Современные проблемы машиностроения

Подождите немного. Документ загружается.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

161

Рис. 4. Пространственное распределение главного пластического сдвига

0 1 2 3 4 5 6

-40

-20

, мкм

Z, мм

0 1 2 3 4 5 6

-0,10

-0,08

-0,06

-0,04

-0,02

0,00



Z, мм

а б

Рис. 5. Пространственное распределение продольных смещений u

вдоль

средней горизонтальной линии на рис. 1 (а) и продольная деформация



(б)

В заключении отметим, что определение локальных деформаций методом корреляции

цифровых изображений является высокопроизводительным методом хорошей точности.

Применение этого метода к анализу деформации монокристаллов позволяет автоматизиро-

вать процедуру выявления доменов деформации и расширяет возможности по анализу орга-

низации деформации монокристаллов и выявлению мест локализации деформации.

Авторы выражают благодарность профессору Д.В. Лычагину за плодотворное со-

трудничество и обсуждение результатов.

Литература

1. Peters W.H., Ranson W.F. Digital imaging technique in experimental stress analysis //

Optical Engineering.  1982.  V.21.  P. 427-432.

2. Sutton M.A., Wolters W.J., Peters W.H., Ranson W.F., McNeil S.R. Determination of

displacements using an improved digital image correlation method // Image Vision Computing,

1982.  V.1.  No3.  P. 133-139.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

162

3. Панин В.Е., Плешанов В.С., Кибиткин В.В., Сапожников С.В. Анализ полей векторов

смещений и диагностика усталостного разрушения алюминиевого сплава на мезо уровне // Де-

фектоскопия.  1998.  №2.  С. 80-87.

4. Лычагин Д.В. Фрагментация пластической деформации в металлических матери а-

лах с ГЦК-решеткой // Физическая мезомеханика. – 2006. – Т.9. – № 3. – С.103-113.

5. Седов Л.И. Механика сплошной среды. – М.: Наука. – 1970. – Т.2. – 568 с.

ОЦЕНКА ПРИГОДНОСТИ КАМНЕЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СИМИНАЛОВ

ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

А.О. Артемов, аспирант, А.М. Игнатова, аспирант, М.Н. Игнатов д.т.н., проф.

Пермский государственный технический университет,

614097, г. Пермь, Комсомольский пр-т, 29, тел. 8-(342)-219-80-76

E-mail: artemoff87@mail.ru; ignatovaanna2007@rambler.ru

Традиционными материалами для организации дорожного полотна являются бетонные изде-

лия и асфальтобетон. Эти материалы хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации и широко приме-

няются, однако, они имеют ряд существенных недостатков, связанных с пониженным сроком при

эксплуатации этих материалов в тяжелых климатических условиях, обуславливающих резкие перепа-

ды температур, на данный момент времени эти недостатки не устранены.

В регионах со сложными грунтово-гидрологическими и климатическими условиями при

строительстве автодорог используют дорожные преднапряжные плиты, они изготавливаются из тяжѐ-

лого бетона с монтажностыковыми скобами, свариваемыми при монтаже. Эти плиты являются свое-

образным фундаментом дорожного покрытия и от их качества зависит срок службы дорожного по-

крытия. Установлено, что зачастую разрушение дорожного полотна наступает в результате разруше-

ния преднапряжных плит. Основной причиной приводящей к разрушению бетонных плит является их

постоянный контакт с влажной средой, поскольку бетоны как правило склонны к водонасыщению.

Впитываемая влага приводит к коррозии металлических креплений, а при смене сезонов, например

при наступление морозов замерзает непосредственно в порах бетона, расклинивая его изнутри.

Кроме явных проблем долговечности бетонных изделий и асфальтобетонных покрытий, ис-

пользование их в организации дорожного строительства связанно и с другими проблемами, для их

монтажа всегда необходима спецтехника, большое число рабочих, в тех случаях когда прокладывае-

мая дорога имеет местное значение (не является федеральной трассой и т.д.) организация таких работ

связана с высокими расходами.

