авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

«Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» Д.Н. Коротаев ...»

-- [ Страница 2 ] --

Степень влияния факторов способов упрочнения деталей оцени вается коэффициентом влияния Квл :

n к К вл i,п Фi,п j,о Ф j,о max, i 1 j где Фi, п – i-й фактор, оказывающий положительное влияние на харак теристики детали;

i,п – коэффициент значимости i-го фактора;

Фj, о – j-й фактор, оказывающий отрицательное влияние на характеристики;

j,о – коэффициент значимости j-го фактора;

n – количество положи тельных факторов;

к – количество отрицательных факторов.

Для приведенного примера (табл. 1.1) коэффициент Квл равен:

Квл = 2 + 3 + 2 – 2 –1 – 1 – 1 = 2.

В данном случае коэффициент влияния рассчитывался без учета показателей i, п и j, о. Этот коэффициент используется для обобщен ной оценки степени влияния факторов, так как он учитывает лишь разницу между положительными и отрицательными связями способа упрочнения и характеристиками поверхности детали.

4. Ранжирование сильных и слабых сторон того или иного спосо ба по степени их значимости. Необходим расчет коэффициентов зна чимости (i, п и j, о) каждого из способов по формулам mФ j mФi i,п ;

j, o.

k n k n mij mij i 1 j 1 i 1 j В рассматриваемом примере коэффициент значимости фактора Ф2.1 будет равен:

2 2.1 0,17.

2 3 2 2 1 1 1 Аналогично для других факторов: 2.2 = 3/12 = 0,25;

2.3 = 2/12 = 0,17;

2.4 = 2/12 = 0,17;

2.5 = 1/12 = 0,08;

2.6 = 1/12 = 0,08;

2.7 = 1/12 = 0,08.

5. Определение ранга значимости RC каждого способа упрочнения деталей с учетом рассчитанных на предыдущем этапе показателей i и j.

Кроме того, необходимо учитывать важность характеристик обработан ных деталей согласно методу относительных предпочтений [216].

Таблица 1. Оценка степени влияния показателей способов упрочнения на характеристики обрабатываемых поверхностей Упрочняемые Способ упрочнения:

поверхности деталей Взаимосвязи электроискровое легирование шифр характеристи- шифр характеристика ка способа 1.1 Износостой- Сильные стороны кость поверх ности 2.1 Отсутствие нагре 1.2 Микротвер- ва всего объема дость детали в процессе обработки 2.2 Получение задан ных эксплуатаци 1.3 Прочность онных свойств сцепления по крытия 2.3 Возможность вос становления раз меров деталей 1.4 Толщина (глу бина) упроч- Слабые стороны ненного слоя 2.4 Малая толщина легированного 1.5 Ресурс детали слоя 2.5 Наличие остаточ ных напряжений в поверхностном слое 2.6 Высокая шерохо ватость покрытия 2.7 Низкая произво дительность Характеристики свойств упрочненных деталей необходимо рас положить в последовательности убывания их важности: на первом месте ставится наиболее важный показатель, на последнем – наиме нее важный. То есть строится ряд предпочтений, в котором между равноценными показателями Пi и Пj ставится знак равенства (Пi = Пj);

если Пi важнее Пj, между ними ставится знак предпочтения (Пi Пj);

в противном случае Пi Пj. Производится попарно сравнение всех показателей, при этом каждой паре присваивается показатель пред почтения rij. При Пi Пj rij = 2;

при Пi = Пj rij = 1;

при Пi Пj rij = 0.

Приведенные в табл. 1.1 характеристики имеют следующие приори теты: износостойкость (И) микротвердость (М) сцепляемость (С) = толщина (Т) = ресурс (Р).

Данное выражение дает возможность рассчитать коэффициенты значимости (табл. 1.2).

Таблица 1. Расчет коэффициентов значимости характеристик упрочненных деталей Nn Показа- Изно- Микро- Сцеп- Толщи- Ресурс ij тель состой- твер- ляе- на (Т) (Р) i 1 j кость дость мость (И) (М) (С) Износо стойкость 2 2 2 2 8 0, (И) Микро твердость 0 2 2 2 6 0, (М) Сцепляе- мость (С) 0 0 1 1 2 0, Толщина (Т) 0 0 1 1 2 0, Ресурс (Р) 0 0 1 1 2 0, Просуммировав показатели предпочтения для всех строк и столбцов, получаем ij = 8 + 6 + 2 + 2 + 2 = 20.

Важность показателей определяется из соотношений: 1.1 = 8/ = 0,4;

1.2 = 6/20 = 0,3;

1.3 = 2/20 = 0,1;

1.4 = 2/20 = 0,1;

1.5 = 2/20 = 0,1.

По известным характеристикам упрочненных деталей рассчиты вается ранг (значимость) каждого способа упрочнения Rc по формуле n k Rc i j.

i 1 j Проведем расчет показателя Rc для электроискрового легирования:

Rc = 0,17(0,4 + 0,3) + 0,25(0,4 + 0,3 + 0,1) + 0,17 (0,1 + 0,1) – 0,17(0,1 + 0,1) – 0,08 (0,1) – 0,08 (0,1) – 0,08 (0,1) = 0,343.

Аналогично для каждого способа упрочнения определяются ранг (значимость) и коэффициент влияния (см. рис. 1.6).

0, 2. 1.1 0, 0,3 2. 2. 0,4 0, 1. 2.4 0, 1. 0, 0,1 1.4 0, 2. 2.6 0, 0,1 1. 0, 2. Характеристики поверхности Показатели способа обработки Рис. 1.6. Влияние показателей способов на характеристики поверхностей деталей Результаты расчета показателей Квл и Rc для рассматриваемых способов обработки поверхностей приведены в табл. 1.3.

Таблица 1. Расчетные показатели Квл и Rc Способ обработки Показатели Квл Rc Лазерная обработка -1 0, Электроискровое легирование 2 0, Плазменное напыление 1 0, Ионная имплантация 0 0, Гальванические покрытия 0 0, Анализ табл. 1.3 позволяет сделать вывод о том, что из рассмат риваемых способов упрочнения и восстановления изнашиваемых де талей оптимальным является электроискровое легирование.

Выводы Проанализировав используемые методы упрочнения можно за ключить, что не существует универсального метода, приводящего к формированию требуемых эксплуатационных свойств. Каждый метод характеризуется своей оптимальной областью применения и своим диапазоном прилагаемых к упрочненным поверхностям эксплуатаци онных температурно-нагрузочных параметров.

Кроме того отметим, что возникает ряд проблем, связанных как с несовершенством технологий, так и с отсутствием оптимальных тех нологических режимов нанесения покрытий и методики их выбора.

q, Вт/см t, с Рис. 1.7 Диапазоны плотностей энергетических потоков и времени взаимодейст вия при различных методах упрочнения: 1 – электронно-лучевая обработка;

2 – лазерное шоковое упрочнение;

3 – электроискровое легирование;

4 – лазерная поверхностная аморфизация;

5 – лазерная термообработка;

6 – алмазное выглажи вание;

7 – поверхностно-пластическое деформирование;

8 – термообработка Рассмотрев многообразие упрочняющих воздей ствий, процессы обработки материалов можно объек тивно оценить двумя параметрами: плотностью энер гетического потока и временем его взаимодействия с материалом. Это позволяет различные технологиче ские приемы упрочнения отобразить на плоскости в координатах «плотность энергетического потока время взаимодействия» (рис. 1.7), где выделены зо ны, характерные для отдельных технологий упрочне ния [14;

25;

210;

231]. С повышением плотности энергетического потока при переходе от одного ва рианта упрочнения к другому имеет место снижение времени взаимодействия в таком соотношении, что суммарная энергия взаимодействия принимает прибли зительно равные значения.

С повышением плотности энергетического воздействия, актива ционный объем, в котором происходят упрочняющие структурно энергетические процессы, уменьшается. Максимальной толщиной модифицированного слоя характеризуются деформационные процес сы упрочнения и поверхностные методы термообработок, а мини мальной электронно-лучевые и электроискровые технологии, при этом удельная величина запасенной энергии в упрочненных слоях увеличивается с повышением плотности энергетического потока.

В этой связи одним из перспективных направлений в области уп рочнения инструментов и деталей машин является способ электро искрового легирования (ЭИЛ), образующий одну из самых тонких поверхностных модификаций, обладающий высокими показателями плотности энергетического потока за короткое время воздействия и позволяющий создавать поверхностные структуры с особенными свойствами.

Глава 2. ЭЛЕКТРОИСКРОВОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫЙ СПОСОБ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 2.1. Физические основы процесса электроискрового легирования Метод электроискрового легирования (ЭИЛ) известен более 60 лет. Данный метод, разработанный Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазарен ко [138], основан на явлении электрической эрозии материалов при искровом разряде в газовой среде (преимущественно на воздухе), по лярного переноса продуктов эрозии на катод (деталь), на поверхности которого формируется слой измененной структуры и состава. Величи на этих изменений определяется составом, структурой, свойствами ма териалов электродов и технологическими параметрами процесса ЭИЛ.

