке в режиме

СГП различными составами

№ Состав

Плотность

включений,

шт/мм

Средний

диаметр,

мкм

Площадь

включений,

S мм

Доля

дефектов,

Фуллерены +SiC 159 2.66

3⋅10

-5

0.088

Графит +SiC 80 1.0

24⋅10

-7

0.006

Графит +Al

239 2.04

29⋅10

-6

0.077

Сажа +SiC 398 2.97

104⋅10

-6

0.257

Сажа +Al

186 1.78

17⋅10

-6

0.046

Некоторые модели процесса сверхглубокого проникания объясняют за

счет существования особых механизмов. В рамках этих механизмов взаимо-

действие между вводимыми и матричными материалами отсутствует [5]. При

постоянном режиме динамического воздействия в соответствии с этими мо-

дельными представлениями не может быть заметным влияние состава вводи-

мого вещества на структурную дефектность и механические

свойства. Поэто-

му были выполнены дополнительные эксперименты. Вначале изучалось влия-

ние состава вводимого вещества на структурные изменения в сплаве АК12.

Результаты этих измерений представлены в табл. 3.

Для всех исследуемых вариантов импульсного нагружения твердость

сплава изменялась в диапазоне: в исходном состоянии 33-34 НВ, при обработ-

ке по методу СГП от 32 до 34 НВ,

а при всестороннем обжатии по ампульной

схеме от 36 до 39 НВ. Повышение составило 4-5 единиц, т.е. 12-13%. При на-

ложении газового давления твердость увеличилась до 46-48 НВ. Наиболее за-

метное повышение твердости при обжатии газом обусловлено тем, что давле-

ние прикладывалось в момент формирования твердой фазы отливки. Это при-

водило не столько к изменению

структуры отливки, как к уменьшению газо-

вой пористости за счет предотвращения выделения водорода, растворенного в

жидкой фазе, и уменьшению межкристаллитной пористости. Пористость сни-

жается вследствие улучшения фильтрации жидкой фазы внутри образующего-

ся скелета кристалла. Влияние предварительного подогрева по схеме СГП и

ампульного нагружения на твердость модельного сплава ввиду взаимоисклю-

чающего

действия температуры и давления приводит к небольшому измене-

нию этих значений. Показатели прочности и относительного удлинения зна-

Высокоэнергетическая обработка материалов

120

чительно увеличивались при наложении импульсного давления на сплав в ин-

тервале "ликвидус-солидус" в момент формирования твердой фазы.

Для обжатия в ампулах и создания высокоскоростных сгустков микро-

частиц использовались заряды одинакового взрывчатого вещества аммонит

№6ЖВ. В качестве грубого критерия энергетической оценки этих двух техно-

логических вариантов можно использовать массу

заряда взрывчатого вещест-

ва. Обработка по схеме ампульного обжатия и схеме сверхглубокого проника-

ния обеспечило практически одинаковую картину искажений зерен (уменьше-

ние размера зерен в 2-2,5 раза) в Al-15%Zn сплаве. Поэтому аномальным явля-

ется тот факт, что для достижения аналогичного измельчения зерен в одина-

ковых заготовках в двух рассматриваемых вариантах динамического воздей-

ствия

при СГП необходим заряд взрывчатого вещества примерно в 10 раз

меньший, чем в ампульной схеме.

Дефектность структуры алюминиевого сплава Al-12%Si в зависимости

от введенного состава менялась от 2,9 до 42 раз. Наиболее заметно влияние на

дефектность композиций на основе смеси с SiC [6].

Конечно, возникает вопрос – насколько существенно влияние фикси-

руемой дефектности на механические

свойства алюминиевого сплава? Для по-

лучения ответа на этот вопрос были проведены механические испытания по-

лученных материалов, табл. 4.

Таблица 4

Механические свойства литейного сплава АК12

после импульсной обработки в режиме СГП

Маркировка

Предел прочно-

сти σ

в,

кгс/мм

Относительное

удлинение δ, %

Примечание

0 9,82 0,5 Исходный литой сплав

01 10,1 2,5

02 9,23 2,83

03 - - Заготовки разрушились

04 9,07 4,83

05 13,07 5,0

При изменении вводимого состава предел прочности и относительное

удлинение, которое можно использовать как характеристику пластичности,

существенно менялось. Относительное изменение предела прочности сплава