В случаях организации дорожного покрытия в небольших населенных пунктах иногда прибе-

гают к мощению, для чего также используются бетонные изделия. В этих случаях их контакт с водой

все так же является причиной разрушения, только уже наземных элементов мощения, в том числе тро-

туарных плит и бортовых камней.

Другой причиной износа дорожного полотна является механическая непрочность изделий,

трещины зарождающиеся в бетоне под действием сжимающих нагрузок, быстро развиваются и при-

водят к разрушению поверхностного слоя дороги.

Борьба с разрушительным действием воды и повышение механической прочности дорожного

покрытия является актуальной проблемой дорожного строительства. Принципиально она может быть

решена двумя способами: совершенствование существующих материалов или замена традиционных

материалов на более новые с качественно превосходным уровнем свойств.

Практика показывает, что традиционные материалы уже исчерпали свой резерв в области со-

вершенствования технологии изготовления и монтажа и очевидным становится, что необходим поиск

кардинальных решений по их замене.

Среди существующих материалом наиболее перспективными в качестве заменителей тяжелых

бетонов являются синтетические минеральные сплавы.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

163

Синтетические минеральные сплавы (симиналы) - это группа материалов, получаемых по

технологии высокотемпературного синтеза плавлением ВСП (технология каменного литья). Сырьем

для производства симиналов служат основные и ультраосновные горные породы и зольно-шлаковые

отходы техногенного происхождения (доменные шлаки, топливные золы и т.д.).

В настоящее время симиналы применяются как конструкционный материал в тяжелой про-

мышленности, литые изделия из него используют для футеровки трубопроводов, гидроциклонов, лот-

ков и прочих емкостей, контактирующих с агрессивными химическими средами и высокоабразивны-

ми материалами, например, при транспортировке пульпы на горно-обогатительных комбинатах и т.д.

В таких сложных условиях изделия из симиналов работают лучше любых металлов и полимеров, бла-

годаря уникальным показателям по химической стойкости (на уровне 96%) и стойкости к истираю-

щим нагрузкам (твердость по Моосу 7-8 баллов) литые. Некоторые разновидности симиналов (в зави-

симости от используемого для их получения сырья) являются термостойкими и способны выдержи-

вать сотни циклов теплосмен, причем не только повышенные, но и пониженные температуры (моро-

зостойкие).

Принципиальное отличие данной разновидности материалов от традиционных кроется в

структуре. Симиналы представляют собой не вяжущий или спеченный материал, а монолитный стек-

локристаллический материал, это означает, что в его структуре представляет собой сочетание неме-

таллических минеральных фаз, подобное натуральному камню, или металлическому сплаву. Струк-

турные составляющие в симиналах имеют как кристаллическое, так и аморфное строение. Сочетание

их между собой дает эффект композиционного материала, где кристаллическая составляющая обеспе-

чивает требуемые эксплуатационные свойства, а стекло-фаза выступает в качестве связующей матри-

цы, обеспечивающей их совместную работу.

Технология производства симиналов подразумевает получение огненно-жидкого оксидного

расплава и его последующую заливку в литейные формы. В результате кристаллизационных процес-

сов формируется плотная структура, пористости в которой имеет усадочный характер и сконцентри-

рована в сердцевине отливке, а не рассредоточена по всему телу изделия, как это обычно происходит

при изготовление спеченных изделий или формование из вяжущих смесей.

Целью настоящего исследования является проведение предварительной оценки для установ-

ления возможности использования симиналов в дорожном строительстве и определения сфер той от-

расли, где они могли бы использоваться наиболее гармонично.