Формирование упрочненного слоя происходит в результате сложных плазмохимических, теплофизических и механотермиче ских процессов, реализуемых на микролокальных участках воз действия единичного импульса искрового разряда, и в общем случае протекает по следующей схеме (рис. 2.1). При сближении легирующего электрода с упрочняемой поверхностью на опреде ленном расстоянии происходит искровой разряд длительностью 10-6 10-3 с. В результате на поверхностях анода и катода образу ются локальные очаги плавления и испарения, вызывающие их электрическую эрозию и взаимный массоперенос. Благодаря по лярному эффекту, связанному с преимущественным переносом эродируемого материала анода на катод, на поверхности послед него формируется тонкое покрытие с определенными физико химическим и механическими свойствами. Параллельно дейст вующее импульсное тепловое воздействие вызывает гамму меха нотермических процессов, приводящих поверхностные слои элек тродов в сложнонапряженное состояние вплоть до их пластиче ской деформации и хрупкого разрушения. Поскольку электроды при искровом разряде находятся между собой в кинематической связи, вслед за осажденными частицами упрочняемая поверх ность подвергается ударно-вибрационному воздействию. В тече ние каждого акта контактного взаимодействия между электрода ми образуются и тут же разрушаются микролокальные мостики сварки, вызывающие дополнительную к механическому воздей ствию пластическую деформацию упрочняемых поверхностных слоев. Энергетическое воздействие высокой концентрации сти мулирует протекание сопутствующих электроискровому легиро ванию микрометаллургических процессов, в частности термохи мических, газодинамических и диффузионных.

А а Г.И.

БС ДЗ ЗТВ К ОСНОВА Рис. 2.1. Общая схема процесса электроискрового легирования: А – легирующий электрод (анод);

К – поверхность (катод);

а – межэлектродный промежуток;

Г.И. – генератор импульсов;

БС – белый слой;

ЗТВ – зона тер мического влияния Упрочненная поверхность, сформированная электроискро вым легированием, представляет новую композиционную струк туру, которою в общем случае можно представить следующим видом. Самый верхний слой представляет пленку из материала анода, модифицированного элементами материала катода и ме жэлектродной среды, лежащего на поверхности в виде отдельных «островков», сплошность которых зависит от режимов упрочне ния, материала анода и времени обработки. Под ним располага ется зона, состоящая из смеси материалов анода и катода, образо ванная в результате конденсации ионно-плазменной и капельной фазы на упрочняемой поверхности («белый» слой). Далее следует слой, сформированный за счет диффузии химических элементов материала анода в упрочненном материале катода (диффузион ная зона). И, наконец, под ним располагается самый нижний и наибольший по толщине слой, образованный в результате им пульсного теплового воздействия (зона термического влияния).

Он представляет структуру, трансформированную из материала упрочняемой детали, отличаясь от нее кристаллографическим строением и зернистостью. С перемещением вглубь данная структура переходит в структуру основного материала. В зависи мости от режимов электроискрового легирования значимость первых трех слоев может быть существенной или незначитель ной, а роль структуры, сформированной под действием импульс ного теплового воздействия, является всегда основополагающей, определяющей эффективность упрочнения [49;

53].

Упрочнение происходит за счет следующих процессов:

1. За счет осаждения на поверхности катода материала противо положного электрода (анода). Наибольший эффект – при использова нии материала легирующего электрода с высокой твердостью.

2. За счет диффузии материала анода в катод и образования рас творов, смесей, химических соединений. Происходит насыщение по верхности оксидами, нитридами, а также образование на поверхности метастабильных фаз с очень мелким зерном.

3. За счет образования зоны взаимной кристаллизации Ме1 и Ме и образования неравновесных структур, фаз, а также мелкозернистой структуры.

При формировании фазового состава и структуры материа лов и покрытий при ЭИЛ протекают такие физико-химические процессы, как диффузия, фазовые превращения, теплоперенос, гетерогенные химические реакции, упругая и пластическая де формация и др.

2.2. Модельные представления о процессе электроискрового легирования Единой модели процесса электроискрового легирования, которая позволяла бы описать явления, происходящие за время одного цикла обработки, в настоящее время не существует. Наиболее полно модель процесса электроискрового легирования изложена в работах осново положников метода 138 140. Суть данной модели заключается в том, что при сближении электродов напряженность «электрического поля» увеличивается и при некотором зазоре между ними она достиг нет величины достаточной для возникновения искрового электриче ского разряда. Через возникший канал сквозной проводимости пучок электронов фокусировано ударяется о твердую металлическую по верхность анода. Кинетическая энергия заторможенных электронов выделяется в поверхностных слоях анода. В связи с тем, что система броском освобождает накопленную энергию, плотность тока значи тельно превосходит критические значения. В результате этого от ано да отделяется капля расплавленного металла, которая движется к ка тоду, опережая движущийся анод.

При перемещении в межэлектродном пространстве летящая кап ля успевает нагреваться до высокой температуры, закипает и «взры вается». Цепь тока прерывается, сжимающие усилия электромагнит ного поля исчезают и частицы разлетаются широким фронтом. Так как перегретая капля и частицы находились в соприкосновении с ме жэлектродной средой, то по составу и свойствам они отличаются от исходного материала легирующего электрода-анода. Расплавленные частицы, достигнув поверхности-катода, свариваются с ним и частич но внедряются в поверхность. Процесс на этом не заканчивается, по скольку вслед за частицами движется электрод, включенный в систе му, уже успевшую вновь накопить энергию. Через раскаленные час тицы, лежащие на катоде, происходит второй импульс тока, сопрово ждающийся механическим ударом движущейся массы анода.

На следующем этапе процесса при механическом контакте элек тродов частицы свариваются между собой, и прогревается тонкий слой поверхности катода, на котором они расположены. При этом помимо диффузии перенесенных частиц в толщину катода, под дей ствием электрического тока происходят химические реакции между этими частицами и материалом катода. Механический удар по раска ленной массе материалов проковывает полученное покрытие, чем значительно увеличивает его однородность и плотность. Далее анод движется вверх, а на поверхности катода остается прочно соединен ный с ним слой материала анода.

Из приведенной модели процесса электроискрового упрочнения следует, что перенос материала анода происходит с момента пробоя межэлектродного промежутка до соприкосновения его с поверхно стью катода;

с момента пробоя и до соприкосновения электродов происходят два импульса тока и вещество переносится в жидко капельном состоянии.

А.Д. Верхотуров указывает на недостатки данной модели, заклю чающиеся в том, что в ней не рассматриваются процессы, происхо дящие при расхождении электродов и, к тому же, спорно утверждение о переносе эродированного вещества только в жидко-капельной фазе.

Как показали исследования 59, 99, при электроискровой обработке в продуктах эрозии обнаруживаются частицы, образовавшиеся из жид кой и паровой фаз, а также частицы, полученные в результате хрупко го разрушения материалов анода.

В модели основоположников не рассмотрен вопрос о влиянии межэлектродной среды на процесс переноса и эрозии вещества анода, а также о структуре и фазовом состоянии измененного поверхностно го слоя.

Е.Я. Улицкий 213 трактует механизм процесса электроискрово го упрочнения несколько иначе. По его мнению, после пробоя межэ лектродного промежутка участок анода, пораженный импульсом, мгновенно расплавляется, вследствие чего межмолекулярные связи материала ослабевают. Динамические силы вырывают расплавленную частицу, направляя ее к катоду. Периодический быстрозатухающий характер разряда вызывает при обратной полуволне тока аналогичные процессы на катоде. Летящие с анода и катода навстречу друг другу частицы встречаются. Часть материала при столкновении разлетается в окружающую среду, другая часть материала анода переходит на ка тод, а часть материала катода на анод. Количество материала, пере шедшего с анода на катод (и наоборот), по его мнению, зависит от физических свойств материалов электродов.

По данной модели процесса электроискрового легирования пере нос материала рассмотрен без учета вибрации электрода т. е. без уче та изменения межэлектродного зазора от максимума до нуля. Пред ставлению о том, что соотношение эрозии материала анода и катода определяется только их физическими свойствами, противоречат мно гочисленные исследования 90;

98;

236 и др., авторы которых указы вают на преимущественное разрушение анода.

С иных позиций рассмотрен перенос металла в импульсном раз ряде Л.А. Анагорским 8;

48. Он считает, что разряд, возникающий при электроискровом легировании, названный им «импульсной ко роткой дугой», возникает независимо от рода тока, питающего уста новку. По его мнению, направление переноса металла при нанесении покрытия зависит от природы пары металлов, а внешнее электриче ское поле является лишь одним из факторов возникновения и усиле ния процесса переноса металла. А.А. Анагорский полагает, что на правление переноса зависит от работы выхода электронов взятой па ры металлов. При этом металлы с меньшей работой выхода должны наноситься на металлы с большей работой выхода электронов. Одна ко, представление о том, что направление переноса полностью опре деляется значениями работы выхода электронов пары металлов, нель зя принять правильным, так как многочисленные эксперименты пока зывают наличие направленного переноса металла при изготовлении электродов из одноименных материалов.

Г.П. Иванов предлагает свою схему процесса электроискрового легирования [100]. При сближении электродов под действием разно сти потенциалов происходит искровой разряд. Канал искры отличает ся высокой плотностью тока и, как следствие, высоким тепловым эф фектом. Под действием выделяющегося в канале тепла происходит не только оплавление элементарных участков электродов, но и непо средственное испарение металла. Образованные на аноде пары метал ла ионизируются потоками электронов с катода и, в свою очередь, образуют встречный поток ионов, устремленных на катод. На катоде перенесенные ионы металла нейтрализуются за счет электронной эмиссии с катода, конденсируются и кристаллизуются. Следует отме тить, что Г.П. Иванов также не рассматривает процесс искрового раз ряда в связи с вибрацией анода и при этом полагает, что материал анода переносится только в паровой фазе. Также не учитывается взаимодействие ионов и электронов с элементными частицами межэ лектродной среды.

