Помощь студентам в учебе
УПРАВЛЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЕМ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ НАНОСТРУКТУРИРУЮЩЕМ ВЫГЛАЖИВАНИИ С ТЕПЛООТВОДОМ
|
Введение 3
1 Состояние вопроса и постановка задач исследования 9
1.1 Анализ исследований формирования нанокристаллической структуры
интенсивной пластической деформацией сдвига при трении и наноструктурирующем выглаживании 9
1.2 Анализ влияния температурно-скоростного режима интенсивной
пластической деформации на наноструктурирование конструкционных материалов 16
1.3 Анализ путей обеспечения температурно-скоростного режима
деформации в процессе деформирования материала трением и наноструктурирующим выглаживанием 20
2 Теоретические основы управления формированием нанокристаллической
структуры при высокоскоростном наноструктурирующем выглаживании с отводом фрикционного тепла 24
2.1 Концепция управления формированием нанокристаллической
структуры в поверхностном слое 24
2.2 Математическая модель теплопередачи и метод оценки эффективности
системы отвода фрикционного тепла инструмента 29
2.3 Разработка методов определения связи степени, скорости деформации
сдвига и контактной температуры со скоростью скольжения индентора инструмента 36
Выводы по разделу 2 39
3. Экспериментальное исследование влияния скорости скольжения индентора на изменение фрикционной нагрузки, контактной температуры и пластической деформации сдвига материала 40
3.1 Обоснование выбора материалов и инструмента с
усовершенствованной системой отвода фрикционного тепла 40
3.2 Исследование контактных сил и коэффициента трения при повышении
скорости скольжения индентора 44
3.3 Экспериментальные исследования контактной температуры при
повышении скорости скольжения индентора инструмента 49
3.4 Исследования параметров деформации сдвига материала при
изменении скорости скольжения индентора инструмента 55
Выводы по разделу 3 62
4 Определение оптимальных условий формирования наноструктурного состояния
материала при повышении скорости скольжения индентора 63
4.1 Расчетные зависимости контактной температуры и коэффициента
отвода тепла от скорости скольжения индентора 63
4.2 Установление зависимостей размерной и объемной фракций
нанокристаллитов от параметра Зинера-Холломона 67
4.3 Выявление связи толщины наноструктурированного слоя с параметром
температурно-скомпенсированной скорости деформации Зинера-Холломона 73
4.4 Расчетное и экспериментальное определение допустимых границ
температурно-скоростного режима наноструктурирующего выглаживания 79
Выводы по разделу 4 84
5 Управление обеспечением механических и трибологических свойств
поверхностного слоя мартенситных сталей при высокоскоростном наноструктурирующем выглаживании с теплоотводом 85
5.1 Исследование влияния повышения скорости скольжения и отвода
фрикционного тепла из контактной зоны на микротвердость и шероховатость поверхностного слоя 85
5.2 Трибологические свойства поверхностного слоя мартенситных сталей
после наноструктурирующего выглаживания с теплоотводом 94
Выводы по разделу 5 100
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
Приложение А. Справочные параметры и пример расчета численных значений тепловых сопротивлений 115
Приложение Б. Алгоритм расчета температуры охлаждающей жидкости в инструменте с системой отвода фрикционного тепла 117
Приложение В. Алгоритм расчета контактной температуры при наноструктурирующем выглаживании 121
Приложение Г. Определение толщины сдвигаемого слоя после наноструктурирующего выглаживания без теплоотвода и с системой отвода фрикционного тепла 124
Приложение Д. Просвечивающая электронная микроскопия поверхностного слоя сталей 20Х и 20Х13 после наноструктурирующего выглаживания инструментом
без теплоотвода и с системой отвода фрикционного тепла 127
Приложение Е. Определение поправочного коэффициента площади сечения зерна при анализе рефлексов на темнопольных изображениях структуры 132
Приложение Ж. Расчет объемных фракций зерен в наноструктурированном слое после обработки инструментом без теплоотвода и с системой отвода тепла 135
Приложение З. Экономический эффект от промышленного внедрения наноструктурирующего выглаживания с теплоотводом 137
Приложение И. Акт внедрения 140
1 Состояние вопроса и постановка задач исследования 9
1.1 Анализ исследований формирования нанокристаллической структуры
интенсивной пластической деформацией сдвига при трении и наноструктурирующем выглаживании 9