Первичный сравнительный анализ свойств различных дорожных покрытий и симиналов пред-

ставлен в табл. 1. [1]

Таблица 1

Сравнительный обзор физико-механических характеристик дорожных покрытий

Материал

Свойства

Водо-

поглощение,

Морозостойкость,

цикл

Истираемость,

г/см

Асфальтобетон

5-15

100-150

1-2

Симинал

0,02-0,7

225-250

0,01-0,25

Бетон В -22,5

(М - 300)

10-12

220

2-2,25

Бетон В -25

(М - 400)

9-11

250

1,7-2,8

Представленные данные характеризуют симиналы, как материалы способные использоваться

для изготовления дорожных изделий предназначенных как для создания фундамента дороги, так и для

организации ее поверхности, например при мощение. Однако, представленные данные не отражают

информацию о механических свойствах симиналов, а именно механические свойства позволяют оце-

нить перспективность этих материалов в контексте дорожного строительства.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

164

Для оценки механических свойств нами были проведены механические испытания. В качестве

оборудования использовалась универсальная испытательная машина (УИМ) марки Zwick – Z250

(Германия). Эта установка позволяет проводить классические испытания на растяжение, сжатие, изгиб

и скручивание, в форме механического нагружения, создаваемого электромеханическим приводом, с

плавным, статическим, нарастающим или сменным протеканием. В процессе испытаний фиксируются

значения подаваемой нагрузки, момент инерции, величина деформации и продолжительность испы-

таний, причем для получения данных испытаний нет необходимости доводить образец до разруше-

ния. Управление ходом испытаний и фиксирование их результатов производится с помощью персо-

нального компьютера синхронизированного с установкой. [2]

Образцы доля испытания представляли собой бруски 18х12х15 мм, вырезанные из

тротуарной плитки, изготовленной из симинала. Химический состав образцов представлен в

табл. 2, схема, иллюстрирующая расположение образцов в теле изделия на рис. 1. Образцы

были вырезаны с отступом от края плитки в 20 мм, т.к. по краям структура может быть не-

сколько неравномерной, а центральная часть как раз несет основную механическую н агрузки

и имеет более равномерную п лотную структуру, кроме того при испытание сердцевины из-

делия сразу же оценивается влияние усадочной пористости.

Таблица 2

Химический состав абразивостойких симиналов,

используемых для изготовления тротуарных плит [3]

Содержание, %

SiO

TiO

MgO

CaO

O+Na

FeO

45,5

1,7

11,5

2,4

9,1

3,5

Рис. 1. Схема расположения образцов в теле изделия

Результаты испытаний образцов в центральной зоне (15,17) представлены на рис. 2, а из пери-

ферийной зоны (26,28,30) на рис. 3.

Уровень предела прочности на сжатие испытуемого симинала составил порядка 200-250 МПа,

что в разы превосходит аналогичный показатель тяжелых бетонов в 25 МПа и асфальтобетона в 10

МПа.

Анализ результатов показал, что кривые испытаний имеют пилообразный характер, резкие пи-

ки образовывались в результате образования микротрещин, глубина пиков свидетельствует о поли-

морфных изменениях происходящих с структуре материала под действием постоянной сжимающей

нагрузки, полиморфные превращения сами по себе не приводят к разрушению, ни как бы компенси-

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

165

руют разрушающее действие нагрузки, трещины вероятно возникают в результате внутриструктурно-

го гистерезиса.

Кривые пол ученные в центральной зоне отличаются между собой, пики одной груп пы

кривых имеют более пологие очертания, а у другой более к рутые, размер пиков на кривых

так же отличается, для более пологих кривых х арактерны более высокие пики, а для крутых

кривых пики незначительные. Разница в кривых и характере пиков вызвана скорее всего тем,

что один образец имел внутреннюю пористость, а другой нет. Пологие кривые явно соотв ет-

ствуют пористости, а более кривые образцу без нее. В первом случае пи ки на кривой образо-

ваны в результате появ лен ия механических трещин на месте несплошности, а во втором пи-

ки возникали не от разрушений, а от изоморфных и зменений в структуре. Более высокий

уровень прочности образцов без пористости свидетельствует, о том что изоморфные заме-

щения в структуре не являются препятствием к эксплуатации изделий. Разница в показателях

прочности пористого и непористого образца составила усреднено 6-8%, это разница не вели-

ка и позволяет говорить о том, что при сжимающей нагрузке н а различные участки в сово-

купности центр изделия не проявляет себя как анизотропный материал.