Ряд авторов указывает, что материал легирующего электрода эродирует и переносится не только в паровом и жидкофазном со стоянии, но и в твердофазном [109;

143;

228;

229]. Расчет по формуле Б.Н. Золотых [98] внутренних термических напряжений, возникаю щих в поверхностном слое молибдена и железа при действии им пульсного источника тепла, показывает, что изменение напряжений носит волновой характер, причем внутренние напряжения изменяют ся от растягивающих до сжимающих, затухая с увеличением расстоя ния от источника. Большие значения растягивающих напряжений на рабочей поверхности электрода являются основной причиной образо вания трещин и создания твердофазной эрозии, вклад которой в об щий эрозионный эффект зависит от режимов обработки и гомеопо лярности межатомной связи в материале электрода.

В ионизированном потоке присутствуют элементы материала анода и примесные элементы материала катода, что свидетельствует о миграции искрового разряда по границам зерен материала катода. В микрованне на катоде происходит интенсивное перемешивание и хи мическое взаимодействие материала катода с перенесенным материа лом анода не только в жидкой и паровой фазах, но и в твердой, при чем частицы материала анода твердой фазы размером 1...2 мкм, как правило, не закрепляются на поверхности катода.

Резюмируя изложенное можно констатировать, что ни одну из разработанных моделей процесса ЭИЛ нельзя считать достаточной и полной, так как они не учитывают многие явления, происходящие в приповерхностных слоях электродов и в межэлектродном промежут ке, состав продуктов эрозии, закономерности формирования изменен ного слоя. Следовательно, для построения модели процесса ЭИЛ не обходимо исследовать закономерности эрозии анода и катода, влия ние межэлектродной среды на процессы эрозии, влияние энергии вы делившейся в разряде, а также роль перечисленных характеристик в формировании модифицированной поверхности.

2.3. Повышение эффективности электроискрового легирования В настоящее время на территории бывшего Советского Союза и Российской Федерации сохранились три мощных школы по исследо ванию возможностей повышения эффективности метода электроис крового легирования: в Институте прикладной физики АНМ (респуб лика Молдова г. Кишинев), в Институте материаловедения Хабаров ского научного центра Дальневосточного отделения РАН (г. Хаба ровск) и в Институте механики металлополимерных систем им.

В.А. Белого НАН Беларуси (г. Гомель).

Ниже приведены наиболее значимые результаты исследований последних лет в области электроискрового легирования с целью по лучения требуемых эксплуатационных свойств на металлах и различ ных сплавах.

Одним из направлений улучшения процесса ЭИЛ является созда ние и оптимизация состава и структуры легирующих электродов [51;

63;

70;

117;

123;

135;

136;

144;

182;

187;

240]. Варьирование свойств электродных материалов позволяет получить более широкий спектр характеристик легированного слоя. В то же время выбор материалов электродов определяет химический и фазовый состав покрытия. Ана лиз работ [250 252] показал сугубо интуитивный, даже случайный выбор материала легирующего электрода безотносительно к назначе нию покрытия и физико-химическим особенностям подложки. В ра боте [56] исследовано температурное окисление вольфрамокобальто вых твёрдых сплавов (ВТС) групп ВК, ТК, ТТ и их модельных мате риалов W, TiC, WC, Co. Показано изменение химического, фазового состава, макроструктуры поверхностного слоя ВТС при нагреве до 1000 С без защитного слоя и после упрочнения методом электроис крового легирования. Установлено значительное увеличение жаро стойкости ВТС при формировании защитного ЭИЛ-покрытия нит ридноалюминооксидной керамикой, а также композиционной кера микой на основе диборида циркония, увеличивающей работоспособ ность ВТС на 20...40 %.

Проведено исследование поверхностного слоя стали Р6М5 после электроискрового легирования [190]. Полученные результаты позво ляют рекомендовать для модифицирования поверхности покрытия, созданные последовательным электроискровым легированием элек тродами Св-04Х19Н11М3 и хромом, а также Св-04Х19Н11М3 и алюминием.

В работе [191] представлены результаты исследования физико механических свойств покрытий, полученных на титановом сплаве ВТ3-1 методом электроискрового легирования с использованием раз личных электродных материалов. Установлено, что электроискровая обработка приводит к упрочнению поверхности титанового сплава более чем в 2 раза. Наибольшая износостойкость измененного по верхностного слоя наблюдается после электроискрового легирования стандартными твердыми сплавами на основе карбида титана, карбида титана с добавкой датолитового концентрата, полученного СВС экструзией, и твердым сплавом на основе карбида вольфрама с добав кой 5 % нанопорошка оксида алюминия.

Установлены закономерности образования измененного поверх ностного слоя при электроискровом легировании стали 35 в зависи мости от режимов обработки [189]. Полученные результаты позволя ют разделить электродные материалы, используемые для электроис крового легирования, на три группы. Установлено, что металлы, обра зующие неограниченные и частично ограниченные твердые растворы с железом, а также обладающие полиморфизмом, образуют белые слои.

Исследовано влияние различных концентраций углерода, хрома, вольфрама на микроструктуру, фазовый состав, массоперенос и эро зионные свойства белых чугунов, использующихся в качестве анод ных материалов для электроискрового легирования. Эрозионные свойства анодных материалов определяются составом, структурой и длительностью импульса электроискровой установки. Показана эф фективность использования анодных материалов для создания покры тий, повышающих износостойкость стальных образцов. Обоснована необходимость проведения низкотемпературного отжига образцов с покрытиями [240].

Проведено исследование процесса формирования легированного слоя и его свойств при электроискровом легировании титанового сплава ВТ20 электродными материалами на основе карбидов вольф рама и титана с самофлюсующимися добавками, добавками борсо держащего минерального сырья, а также переходными металлами IV VI групп периодической системы элементов Менделеева. Получен ные результаты позволяют рекомендовать для модифицирования ти танового сплава ВТ20 электродные материалы с самофлюсующимися добавками WC-Co-Ni-Cr-B-Si и электродные материалы с добавками минеральных ассоциаций WC-Co-ДТК, имеющие наилучшую эффек тивность процесса электроискрового легирования (ЭИЛ), и форми рующих покрытия с высокими физико-механическими свойства ми [188].

Исследована возможность применения относительно дешевого феррохрома, который производится в Украине, для нанесения жаро стойких покрытий. Проведено сравнение жаростойкости стали 45 без покрытия и после электроискрового легирования (ЭИЛ) рафиниро ванным феррохромом с добавкой 2 % Al. Установлено, что электро искровые покрытия на стали 45 из рафинированного феррохрома с 60 % вес. Cr и добавками алюминия (до 2 %) имеют высокую жаро стойкость (до 900 С), что позволит повысить рабочую температуру деталей из стали на 100 200 С [42].

В исследованиях [63] представлены сведения о структуре и фазо вом составе электроискровых покрытий из эвтектических сплавов на железоникель-хромовой основе на стали 30ХГСА. Установлено по вышение эксплуатационных характеристик таких покрытий. Прове денные исследования подтвердили эффективность использования эв тектических сплавов на железоникелевой основе для получения аморфно-кристаллических электроискровых покрытий с повышенной износо- и коррозионной стойкостью.

Исследованы составы, структуры и распределения микротвердо сти покрытий на углеродистых сталях и чугуне, созданных с помо щью электроискрового легирования. Проведено сравнение покрытий, полученных с помощью электродов из силицидов молибдена и вольфрама и традиционных твердосплавных электродов. Для обоих типов электродов наиболее вероятными упрочняющими фазами яв ляются сложные карбиды типа карбидов быстрорежущей стали. Об наружено, что отношения концентраций входящих в состав электро дов металлических компонентов (CMo/CW) для силицидных и (CСо/CW) для твердосплавных электродов в покрытиях незначительно изменя ются в легированных слоях для заданного состава электродов незави симо от локального уровня концентрации вольфрама. При использо вании силицидных электродов стальная основа подвергается значи тельно менее интенсивному окислению, чем в случае работы с твер досплавными электродами. С помощью силицидных электродов по лучено эффективное защитное покрытие на внутренней поверхности чугунной изложницы применяемых при разливке медных (1250 °С) и никелевых сплавов (1450 °С). По результатам испытаний в промыш ленных условиях показано, что такие покрытия значительно повы шают стойкость изложниц и предотвращают загрязнение отливок же лезом, что в значительной степени обусловлено образованием на по верхности покрытия, созданного с помощью силицидных электродов, стеклофазы на основе двуокиси кремния [70].

После искрового разряда в эрозионном потоке образуются части цы различной природы, которые активно взаимодействуют с упроч няемой поверхностью и вносят свой вклад в формирование свойств. В работе [229] приведены результаты исследования структуры эрозион ных частиц, образующихся при электроискровой обработке, и меха низма ее формирования. Установлено, что механизм формирования и внутренняя структура эрозионных частиц изменяются при появлении на электродах переплавленного слоя. Увеличение исходной шерохо ватости поверхности электродов приводит к уменьшению количества эрозионных частиц и росту их размеров.