1.2 Анализ влияния температурно-скоростного режима интенсивной
пластической деформации на наноструктурирование конструкционных материалов 16
1.3 Анализ путей обеспечения температурно-скоростного режима
деформации в процессе деформирования материала трением и наноструктурирующим выглаживанием 20
2 Теоретические основы управления формированием нанокристаллической
структуры при высокоскоростном наноструктурирующем выглаживании с отводом фрикционного тепла 24
2.1 Концепция управления формированием нанокристаллической
структуры в поверхностном слое 24
2.2 Математическая модель теплопередачи и метод оценки эффективности
системы отвода фрикционного тепла инструмента 29
2.3 Разработка методов определения связи степени, скорости деформации
сдвига и контактной температуры со скоростью скольжения индентора инструмента 36
Выводы по разделу 2 39
3. Экспериментальное исследование влияния скорости скольжения индентора на изменение фрикционной нагрузки, контактной температуры и пластической деформации сдвига материала 40
3.1 Обоснование выбора материалов и инструмента с
усовершенствованной системой отвода фрикционного тепла 40
3.2 Исследование контактных сил и коэффициента трения при повышении
скорости скольжения индентора 44
3.3 Экспериментальные исследования контактной температуры при
повышении скорости скольжения индентора инструмента 49
3.4 Исследования параметров деформации сдвига материала при
изменении скорости скольжения индентора инструмента 55
Выводы по разделу 3 62
4 Определение оптимальных условий формирования наноструктурного состояния
материала при повышении скорости скольжения индентора 63
4.1 Расчетные зависимости контактной температуры и коэффициента
отвода тепла от скорости скольжения индентора 63
4.2 Установление зависимостей размерной и объемной фракций
нанокристаллитов от параметра Зинера-Холломона 67
4.3 Выявление связи толщины наноструктурированного слоя с параметром
температурно-скомпенсированной скорости деформации Зинера-Холломона 73
4.4 Расчетное и экспериментальное определение допустимых границ
температурно-скоростного режима наноструктурирующего выглаживания 79
Выводы по разделу 4 84
5 Управление обеспечением механических и трибологических свойств
поверхностного слоя мартенситных сталей при высокоскоростном наноструктурирующем выглаживании с теплоотводом 85
5.1 Исследование влияния повышения скорости скольжения и отвода
фрикционного тепла из контактной зоны на микротвердость и шероховатость поверхностного слоя 85
5.2 Трибологические свойства поверхностного слоя мартенситных сталей
после наноструктурирующего выглаживания с теплоотводом 94
Выводы по разделу 5 100
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
Приложение А. Справочные параметры и пример расчета численных значений тепловых сопротивлений 115
Приложение Б. Алгоритм расчета температуры охлаждающей жидкости в инструменте с системой отвода фрикционного тепла 117
Приложение В. Алгоритм расчета контактной температуры при наноструктурирующем выглаживании 121
Приложение Г. Определение толщины сдвигаемого слоя после наноструктурирующего выглаживания без теплоотвода и с системой отвода фрикционного тепла 124
Приложение Д. Просвечивающая электронная микроскопия поверхностного слоя сталей 20Х и 20Х13 после наноструктурирующего выглаживания инструментом
без теплоотвода и с системой отвода фрикционного тепла 127
Приложение Е. Определение поправочного коэффициента площади сечения зерна при анализе рефлексов на темнопольных изображениях структуры 132
Приложение Ж. Расчет объемных фракций зерен в наноструктурированном слое после обработки инструментом без теплоотвода и с системой отвода тепла 135
Приложение З. Экономический эффект от промышленного внедрения наноструктурирующего выглаживания с теплоотводом 137
Приложение И. Акт внедрения 140
Актуальность темы исследования. Формирование уникальных свойств поверхностных слоев деталей трибосопряжений, изготавливаемых из традиционных конструкционных сталей, позволяет увеличить эксплуатационную надежность машин и оборудования без значительных капиталовложений. Перспективным направлением повышения прочности и износостойкости поверхностных слоев материалов является разработка и совершенствование физико-механических процессов, обеспечивающих получение нанокристаллических структур методами интенсивной пластической деформацией сдвига. Особенно актуально развитие данных процессов в условиях серийного и экологически чистого производства изделий.