Рис. 2. Результаты испытаний образцов центральной зоны изделия:

а – образец №15, б – образец№17

Кривые полученные на периферических образцах отличаются большим количеством

малых пиков, эт о свидетельствует, о том, что структура в этих частях отливки более мелко

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

166

зернистая, а характер роста кривой пок азывает, что это способствует усилению механиче-

ской прочности.

Представленный анализ позволяет предположить что при воздействие на данное изде-

лие сжимающей нагрузки в условиях эксплуатации механизм ее разрушения позволяет пред-

полагать, что он имеет оп ределенный запас прочности, а структурный резерв позволяет ему

компенсировать резкие ударные нагрузки на микроуровне.

Помимо механических характеристик важными при оценки материала для дорожного

строительства являются, как уже отмечалось ранее удобство мон тажа и другие потребитель-

ские характеристики их анализ представлен в табл. 3

Рис. 3. Результаты испытаний образцов из периферийной зоны

Таблица 3

Обзор потребительских качеств различных дорожных покрытий

Показатель

Разновидность покрытия

Асфальтобетон

Бетонные плитки и п ли ты

Симинал

Удобст-

во мон-

тажа

Для устройства покрытия требуется целый ком-

плект машин: асфальтоукладчик, дорожные кат-

ки

Имеется возможность механизированной укладки.

Производительность укладчика до 1500 кв. м. в смену

Ремонто-

пригод-

ность

Покрытие после вскрытия повторно не исполь-

зуется. Для ремонта требуется специальная тех-

ника и оборудование (асфальтоукладчик, до-

рожные катки, фрезы).

Единичные изделия для можения многократно исполь-

зуются. Покрытие разбирается и восстанавливается

обратно при прокладке и обслуживании подземных

коммуникаций

Экологич-

ность

Асфальтобетон – строительный материал, содержащий

битум. Основные компоненты нефтяного битума –

асфальтены, смолы и нефтяные масла, вредные пары

которых испаряются особенно интенсивно в процессе

укладки смеси, а также в течение всего срока эксплуа-

тации дорожного покрытия

Бетон не выделяет в

атмосферу вредных

веществ

Не только полностью безопас-

ны, но и не подвержены нега-

тивному воздействия факторов

окружающей среды, не подвер-

гаются старению

Декоратив-

ность

Цветные асфальтобетоны не получили широкого

применения

Широкая возможность

для придания разных

цветов, которые не

выгорают, большая

возможность придания

материалу фактуры

Имеется возможность до-

биться полного сходства с

натуральным камнем нуж-

ного оттенка

Универ-

сальность

Используется только как дорожное покрытие

Используется только

для благоустройства

открытых пространств

Кроме мощения, может ис-

пользовать в оформление

интерьеров общественных и

промышленных зданий

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

167

Таким образом, установлено что механическая прочность симиналов при сжатие со-

ставляет около 200-250МПа, что в разы превышает аналогичные показатели традиционных

материалов для дорожного строительства. Проведенный сравнительный обз ор по характери-

стикам симиналов, а так же выявленные отличительные особенности их применения при

мощение и использование в качеств материала для преднапряжные плит охарактеризовать

симиналы как материалы с большим потенциалом в данной области, причем обоснованном

не только на превосходстве по свойствам, а главным образом на большей конкурентной спо-

собности по отношению к существующим аналогам.

Литература

1. Игнатова А.М. Изделия для дорожного строительства из шлакокаменного литья и тех-

нология их изготовления. – Материалы конференции «Строительная наука – 2010». – Владимир,

2009. – С. 67-71.

2. Игнатова А.М., Мерзляк ов А.Ф., Ханов А.М. Методика и оборудование определе-

ние предела механической прочности на сжатие литых образцов синтетических минеральных

сплавов. // «Вестник Пермского государственного технического университета «Машино-

строение. Материаловедение» . – №3, т.12, 2010. – С. 86-98.