Другим каналом изменения условий процесса электроискрового легирования является изменение электрических режимов и условий обработки [207;

256]. Представлены результаты исследования меха низмов формирования покрытия на катоде в области воздействия од нократных электрических разрядов длительностью 0,05...0,80 мс, мощностью 0,5...1,0 кВт в воздухе. Установлено, что при неподвиж ных электродах в системе «острие (анод) плоскость (катод)» во вре мя разряда на катод переносится не более 2...3 % объема эродирован ного материала анода. Концентрация материала анода максимальна в центре области воздействия и плавно снижается по мере удаления от него. Количество осажденного на поверхности катода вещества воз растает c увеличением длительности разрядного импульса. Высказано предположение о том, что медь переносится преимущественно в виде капель, а вольфрам – в паровой фазе [207].

В работе [256] выполнены комплексные исследования электроис крового легирования при воздействии на процесс внешних источни ков энергии. Разработан способ электроискрового легирования метал лических поверхностей при наложении на зону обработки магнитного поля с напряженностью в пределах (0 0,1) Tл при прохождении по стоянного электрического тока с плотностью (0,5 – 4,0) А/мм2 и им пульсного с амплитудой в пределах (100 – 600)А. Создано экспери ментальное оборудование с автоматической системой поддержания межэлектродного промежутка со специальным электродом инструментом, обеспечивающим обрабатывающему электроду (ано ду) сложное движение: вращение + вибрация + осцилляция.

Автором установлены зависимости массопереноса и интенсивно сти формирования слоя покрытия на катоде от величины и рода элек трического тока, проходящего через объемы электродов, а также от величины индукции магнитного поля, наложенного на зону легирова ния. Наибольший перенос эродированного материала анода и, соот ветственно, прирост массы катода получены при прохождении через катод постоянного тока с плотностью 1 – 3 А/мм2 и импульсного с амплитудой (200 – 500) А, а также при наложении на зону ЭИЛ маг нитного поля с индукцией (0,01 – 0,1) Tл.

Обнаружен эффект квазирегулярной осцилляции интенсивности переноса эрозионной массы анода в искровом разряде и структурно фазовых превращений в поверхностных слоях катода под влиянием магнитного поля, наложенного на зону ЭИЛ. Установлена зависи мость интенсивности формирования покрытия на катоде от магнит ных свойств обрабатывающих электродов и подложки. Показано, что при прочих равных условиях при ЭИЛ подложки из Ст 3 электродом из никеля в магнитном поле интенсивность массопереноса эрозион ной массы в единицу времени в 3,5 – 4,0 раза выше, чем при обработ ке электродом из серебра.

В поверхностных слоях титановой подложки при ЭИЛ анодом из никеля на режиме с энергией разряда 1,0 Дж и значении индукции равной 0,07 Tл обнаружен эффект аморфизации материала.

Оптимизирован угол наклона обрабатывающего электрода к об рабатываемой поверхности, при котором имеет место наибольший перенос материала анода и наиболее интенсивное формирование по крытия на катоде. Этот угол составляет 8 – 12 градусов. Во всех слу чаях наложение магнитного поля на зону ЭИЛ способствует повыше нию износостойкости и электропроводности. В зависимости от при роды материала они могут увеличиваться в пределах от 15 до 78 %.

Исследования, проведенные в работе [180] показывают, что для поверхностей трущихся пар образование несплошных покрытий из сплавов ВК6М и Т15К6 методом ЭИЛ обеспечивает меньшие значе ния износа и сокращает время приработки контактирующих поверх ностей, по сравнению со сплошными покрытиями. Образование не сплошных покрытий определенной микрогеометрии в виде «остров ков» с суммарной площадью участков до 60 – 70% от номинальной площади повышает износостойкость (по сравнению со сплошным по крытием) в 2 раза.

Формированию структуры, фазового и химического состава ле гированных слоев посвящено множество работ, результаты которых объединим и представим ниже.

1. Химический состав поверхностного слоя в большинстве случа ев состоит из элементов, входящих в состав материала электродов и межэлектродной среды. Фазовый состав – мелкокристаллические хи мические соединения, твердые растворы, интерметаллиды, получен ные в крайне неравновесных условиях.

2. Модифицированный поверхностный слой (МПС) неоднороден по химическому, фазовому составу и свойствам, как по глубине, так и вдоль легированного слоя (ЛС).

3. Масса катода в процессе ЭИЛ (с повышением удельного вре мени обработки) изменяется нелинейно и выражается кривой с мак симумом. Каждому электрическому режиму и составу материала электродов соответствует определенная толщина ЛС. При ЭИЛ твер дыми сплавами ЛС не превышает 50…100 мкм.

4. Чем более инертна межэлектродная среда, тем дольше может длиться обработка катода и толще наносимые слои.

Структурообразование при ЭИЛ характеризуется формировани ем структур сверхбыстрой закалки, при этом фиксируется метаста бильное высокотемпературное состояние металла или сплава, и таким образом кинетика процессов, описываемая в равновесных условиях кристаллизации диаграммами состояния, нарушается.

Покрытия, полученные после обработки в основном аустенит ные, причем, судя по параметру решетки, аустенит является азоти стым (а = 3,63 A ). В сечении покрытий обнаружены три структурные зоны: зона исходного зарождения на поверхности упрочняемого об разца (мелкодисперсная структура);

зона роста в перпендикулярном плоскости образца направлении с образованием столбчатых зерен, замедляющегося по мере приближения к свободной поверхности по крытия;

зона дендритов с более дисперсной морфологией. Встреча ются участки дендритов, окруженных аустенитно-карбидной эвтек тикой. Согласно данным рентгенофазового анализа в состав эвтекти ки входят карбиды типа Ме3С.

В последние десятилетия активно ведутся разработки комбини рованных методов упрочнения на основе электроискрового легирова ния [30;

208;

237;

252]. В исследовании [208] разработана технология нанесения композиционных покрытий (КП) на основе карбида титана с применением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и электроискровой обработки (ЭИО). Показано, что использование комбинации ЭИО и СВС позволяет уменьшить энерго затраты в сравнении с технологией электроискрового легирования за счет использования теплоты химической реакции, выделяющейся в предварительно нанесенном слое порошковой шихты Ti–C–Ni. Опре делена закономерность формирования КП на основе карбида титана комбинированным методом ЭИО и СВС. В частности, показано, что зерна упрочняющей фазы (карбида титана) кристаллизуются из мно гокомпонентного расплава в результате протекания гетерогенной ре акции Ti + C = TiC.

В связи с разнообразными достоинствами вышеуказанных мето дов была разработана технология получения комбинированных по крытий [252], основанная на совместном применении ЭИЛ с процес сом азотирования формируемых слоев.

Поверхностные слои металлов, в частности железа и стали, могут химически взаимодействовать с окружающей средой в процессе их обработки импульсными электрическими разрядами. Проведение процесса электроэрозионной обработки в среде газообразного азота создает предпосылки для образования нитридов металлов непосред ственно в ходе ЭИЛ за счет высококонцентрированного преобразова ния электрической энергии, доходящей до 30000 Дж/мм3 и мощно стью до сотен киловатт.

При выборе легирующих элементов для получения комбиниро ванных покрытий необходимо учитывать особенности процесса нит ридообразования и свойства соединений. Устойчивость нитридов возрастает в следующей последовательности:

Ni Со Fе Мn Cr Mo W Nb V Ti Zr.

Видно, что наиболее устойчивые нитридные фазы образуют ме таллы IV-V групп. В этом же порядке облегчается их получение. Если нитриды Fe и Мn можно получить только при азотировании в среде, когда выделяется атомарный азот, то нитриды металлов IV-VI групп образуются при нагреве в среде молекулярного азота.

Таким образом, с учетом особенностей ЭИЛ и последующего азотирования предпочтительными тугоплавкими металлами, предна значенными для легирования железа и его сплавов с целью получения высококачественных комбинированных покрытий, являются металлы IV группы, к которым относятся титан и цирконий.

Испытания комбинированных покрытий проводили на сталях 40Х и 38Х2МЮА с первоначальным нанесением на поверхность ту гоплавких металлов Ti и Zr с последующим азотированием получен ного слоя в тлеющем разряде. После ЭИЛ поверхность образцов шлифовалась до Ra = 0,2 мкм.

Исследование микротвердости комбинированного покрытия на стали 40Х показало ее возрастание до 10000...11000 МПа и зависи мость от температуры азотирования. При температуре 650 С проис ходит упрочнение покрытия на основе титана до 10000 МПа и разу прочнение поверхности покрытой цирконием.

Повышение температуры до 750 С способствует упрочнению комбинированного покрытия на основе циркония и снижению микро твердости для титанового. При наиболее высокой температуре 850 С все образцы разупрочнены. Использование комбинированных покры тий на стали 38Х2МЮА способствует более значительному повыше нию микротвердости поверхности до 18000...20000 МПа. Поскольку комбинированные покрытия на основе титана и циркония имеют близкие физико-механические свойства, то дальнейшие исследования проводили на покрытиях с титаном.

Образцы из стали 40Х после электроискрового легирования тита ном и шлифовки были подвергнуты ионному азотированию при t = 650 С. Для идентификации химических соединений, присутст вующих на поверхности, авторами был проведен рентгеноструктур ный анализ комбинированного покрытия. Анализ полученной рентге нограммы по характерным пикам показал, что выявленным межпло скостным расстояниям, соответствует нитрид титана TiN. Таким об разом, рентгеноструктурный анализ образцов подтверждает наличие на поверхности комбинированного покрытия.