Фундаментальные основы наноструктурирования конструкционных материалов заложили H. Gleiter [69], Р.З. Валиев [4, 5, 69, 94, 95], В.Е. Панин [6, 11, 12, 24, 27-32] и др. Теоретические и прикладные вопросы формирования нанокристаллитов при трении и фрикционной обработке изучены в работах Л.Г. Коршунова [8, 9, 17, 18, 39], В.Р. Бараза [1-3, 7, 16], А.В. Макарова [9, 26, 38, 61], А.В. Колубаева [6, 45, 89], С.Ю. Тарасова [40, 41, 45, 87-89], X. Wang [56, 68] и других. Научные основы промышленной технологии наноструктурирующего выглаживания поверхностей деталей на станках с ЧПУ разработаны В.П. Кузнецовым [14, 15, 19-23, 34, 36, 42, 67,74-76, 92].
Исследования наноструктурирования поверхностей сталей скользящим индентором в лабораторных условиях при фрикционной обработке и наноструктурирующем выглаживании на современных станках с ЧПУ показали возможность значительного повышения прочностных свойств в сочетании с пластичностью материала. Применительно к наноструктурирующему выглаживанию определены допустимые и достаточные условия фрикционного нагружения, контактного давления и скорости скольжения сферического индентора из сверхтвердого материала (синтетический поликристаллический алмаз PCD и кубический особоплотный нитрид бора DBN). Однако не были изучены закономерности формирования нанокристаллической структуры и свойств поверхностного слоя мартенситных сталей при скорости скольжения индентора более 20 м/мин. Невозможность проведения этих исследований обусловлена потерей сдвиговой устойчивости, рекристаллизацией и разрушением материала поверхностного слоя. Особый научный интерес к совершенствованию физико-механического процесса наноструктурирующего выглаживания при высоких скоростях скольжения индентора представляет рассмотрение влияния отвода фрикционного тепла из контактной зоны инструмента для поддержания оптимального температурно-скоростного режима пластической деформации.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Термообработки и физики металлов» ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» и грантов РФФИ № 14-38-50423 и № 15-08-01511А «Изучение механизмов наноструктурирования поверхности при пластическом деформировании выглаживанием с использованием комплексного многомасштабного подхода».
Целью работы является совершенствование физико-механического процесса наноструктурирующего выглаживания для формирования нанокристаллической структуры и повышения свойств поверхностного слоя мартенситных сталей при высоких скоростях скольжения индентора инструмента.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
1 Обосновать концепцию управления формированием нанокристаллической структуры и свойств поверхностного слоя мартенситных сталей при высокоскоростном наноструктурирующем выглаживании с теплоотводом.
2 Разработать математическую модель теплопередачи фрикционного тепла и расчетные зависимости параметров интенсивной пластической деформации и контактной температуры от скорости скольжения.
3 Создать инструмент, обеспечивающий эффективный отвод фрикционного тепла и провести экспериментальные исследования влияния скорости скольжения индентора на изменение контактных сил и температуры, степени и скорости пластической деформации при наноструктурирующем выглаживании мартенситных закаленных сталей 20Х и 20Х13.
4 Провести наноструктурирующее выглаживание инструментом с системой отвода фрикционного тепла и установить закономерности изменения размеров зерен, объемной фракции нанокристаллитов и толщины наноструктурированного слоя от скорости скольжения и параметра Зинера-Холломона.
5 Определить взаимосвязь физико-механических и трибологических свойств наноструктурированного слоя сталей 20Х и 20Х13 со скоростью скольжения индентора и эффективность применения инструмента с теплоотводом.