3. Игнатова А.М., Попов В.Л., Черных М.М., Игнатов М.Н. Технологическая и художест-

венно-конструкторская разработка интерьерной и промышленной камнелитой половой плитки. –

Материалы международной НТК «Перспективные технологии и материалы». – Пермь: ПГТУ,

2008. – С. 190.

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ НОЖЕЙ ДЛЯ РЕЗКИ МЕТАЛЛА

ИМПУЛЬСНОЙ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКОЙ

А.Г. Гвоздев, к.т.н., доц., Л.И. Гвоздева, к.т.н., доц., Д.Е. Камышева, магистр

Липецкий государственный технический университет,

398600, г. Липецк, ул. Московская, 30, тел.(4742)307-932

E-mail: dasha-kamysheva@rambler.ru

Дисковые и кромкокрошительные ножи п ри эксплуатации подвергаются в основном

абразивному износу при значительных удельных давлениях на режущую кромку. Сколы и

притупления режущей кромки устраняются кратн ой перешлифовкой до минимально допус-

тимых размеров, после чего отп равляются в металлолом и, таким образом до 90% дорого-

стоящей стали идет в переплав. Для увеличения срока службы ножи должны обладать высо-

кой твердостью, прочностью и износостойкостью, что достигается термической обработкой.

В данной работе изучена возможность использования отработанных валков, изготовлен-

ных из стали 60Х2СМФШ, для изготовления дисковых ножей холодной резки и бандажей.

Исследования проводились на ударных образцах размером 10×10×55 мм без надреза.

Изучалось влияние температуры закалки с 850, 900, 950 °С и отпуска в интервале температур

200 – 450° С на твердость, ударную вязкость и износостойкость с использованием импульс-

ной магнитной обработки при напряженности магнитного поля 10

– 10

а/м. Импульсная

магнитная обработка (ИМО) является одним из современных методов повышения эксплуа-

тационной стойкости инструмент а [1, 2].

Метод ИМО основан на локальном поглощении вводимой энергии неоднородностями

структуры материала, что приводит к изменению структуры, переводя ее из одного равно-

весного состояния в другое, но более устойчивое [1]. На рис. 1 показано изменение твердо-

сти от температуры отпуска после закалки с 900 °С с ИМО и без ИМО.

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

168

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Температура отпуска,

Твердость HRCэ

Без ИМО

После ИМО

Рис. 1. Зависимость твердости стали 60Х2СМФШ до и после ИМО от температуры отпуска

При всех т емперат урах отпуска применение ИМО приводит к увеличению твердости

на 1 – 2 единицы.

После закалки микроструктура стали представляет собой мартенсит, остаточный ау-

стенит и карбиды. Мартенсит имеет реечную структуру, и при повышении температуры за-

калки пластины мартенсита укр упняются (рис. 2).

а б

Рис. 2. Микроструктура образцов стали 60Х2СМФШ без импульсной магнитной обработки

при увеличении ×400. Температура закалки: а – 900° С; б – 950 °С

После обработки импульсным магнитным полем структура изменяется – повышается

ее дисперсность, уменьшается количество остаточного аустенита (рис. 3).

а б

Рис. 3. Микроструктура образцов стали 60Х2СМФШ после импульсной магнитной обработки

при увеличении ×400. Температура закалки: а – 900° С; б – 950 °С

Релаксационные процессы, протекающие в стали под воз дей ствием энергии магнит-

ного поля, обеспечивают более равномерное распределение дефектных комплексов и пони-

жение внутренних напряжений в результате перестройки и доменной структуры [2, 3].

Структурные изменения, проходящие при отпуске и ИМО, находят свое отражение в

изменении не только твердости, но и пластичности (рис. 4).

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

169

Рис.4. Зависимость ударной вязкости стали 60 Х2СМФШ после ИМО

от режима термической обработки (образцы без надреза)

Анализ экспериме нтальных результатов показывает, ч то ИМО повышает тве рдость

при одновременном увелич ении ударной вязкости. Особенно заметен эффект роста пла-

стичности при температуре отпуска 400 – 450 °С. Ударная вязкость возрастае т после

ИМО с 1 20 Дж/см

до 290 Дж/см

На рис. 5 и 6 показано влияни е магнитной обработки на износостойкость при различ-

ных температурах отпуска.