Проведенные трибоисследования выявили высокую износостой кость предлагаемого комбинированного покрытия. Применение элек троискрового легирования поверхности титаном с последующим азо тированием позволяет, в зависимости от технологических параметров ЭИЛ, повысить износостойкость контактирующей пары в 2...5 раз.

Высокая износостойкость формируемых слоев связана с проявлением комплекса их свойств.

Дискретный характер комбинированного покрытия, обусловлен ный особенностями электроискрового легирования и различными свойствами образующихся на поверхности нитридов металлов спо собствует проявлению реологических механизмов рассеивания под водимой при трении внешней энергии. Сочетание на поверхности диффузионно-связанных между собой зон с высокой несущей спо собностью нитрида титана и переходных участков упрочненного и исходного материала основы, обладающих реологически более под вижной структурой, будет обеспечивать снижение динамической на пряженности контактирующих поверхностей при сохранении высо кой износостойкости. Это подтверждается резким в 10...100 раз, в за висимости от нагрузки, возрастанием интенсивности изнашивания пары трения в случае нанесения электроискрового покрытия на зака ленную сталь, по сравнению с нормализованной, несмотря на повы шение твердости получаемого покрытия. Основной причиной наблю даемого увеличения изнашивания является проявление в закаленной стали процессов динамического старения (ДС) (отпуск под напряже нием) вследствие передеформирования материала поверхности при ЭИЛ под воздействием импульсных тепловых, электрических и меха нических нагрузок. В результате чего происходит стабилизация структуры стали, резкое снижение ее релаксационной способности и падение износостойкости. Для нормализованной же стали проявление реологических механизмов диссипации энергии сохраняется.

Кроме того, вследствие изменения тонкой структуры материала при азотировании, возможно проявление и релаксационного внутрен него трения. При упругом соударении ионов азота с атомами кри сталлической решетки в тонком поверхностном слое металла плот ность дислокаций возрастает, достигая максимума в зоне глубиной 0,05 мм.

Также, получаемая дискретность покрытия облегчает доступ сма зывающей среды к трущимся поверхностям, благоприятствует накоп лению смазки в зоне контакта и способствует эвакуации изношенных частиц во впадинах покрытия.

Комбинированные покрытия могут быть получены при различ ных энергетических условиях процесса ЭИЛ. Проведенные исследо вания по влиянию емкости разряда на износостойкость комбиниро ванных покрытий показали, что при данных условиях трения наибо лее износостойкими получаются покрытия при средней емкости раз ряда С = 210 мкФ, а при низкой С = 60 мкФ и высокой С = 810 мкФ величина износа увеличивается. Это связано с различием состава и свойств получаемых покрытий.

Таким образом, при малой емкости разряда образующееся по крытие слишком тонкое, чтобы выдержать высокие нагрузки при тре нии. Высокая емкость импульса способствует максимальному удар ному воздействию на поверхность, образованию довольно толстых слоев, однако приводит к уменьшению содержания тугоплавкой со ставляющей слоя, что негативно влияет на износостойкость покры тия. Наиболее оптимальное сочетание реологических и физико химических свойств, способствующих значительному повышению износостойкости покрытия, проявляется при среднем уровне энерге тического импульса С = 210 мкФ.

Одним из перспективных направлений использования технологии электроискрового легирования является нанесение на поверхность трущихся деталей антифрикционного покрытия [252]. Среди неме таллов (Si, В, С, О, N) наиболее технически применимым для ЭИЛ является графит. Соединения с углеродом, в которых d-электроны ме талла переходят на 2р-состояния металлоида с образованием поляр ной ковалентной связи, характеризуются повышенной износостойко стью и химической инертностью по сравнению с металлами.

Наиболее широко графит применяется в виде тонких покрытий на рабочих поверхностях деталей. Существует несколько принципи ально различных методов нанесения покрытий [252], существенным недостатком которых является адгезионное сцепление наносимого слоя с подложкой, что является причиной небольшой долговечности покрытия. Использование графитизированных чугунов и сталей явля ется перспективным в повышении противоизносных свойств металла, но наличие в составе основы примесей может негативно влиять на прочностные характеристики материала.

Предлагаемый метод электроискровой графитизации позволяет создавать на рабочих поверхностях, без изменения свойств основы, антифрикционный слой, имеющий наиболее прочное диффузионное сцепление с матрицей. Среди металлов, в связи с выявленными эф фектами снижения износа, заслуживает внимания для легирования поверхности медь.

Исследование антифрикционных покрытий проводилось на стали ХВГ. В качестве покрытий использовались: медь, графит и комбини рованное: медь + графит. Антифрикционные покрытия наносились методом ЭИЛ при следующих режимах: медь: емкость разряда С = 120 мкФ, напряжение между электродами U = 80 В;

графит:

С = 270 мкФ, U = 70 В. Медно-графитовое покрытие получалось в два этапа сначала поверхность образца обрабатывалась медью, после чего легировалась графитом. При этом после нанесения на поверх ность образца графита происходит восстановление меди и покрытие приобретает характерный медный цвет.

Испытания на износостойкость показали снижение износа в 2...3 раза при нанесении на образец антифрикционного покрытия.

Лучший результат дает легирование поверхности графитом, что связа но с резкой анизотропией его механических свойств, приводящей к ло кализации сдвиговых деформаций внутри графитизированного слоя.

Наличие в покрытии меди способствует пластификации поверх ности и оптимизации процесса трения и износа. Медь относится к достаточно пластичным металлам, обладающим низкой прочностью на срез, и может применяться в виде тонких пленок на более твердой основе для обеспечения смазки, предотвращая схватывание. Поведе ние металлических пленок как смазок во многом напоминает поведе ние обычных смазочных масел. Использование комбинированного покрытия "медь + графит" не приводит к повышению износостойко сти пары трения по сравнению с легированием отдельно взятыми элементами Сu и С, однако обеспечивает значительное снижение си лы трения. Применение антифрикционных покрытий позволяет уменьшить силу трения в 6...12 раз.

Выводы Таким образом, возможности методов упрочнения в значитель ной степени зависят от получения в поверхностном слое обрабаты ваемого материала определенного химического состава и структуры, прочно связанного с материалом основы.

По сравнению с другими методами упрочнения электроискровое легирование обладает следующими преимуществами:

высокая прочность сцепления легированного слоя и материала основы;

возможность нанесения на упрочняемую поверхность любых токопроводящих материалов, в том числе сплавов, металлокерамиче ских композиций, тугоплавких соединений;

низкая энергоемкость процесса;

локальная обработка поверхности;

отсутствие нагрева всей детали в процессе обработки, что не влияет на основную структуру металла;

диффузионное обогащение поверхности катода (детали) состав ными элементами анода (электрода) без изменения размеров детали;

отсутствие необходимости специальной подготовки поверхности;

экологическая чистота;

простота выполнения технологической операции, малогабарит ность и транспортабельность оборудования.

Благодаря значительной гамме материалов, которые можно ис пользовать при электроискровом легировании, участию межэлек тродной среды в процессе формирования поверхностных слоев, этим методом можно в широких пределах изменять механические, тепло физические, электрические и другие свойства рабочих поверхностей деталей машин и инструментов.

Однако получение легированного слоя с прогнозируемым химическим, фазовым составами, структурой и свойствами в на стоящее время связано с длительным экспериментированием по определению и выбору оптимальных режимов обработки, мате риала легирующего электрода, межэлектродной среды. Это в зна чительной мере объясняется тем, что на настоящий момент от сутствуют теоретические основы процесса формирования моди фицированного слоя, позволяющие рассматривать его состав, структуру и свойства в зависимости от параметров и условий процесса обработки. Не ясен вопрос об относительном влиянии на формирование легированных слоев действия импульсных тепло вых и механических нагрузок, возникающих при искровом раз ряде, и состава материала, переносимого с противоположного электрода.

Отсутствие теоретических основ процесса формирования мо дифицированного слоя связано, прежде всего, со сложностью тео ретического описания тепловых, термодинамических и других явлений, происходящих на рабочих поверхностях электродов, процессов эрозии материалов электродов, массопереноса продук тов эрозии и их взаимодействия с поверхностными слоями элек тродов и межэлектродной средой.

Как видно, к настоящему времени получены многочисленные по ложительные результаты применения метода электроискрового леги рования для упрочняющей обработки материалов и металлоизделий на их основе. Вместе с тем, анализ экспериментальных данных и предлагаемых исследователями теоретических положений позволяет отметить наряду с хорошими технологическими возможностями ЭИЛ и целый ряд малоизученных вопросов фундаментального и приклад ного характера. В частности, применительно к проблеме повышения износостойкости конструкционных и инструментальных материалов можно отметить три основных аспекта, требующих самостоятельного изучения: оптимизация режимов модифицирования с целью получе ния высокопрочных поверхностных структур в металлах и сплавах;

исследование структурно-фазовых состояний приповерхностных сло ев материалов, формирующихся под воздействием искрового разряда и эрозионного потока;

исследование влияния поверхностного моди фицирования на триботехнические свойства материалов и установле ние физической сущности явлений, ответственных за сохранение по вышенных эксплуатационных характеристик металлоизделий в про цессе фрикционного взаимодействия.