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

Температура отпуска,

Износостойкость, 1/г

Без ИМО

После ИМО

Рис. 5. Зависимость износостойкости стали 60Х2СМФШ, закаленной

с температуры 900 °С до и после ИМО от температуры отпуска

100 150 200 250 300 350 400 450 500

Температура отпуска,

Износостойкость, 1/г

Без ИМО

После ИМО

Рис. 6. Зависимость износостойкости стали 60Х2СМФШ, закаленной

с температуры 950 °С до и после ИМО от температуры отпуска

V Международная научно-техническая конференция

«Современные проблемы машиностроения»

______________________________________________________________

170

Приведенные результаты позволяют сделать вывод о целесообразности применения

магнитной обработки для стали 60Х2СМФШ. Из полученных результатов следует, что после

закалки c температуры на 950 °С получаются более высокие значения износостойкости по

сравнению с из носостойкостью после закалки на 900 °С. Указанный эффект имеет место и

без магни тной обработки после ИМО, однако ИМО позволяет повысить износостойкость

(рис. 5, 6).

Проведенное и сследовани е показало, что применение ИМО позволяет заметно улуч-

шить механические свойства стали 60Х2СМФШ.

Повышение температуры закалки с 850 до 950 °С при водит к увеличению твердости с

58 HRC

до 62 HRC

при одновременном возрастании ударной вязкости и износостойкости

(рис. 4, 5, 6).

Дисковые ножи, изготовленные из стали 60Х2СМФШ, после обработки в импульсном

магнитном поле имеют высокую эксплуатационную стойкость, не уступающую стойкости

известных марок сталей 6ХВ2С и 4Х5МФС.

Литература

1. Масловский В.М. О механи зме влияния слабого магнитного поля на структуру кон-

денсированных сред. / В.М. Масловский, С.Н. Постников // Обработка и мпульсным магнит-

ным полем: Материалы IV научно-технического семинара. – Ботевград, 1989. – С 5.

2. Гвоздев А.Г. Исследование влияния обработки в импульсном магнитном поле н а

свойства стали 4Х5МФС. / А.Г. Гвоздев, И.П. Бородин, Л.И. Гвоздева // Прочность и разру-

шение материалов и конструкций: Материалы V Международной к онференции. Том 2 –

Оренбург, 2008. – С 370-373.

3. Постников А.Д. Влияние импульсных магнитных полей на усталость быстрорежу-

щей стали. / Электронная обработка материалов. – 1981. – № 6. – С 8-11.

МОДИФИЦИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

ИМПУЛЬСНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Л.И. Гвоздева, к.т.н., доц., А.Г. Гвоздев, к.т.н., доц., Р.А. Соболев

Липецкий государственный технический университет,

398600, г. Липецк, ул. Московская,30, тел.(4742)-41-64-53

E-mail: sobra29@mail.ru

Аннотация

В работе рассмотрен механизм влияния слабых магнитных полей на структурные

изменения в инструментальных сталях, приводящие к существенному повышению их меха-

нических свойств.

Ключевые слова: импульсное магнитное поле, структура, износостойкость, при-

месно-дефектные комплексы.

Из множества технологий, которыми располагает промышленность в настоящее вре-

мя, особый ин терес представляют физические методы упрочнения м атериалов, в частности

методы магнитной обработки.

Известно, что метод импульсной магнитной обработки (ИМО) [1,2] позволяет повы-

сить стойкость инструмента в 1,5 – 2,0 раза. Эффект упрочнения ИМО имеет объѐмный ха-

рактер и сохраняется после многократной переточки инструмента.

В ряде исследований [3–7] была показана возможность перестройки реальной струк-

туры конденсированных систем в результате воздействия на них последовательностью им-

пульсов относительно слабого магнитного поля (до 10

А/м).