Одним из ключевых направлений развития поверхностного уп рочнения ЭИЛ является переход от расчета отдельных явлений к мо делированию сложных и многостадийных процессов фазо- и структу рообразования при синтезе новых материалов и покрытий, а также создание новых, неравновесных моделей.

Глава 3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УПРОЧНЯЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ Важную роль в упрочняющих технологиях играет термодинами ческое моделирование синтеза материалов и покрытий, которое дает возможность оценить равновесный состав продуктов взаимодействия в многофазных многокомпонентных системах. Однако во многих процессах синтеза материалов и покрытий, в том числе и электроис кровом легировании, экспериментально обнаружены неравновесные эффекты [34;

45;


165;

231]: отклонение граничных концентраций в диффузионной зоне и фазового состава от равновесной диаграммы состояния, линейная кинетика роста, аномальная твердофазная диф фузия, высокие концентрации дефектов кристаллического строения, формирование метастабильных фаз и структур. В связи с этим акту альной задачей является создание новых моделей, учитывающих не равновесные явления. При этом необходимо отойти от принципа ло кального термодинамического квазиравновесия и принять во внима ние кинетику взаимодействия на межфазных границах, конечную скорость генерации и релаксации неравновесных (вакансий и междо узельных атомов) в объеме фаз, рассмотреть совместное действие и конкуренцию различных физико-химических факторов. Это позволя ет перейти от анализа роли отдельных факторов к моделированию не равновесных механизмов фазообразования, что особенно важно при исследовании и разработке быстропротекающих процессов синтеза, таких как электрофизические технологии обработки.

В общем случае электрофизические технологии обработки мате риалов базируются на взаимодействии электрического разряда с по верхностью проводника или полупроводника. Эрозионный массовый поток, образующийся при воздействии на металл электрическим раз рядом, является основой многих технологических методов формооб разования, упрочнения и поверхностного модифицирования. Динами ка эрозионного процесса протекает в неравновесных условиях взаи модействия металла с концентрированным потоком энергии. Развитие искрового разряда и эрозионного процесса зависит от технологиче ской среды. Например, в газовой среде имеет место более активное разрушение анода по сравнению с катодом, а в жидкой диэлектриче ской наоборот.

3.1. Термодинамика электроэрозионного разрушения металлических материалов Электрический разряд с физической точки зрения представляет концентрированный поток электронов, плотность мощности которого достигает 107…1012 Вт/см2. Процесс взаимодействия электронного потока с металлами состоит из нескольких этапов (рис. 3.1). В на чальный момент энергия электронного потока поглощается элек тронным газом (электрон-электронное взаимодействие) и в кристал лической решетке металла формируются электронная и решеточная подсистемы с разными температурами. Учитывая, что удельная теп лоемкость электронного газа при нормальных условиях почти на два порядка ниже решеточной удельной теплоемкости, то такое же соот ношение следует ожидать между электронной и решеточной темпера турой. Затем в результате электронно-фононного взаимодействия происходит выравнивание электронной и решеточной температур, и завершение этого процесса означает формирование диссипативного теплового канала, функционирующего за счет теплопроводности.

Развитие релаксационных электронно-решеточных процессов являет ся основной причиной рассогласования между временем подвода концентрированного энергетического потока и периодом формирова ния эффективных тепловых каналов отвода этой энергии. Электрон но-фононная природа теплопроводности накладывает жесткие огра ничения по величине плотности энергетического потока, передавае мого диссипативным тепловым каналом за счет теплопроводности, связанных с тем, что решеточная теплоемкость имеет предельное зна чение, отражаемое законом Дюлонга-Пти, а решеточная теплопро водность начинает проявляться выше температуры Дебая, при этом скорость распространения тепла ограничивается скоростью фонона (скоростью звука в твердом теле) [48;

175].

Продолжительность единичного искрового воздействия при элек троискровом легировании (ЭИЛ) составляет 10-4…10-3 с, но длитель ность существования активной фазы не превышает 10-6…10-5 с. Пе риод температурной релаксации зависит от объема рассматриваемой зоны, и для поверхностного слоя, воспринимающего энергию элек трического разряда, толщиной 10 мкм составляет порядка 10-4 с [102;

197]. Следовательно, время активного взаимодействия материала с электрическим разрядом в среднем на 1…2 порядка меньше периода формирования активного диссипативного теплового стока, функцио нирующего за счет теплопроводности. Диссипация подводимой энер гии искрового разряда может происходить не только по тепловому варианту, но и за счет других механизмов, в частности, акустической и экзо-электронной эмиссии, светового излучения, термо-ЭДС и т.п.

Суммарные энергетические затраты на эти процессы на много малы по сравнению с энергетикой тепловых каналов рассеивания, поэтому в первом приближении ими можно пренебречь. Активность диссипа тивных механизмов определяется теплофизическими свойствами ма териала, которыми можно управлять путем наложения внешнего теп лового, магнитного и электрического поля [256].

ЭР ТП ЭЭВ ДП ПЭ ЭЭР ЭРВ АП ВС УС Рис. 3.1. Структурная схема взаимодействия электрического разряда с поверхно стью материала: ЭР – электрический разряд;

ЭЭВ – электрон-электронное взаи модействие;

ЭРВ – электронно-решеточное взаимодействие;

ДП – диссипатив ные процессы;

АП – активационные процессы;

ЭЭР – электроэрозионное разру шение;

ВС – развитие вторичных структур;

ТП – тепловой поток;

ПЭ – продукты эрозии;

УС – упрочненные структуры Высокая плотность мощности искрового разряда порядка 10 …1012 Вт/см2 и малая продолжительность периода его активного взаимодействия с материалом не позволяет за столь короткий проме жуток времени сформироваться полноценным тепловым диссипатив ным каналам, поэтому возникающая дисбалансная доля энергетиче ского воздействия реализуется в виде работы эрозионного поверхно стного разрушения, скорость которого можно оценить из уравнения dM 1 d T Е A (T ), (3.1) dt aэ dt n dM массовая скорость эрозионного разрушения;

аэ – удельная где dt энергия эрозионного разрушения;

(Т) – коэффициент теплопровод ности;

ЕA – энергия электрического разряда в активной стадии про T цесса;

градиент температуры.

n На рис. 3.2 приведены гипотетические зависимости плотности мощности искрового разряда (кривая 1), активность теплового дисси пативного процесса (кривая 2) и плотность потока энергетических за трат на эрозионное разрушение (зона 3 и кривая 4). Плотность мощ ности единичного искрового разряда достигает максимума в конце начального активного периода ta, а затем падает до нуля по истечении времени tп.

q, Вт/м A t, с tп, с ta, с tэ, с Рис. 3.2. Энергетические характеристики искрового процесса при ЭИЛ:

1 – плотность энергетического потока искрового разряда;

2 – плотность энергетического потока диссипативного теплового канала;

3 и 4 – плотность энергетического потока эрозионного разрушения Потенциальные возможности диссипативного теплового канала возрастают по мере формирования температурного поля, однако в на чальный период искрового воздействия его активность значительно отстает от интенсивности энергетического потока. Выше отмечалось, что причиной такого положения дел являются релаксационные про цессы, связанные с выравниваем электронной и решеточной темпера тур, и необходимостью развития фононов с определенной энергией, способных принять участие в теплопередаче. Максимальная актив ность теплового оттока достигается после прохождения пика подво димой электрическим разрядом мощности. В точке А достигается ба ланс между энергетическим потоком и отводимым тепловым оттоком.

Следовательно эрозионный процесс может протекать только в период времени от нуля до tэ, когда активность диссипативного теплового оттока не в состоянии сбалансировать подводимую энергию искрово го разряда. Суммарные энергетические затраты на эрозионное разру шение материала при единичном искровом разряде будут определять ся площадью заштрихованной зоны 3, а временная зависимость плотности мощности энергетических затрат на эрозионное разруше ние может быть представлена кривой 4, как разницы ординат кривой 1 и 2 во временном диапазоне от 0 до tэ.

С уменьшением времени активного взаимодействия искрового разряда с материалом интенсивность эрозионного разрушения возрас тает, но продолжительность самого процесса разрушения сокращает ся. Этот случай демонстрируется рис. 3.3, на котором приведены два варианта искровых разрядов, имеющих одинаковую продолжитель * ность импульса, но различные активные периоды ( ta ta ). С умень шением tа точка пересечения А смещается влево, приводя к сокраще нию tэ, но одновременному повышению разности ординат кривых 1 и 1* и кривой 2.

С повышением теплопроводности материала кривая 2 становится более крутой. Это приводит к смещению точки А влево, что соответ ствует уменьшению продолжительности эрозионного процесса и снижению его активности (рис. 3.4).

На основании изложенного можно заключить, что форма искро вого импульса и длительность начального активного периода оказы вает существенное влияние на интенсивность эрозионного процесса разрушения. Оптимальная форма искрового разряда должна соответ ствовать наибольшим энергетическим затратам на эрозионное разру шение или отвечать условию tэ Aэ qэ (t ) dt max, (3.2) где qэ(t) – плотность энергетических затрат на эрозионное разрушение.

q, Вт/см 1* А* А t, с tа tэ t а t* * э Рис. 3.3. Энергетические характеристики эрозионного процесса при различных периодах активного взаимодействия искрового разряда с металлом q, Вт/см 2* * А А * t, с tа tэ tэ Рис. 3.4. Энергетические характеристики эрозионного процесса при различной активности теплового диссипативного оттока Анализ динамики активационных и диссипативных процессов выявляет основные пути повышения активности развития эрозионно го массового потока:


создание условий для большего временного рассогласования между подводимой электрической энергией искрового разряда и раз витием диссипативного канала;

создание систем обеспечения сверхкоротких электрических разрядов;

создание оптимальных температурных условий для обеспече ния необходимых теплофизических и электрических свойств элек тродных материалов.

Массовая скорость эрозионного разрушения dM/dt зависит от удельной работы эрозии аэ, которая, в свою очередь, определяется со ставом анодного массового потока, под которым понимается размер ное распределение микрочастиц анодного массового потока.

3.2. Удельная работа эрозионного разрушения при искровом воздействии на металлы Под удельной работой электроэрозионного разрушения понима ют суммарные энергетические затраты на разрушение материала под действием электрического разряда, отнесенные к единице массы или объема удаленного слоя. Электрическая эрозия представляет ком плексный процесс разрушения, включающий хрупкое микровыкра шивание за счет термических напряжений, превышающих предел прочности материала, оплавление и взрывообразный разлет жидкофаз ного материала, сопровождающийся испарением и ионизацией. В пред положении аддитивного влияния этих процессов удельную работу элек троэрозионного разрушения можно представить следующей суммой а э хр а хр ж а ж п а п, (3.3) где ахр – удельная работа образования хрупких (твердофазных) частиц разрушения;

аж – удельная работа образования жидкокапельных час тиц разрушения;

ап – удельная работа образования пароплазменных фрагментов разрушения;

i – массовая концентрация твердофазных, жидкокапельных и пароплазменных фрагментов эрозионного разру шения ( хр+ ж + п = 1).

Удельная работа электроэрозионного разрушения не является фи зической константой материала и зависит от соотношения различных фаз и состава эрозионного массового потока, которые, в свою оче редь, определяются энергетическими характеристиками искрового разряда и технологической схемой реализации искрового процесса.

Интенсивность образования хрупких частиц эрозионного разру шения определяется градиентными соотношениями силовых и темпе ратурных полей, развивающихся в момент искрового воздействия, но само отделение твердофазных микрочастиц от поверхности происхо дит при достижении термонапряжений на ее границах значения пре дела прочности материала, который может быть определен по мето дике теплового удара. В общем случае работу образования хрупких микрочастиц электроэрозионного разрушения можно представить Fхрi a хр U тф хр, (3.4) Vхрi где U – приращение удельной упругой внутренней энергии в микро частицах разрушения;

тф – удельная поверхностная энергия твердо фазного состояния разрушаемого материала;

Fхрi – суммарная пло щадь поверхностей всех хрупких микрочастиц разрушения;

Vхрi – суммарный объем всех микрочастиц разрушения.

Удельная работа образования жидкокапельных частиц эрозион ного разрушения также будет складываться из двух слагаемых F aж Н пл ж жi ж, (3.5) Vж i где Н – удельная энтальпия плавления;

ж – удельная поверхностная энергия жидкофазного состояния разрушаемого материала;

Fжi – суммарная площадь поверхностей всех микрокапель эрозионного по тока;

Vж – объем жидкофазной массы эрозионного потока.

Удельная работа образования пароплазменных фрагментов раз рушения будет складываться из энтальпии парообразования и удель ных энергетических затрат на ионизацию атомов материала, т.е.

aп п Н п и Е (3.6) где Нп – энтальпия парообразования;

Е – удельные энергетические затраты на ионизацию;

п – относительное содержание парофазной составляющей массового потока;

и – относительное содержание ионнофазной составляющей массового потока.

Удельные энергетические затраты на образование твердых мик рочастиц принимают наименьшие значения, затем следует процесс образования жидкофазных частиц, а наибольшие значения имеют ме сто при формировании паровой и ионно-плазменной фаз. Однако от носительная весовая доля паровой и ионно-плазменной фаз в общем объеме эрозионного массового потока достигают небольших величин, и при практическом анализе энергетики эрозионного процесса ими можно пренебречь. Тогда удельные энергетические затраты на эрози онное разрушение материала при воздействии на него электрическим разрядом можно представить выражением Fхрi хр Н пл ж Fжi ж, аэ U тф (3.7) Vжi Vхрi при этом хр ж 1.

На рис. 3.5 представлены микрофотографии продуктов разруше ния при электроискровом легировании. Преобладание сферической формы частиц указывает, что разрушение обрабатываемого материала происходит в оплавленном состоянии, который в дальнейшем подвер гается дополнительному диспергированию. Среди эрозионных частиц обрабатываемого материала просматриваются частицы, имеющие ок руглую форму. Такая форма частиц также указывает на то, что про цесс электрической эрозии легирующего электрода реализуется в жидкофазном состоянии. Частиц хрупкого разрушения практически не просматривается.

На основании представленных результатов можно предположить, что электроэрозионная обработка осуществляется путем выброса рас плавленного металла и его диспергирования в жидкофазном состоя нии. Тогда удельные энергетические затраты на разрушение материа ла при электроэрозионной обработке можно оценить по (3.5), которая в раскрытой форме принимает вид F аэ c Т пл ж жi, (3.8) Vжi где с – удельная теплоемкость материала.

а) б) Рис. 3.5. Микрочастицы эрозионного разрушения поверхности (а) и легирующего электрода (б) (х 200) 3.3. Фрактальная параметризация эрозионного процесса Процессы, происходящие при электроискровом легировании, протекают в неравновесных условиях. К ним относятся эрозия леги рующего электрода, формирование эрозионного потока с определен ным составом и энергосодержанием. Изучение самоорганизующихся процессов базируется на мезомеханике и фрактальной параметриза ции, раскрывающих новый взгляд на анализ, моделирование и про гнозирование структур, развивающихся в термодинамически нерав новесных условиях. Фракталы, первоначально введенные как геомет рические характеристики комбинаций самоподобных разномасштаб ных фигур, оказались универсальным средством описания самоорга низующихся процессов в материаловедении, теории разрушения, энергетике, оптике, экономике и других областях [105;

108;

233]. В широком понимании под фрактальностью подразумевают проявления единого рекуррентного закона (принципа) организации самоподоб ных явлений, охватывающих определенный масштабный диапазон.

Причастность к фрактальным соотношениям определяется проявле нием скейлинговой зависимости, в которой в качестве меры оценки масштабного фактора, как правило, используется геометрический параметр.

Согласно теореме Рамсея, любое достаточно большое число эле ментов структур обязательно содержит высокоупорядоченную струк туру. Это означает, что любую систему можно рассматривать как мультифрактал, составленных из конечного числа вложенных друг в друга самоподобных структур [61;

114;

233]. Фрактальная параметри зация раскрывает алгоритм генерирования множества фрактальных соотношений применительно к любому процессу, имеющему слож ную многоуровневую структуру, поэтому фрактальная параметриза ция должна нести не только информационную нагрузку, но и раскры вать физическую строну процесса. В этой связи приложение фрак тальной методологии к анализу процессов, сопутствующих электро искровому легированию, представляется весьма актуальным.

Анодный массовый поток образуется за счет взрывообразно раз летающейся массы электродного материала при воздействии на него искрового разряда. Обладая высокой внутренней энергией, развитие анодного массового потока протекает в неравновесных условиях и за ключается в дальнейшем дроблении эрозионных частиц до такого со стояния, при котором суммарная поверхностная энергия всех продук тов разрушения полностью сбалансирует их внутреннюю энергию.

Такая форма организации анодного массового потока представляет диссипативную структуру, энергетические условия существования которой выражаются уравнением Fi V, (3.9) где – удельная поверхностная энергия;

– удельная внутренняя энергия;

Fi – суммарная площадь всех эрозионных частиц анодного массового потока;

V – их суммарный объем.

Из (3.9) следует Fi. (3.10) V Это означает, что с повышением удельной внутренней энергии анод ный массовый поток должен иметь более развитую поверхность, т.е.

более мелкие частицы эрозионного потока.

Массовый поток неоднороден по своему размерному составу и характеризуется фрактальным соотношением C N, (3.11) D где N – общее число частиц анодного массового потока, микрообъем которых превышает ;

D – фрактальная размерность объемного (мас сового) распределения продуктов эрозии;

С – const.

Частоту объемного распределения эрозионных частиц можно оп ределить из (3.12):

dN DC n D 1, (3.12) d При допущении, что эрозионные частицы имеют выпуклую фор му, правомочны следующие соотношения: каждая частица объемом имеет площадь поверхности пропорциональную 2/3. Тогда суммарная площадь всех частиц эрозионного разрушения может быть вычислена по формуле max d CD D 2/3 i max. (3.13) Fi ni CD 1 D D Общий объем частиц эрозионного разрушения можно определить как max d CD 1 D V i ni CD nax. (3.14) D 1 D Тогда отношение суммарной площади всех частиц массового по тока к их общему объему будет D 1 Fi C 3.

(3.15) D2 V На рис. 3.6 представлены интегральные кривые распределения диаметральных размеров микролунок, образующихся в результате осаждения частиц анодного массового потока на упрочняемую по верхность и представляющих традиционную скейлинговую зависи мость или кривые Ричардсона. С повышением энергии искрового раз ряда диапазон рассеивания микролунок сужается и смещается в об ласть больших диаметральных размеров [109;

221]. Верхние участки интегрального распределения характеризуются более пологой зави симостью. «Ломаный» вид кривых, указывает на проявление двух подсистем в области малых и основных диаметров микролунок, имеющих разную фрактальную размерность.

Рi, % 2 3 1000 4000 d, мкм 600 Рис. 3.6. Интегральное распределение диаметральных размеров микролунок при ЭИЛ инструментальной стали Р6М6 легирующим электродом из ВК6М с различными энергиями разряда (1 5) Более низкие значения фрактальной размерности в диапазоне ма лых диаметров микролунок связаны с частичным выгоранием микро фагментов анодного массового потока при их взаимодействии с ме жэлектродной средой.

В табл. 3.1 представлены фрактальные размерности верхних (Dв) и основных (Do) участков интегральной кривой, толщина упрочнен ного покрытия (), микротвердость поверхностного слоя (HV) и отно сительное искажение межплоскостного расстояния кристаллической структуры (d/d) в зависимости от энергии единичного искрового разряда (Е).

С повышением энергии единичного искрового разряда проявля ется тенденция роста фрактальной размерности Dв и немонотонное изменение фрактального размера Do. Значение фрактального размера Dв 1 означает, что мелкие микролунки располагаются изолировано, а величина фрактального размера Do 2 указывает на высокую сте пень развитости поверхности в результате наложения микролунок друг на друга. Зависимость микротвердости, толщины легированного слоя и степени искажения кристаллической решетки носит также не монотонный характер, при этом диапазон расположения экстремумов находится для указанных характеристик в одной относительно узкой области энергий искрового разряда [165]. Адекватное поведение мик ротвердости и степени искажения кристаллической решетки объяс няется тем, что они отображают плотность дефектов кристаллическо го строения, с повышением которой износостойкость упрочненной структуры возрастает [110;

111].

Таблица 3. Результаты экспериментальных исследований Е, Дж 0,022 0,09 0,25 0,73 0, HV, МПа 8450 11450 13820 16400 Dв 0,315 0,257 0,458 0,682 0, Do 2,130 2,571 2,605 2,453 2,, мкм 20 25 35 55 (d/d).10-3 1,5 1,5 2,5 3,5 2, С увеличением плотности дефектов кристаллического строения активизируются адгезионные и диффузионные процессы и, как след ствие, повышается «сцепляемость» легированного слоя с основой. В результате формируется устойчивое покрытие, которое характеризу ется более высокой толщиной.

На рис. 3.7 представлены кривые изнашивания быстрорежущей пластины из Р6М5, упрочненной ЭИЛ с различным количеством про ходов легирующего электрода Nпр, при торцовом точении стали 50.

Исходная структура быстрорежущей стали Р6М5 после стандартной термообработки, а также упрочненная при энергии искрового разряда Е = 0,022 Дж характеризуется слабо выраженным периодом устано вившегося и резким переходом в зону катастрофического изнашивания.

Отличительной особенностью изнашивания упрочненного инструмента является малая величина приработочного затупления, которая составля ет h = 0,15…0,175 мм, и более плавный переход в зону катастрофиче ского разрушения. С повышением энергии искрового разряда стойкость инструмента возрастает, достигая максимума при Е = 0,73 Дж, а затем незначительно снижается. Высокая стойкость упрочненного инструмен та обеспечивается низкой величиной скорости установившегося изна шивания и более продолжительным его периодом.

h, мм 1 0, 0, 0, 0, N, пр 6 0 4 10 Рис. 3.7. Кривые износа пластины из Р6М5 при точении стали 50: 1 – После закалки;

2 Е = 0,022 Дж;

3 – Е = 0,25 Дж;

4 – Е = 0,73 Дж;

5 – Е = 0,86 Дж Сравнительный анализ полученных зависимостей износа и ре зультатов, приведенных в табл. 3.1, показывает, что максимальная стойкость инструмента, упрочненного при Е = 0,73 Дж, обеспечивает ся наибольшей толщиной легированного слоя и повышенной плотно стью дефектов кристаллического строения.

Согласно существующим представлениям, между фрактальными параметрами одного и того же объекта, определенными различными методами, существует линейная зависимость [102;

233]. Масштабная инвариантность фрактальных параметров структуры предполагает наличие тесной связи с ее механическими свойствами в момент раз рушения, в том числе и изнашивании. Наличие тесной связи между фрактальной размерностью упрочненной поверхности и ее износо стойкостью проявляется в адекватном изменении этих характеристик с повышением энергии единичного разряда, причем экстремумы рас полагаются в одной режимной области энергий.

Фрактальную размерность можно рассматривать как топологиче скую мерность пространства, с повышением которой увеличивается энергия внутреннего состояния. Наличие тесной связи между фрак тальной размерностью и структурно-энергетическими свойствами подтверждается ростом фрактального размера с повышением плотно сти дефектов кристаллического строения [102]. Сравнительный ана лиз изменения Do и d/d, приведенных в табл. 3.1, уточняет эту зако номерность применительно к упрочненным ЭИЛ поверхностным структурам.

3.4. Термодинамическая модель формирования упрочненного покрытия Любое упрочнение металла можно свести к взаимодействию энергетического потока какой-либо природы с исходной структу рой, приводящему к повышению плотности дефектов кристалли ческого строения. Все известные сегодня энергетические воздей ствия апробированы в упрочняющих процессах, многие из кото рых реализовались в известных промышленных технологиях.

Прочностные свойства конструкционных материалов определя ются величиной поглощенной свободной энергии и устойчиво стью их структурно-энергетических параметров в процессе рабо ты [111;

162;

163;

254]. При наличии в упрочняющем энергетиче ском воздействии потока активного вещества, последние, вступая в физико-химическое взаимодействие с исходным материалом, дополнительно изменяют его структурно-энергетические пара метры внесением свободной энергии самим активным веществом и поглощением внутренней энергии за счет реакций смешения и образования новых соединений.

Повышение свободной энергии при формировании упроч ненной структуры результат кооперативных микроструктур ных процессов. Их активность связывается с дисбалансной со ставляющей термодинамической системы упрочнения между ак тивационными и диссипативными энергетическими потоками, возникающими в исходной структуре за счет внешнего упроч няющего воздействия. В каждой технологии упрочнения прояв ляется своя совокупность структурных активационных и дисси пативных механизмов. При этом полнота реализации активаци онных микроструктурных процессов определяется плотностью энергетического потока упрочняющего воздействия и ответной реакцией материала на него, а диссипативных интенсивностью энергомассопереноса в модифицируемой структуре. Большинство активационных и диссипативных микроструктурных процессов имеют термоактивационную природу, т.е. характеризуются поро говыми энергиями, периодом активации и временем релаксации.

С повышением плотности энергетического потока при пере ходе от одного варианта упрочнения к другому наблюдается ус тойчивая тенденция снижения времени активного взаимодейст вия в таком соотношении, при котором суммарная энергия уп рочняющего воздействия принимает численные значения одного порядка. Глубина упрочненного слоя пропорциональна времени активного воздействия, поэтому технологии упрочнения, харак теризующиеся высокой плотностью энергетических потоков, формируют, как правило, упрочненные структуры в более тонких поверхностных слоях с высоким градиентом механических свойств.

На основании изложенного процесс упрочнения можно ото бразить следующими обобщенными соотношениями:

E упр q упр F упр q упр, (3.16) Х упр q упр упр q упр grad q упр где qупр плотность мощности упрочняющего воздействия;

Еупр энер гия упрочняющего воздействия;

упр активное время упрочняющего процесса;

Хупр глубина упрочненного слоя;

химический потенциал.

С повышением плотности мощности упрочняющего воздей ствия степень упрочнения возрастает, а глубина модифицирован ного слоя и его устойчивость снижаются.

В обобщенном виде процесс упрочнения материала можно пред ставить следующей открытой термодинамической моделью. При взаимодействии исходной структуры (ИС) с упрочняющим энергети ческим воздействием (УВ) в материале начинаются активационные процессы (АП), включающие такие структурные механизмы и физи ко-химические реакции, при которых ИС, поглощая часть энергии УВ, переходит в более высокое структурно-энергетическое состояние.

Образующаяся на этой стадии модифицированная структура характе ризуется максимальной для данного режима функционирования сво бодной энергией и является, как правило, неустойчивой упрочненной структурой (НУС). По мере развития АП начинаются и диссипатив ные процессы (ДП), переводящие материал в состояние более устой чивое, но с меньшей свободной энергией. В результате материал пе реходит в устойчивое упрочненное состояние (УУС), которое и опре деляет свойства окончательно сформированной структуры.

Кинетику процесса упрочнения можно изобразить обобщен ной диаграммой, представленной на рис. 3.8, где в координатах «структурно-энергетическое состояние активное время процес са» представлен ход изменения свободной энергии упрочняемого материала.

Рис. 3.8. Кинетика функционирования системы упрочнения Первое начало термодинамики для процесса взаимодействия ИС с УВ представляется в виде q ув t ув qan t an qn tn, (3.17) где qi плотность энергетического потока;

ti время активного про цесса.

Величина поглощенной внутренней энергии ( Uнyc) при выходе материала в состояние НУС равна суммарной энергии АП, т.е.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.