Научная новизна и теоретическая значимость работы состоит в том, что:
1 Впервые установлено, что зависимости объемной фракции нанокристаллитов и толщины наноструктурированного слоя от параметра Зинера - Холломона при наноструктурирующем выглаживании мартенситных сталей имеют экстремум, обусловленный наличием оптимального температурно - скоростного режима.
2 Обоснован подход к назначению скорости скольжения индентора инструмента при наноструктурирующем выглаживании поверхностей сталей на основе установления оптимальной величины параметра Зинера-Холломона по критериям размеров нанокристаллитов и толщины наноструктурированного слоя.
3 Созданы экспериментальные методы определения степени, скорости деформации и контактной температуры в зависимости от скорости скольжения индентора, позволяющие решать задачи управления отводом фрикционного тепла и температурно-скоростным режимом наноструктурирующего выглаживания.
4 Установлено, что отвод 66% и 80% фрикционного тепла из контактной зоны в инструмент при наноструктурирующем выглаживании, соответственно, сталей 20Х и 20Х13 со скоростью скольжения индентора 50 м/мин обеспечивает, в сравнении с обработкой без теплоотвода с предельной скоростью 15 м/мин, повышение истинной деформации с е=3,5...3,8 до е=5,0...5,25 и скорости деформации более, чем на порядок, с ё — (2,8...3,7)103 с 1 до ё — (5,2...6,8)104 с 1.
Практическая значимость:
1 Создан и запатентован инновационный инструмент с системой охлаждения индентора, позволяющий обеспечивать оптимальный температурно-скоростной режим наноструктурирующего выглаживания и формирование наноструктурного состояния поверхностного слоя мартенситных сталей при повышении скорости скольжения индентора в 3 раза до 50 м/мин (Патенты РФ №2635987, №150111).
2 Обеспечена экологичность процесса наноструктурирующего
выглаживания с теплоотводом за счет применения в инструменте замкнутого контура жидкостного охлаждения на основе ТЭМ Пельтье.
3 Обеспечено достижение микротвердости поверхностного слоя закаленных сталей цементованной 20Х до 1480 HV0,5и 20Х13 до 1310 HV0,5при скорости скольжения индентора 50 м/мин.
4 Получен годовой экономический эффект в размере 2,157 млн. рублей от
внедрения усовершенствованного физико-механического процесса
наноструктурирующего выглаживания с системой отвода фрикционного тепла при производстве шпинделей MKTZ-300.25.012 и MKTS-100.25.004 для задвижек высокого давления на ООО «Предприятие «Сенсор».
Методология и методы диссертационного исследования.
Методологической основой послужили труды ведущих отечественных и зарубежных ученых в области разработки физико-механических процессов формирования поверхностных слоев сталей и новых материалов с нанокристаллической структурой интенсивной пластической деформацией, научные основы материаловедения, трибологии, теплопередачи и тепловых сетей.
Для решения поставленных задач использовались современные методы просвечивающей и растровой электронной микроскопии, динамометрии, измерений твердости, трибологических испытаний поверхностного слоя, анализа структуры в программном пакете SIAMS 700 и компьютерного моделирования в программном пакете Multisim. Экспериментальные результаты были получены с использованием сертифицированных приборов и средств измерений.
На защиту выносятся основные положения и результаты:
1 Математическая модель теплопередачи фрикционного тепла из контактной зоны и расчетные зависимости температуры, степени и скорости пластической деформации при наноструктурирующем выглаживании мартенситных закаленных сталей 20Х и 20Х13.
2 Методики и результаты экспериментальных исследований степени и скорости интенсивной пластической деформации, контактных сил и температуры в зависимости от скорости скольжения индентора.
3 Оптимальные значения параметра Зинера-Холломона и допустимый диапазон изменения контактной температуры, обеспечивающий формирование нанокристаллической структуры и уникальных физико-механических свойств поверхностного слоя при повышении скорости скольжения индентора.
4 Физико-механические и трибологические свойства поверхностного слоя термоупрочненных сталей 20Х и 20Х13 после наноструктурирующего выглаживания инструментом с системой отвода фрикционного тепла.
Степень достоверности результатов работы обеспечивается большим объемом и воспроизводимостью результатов экспериментальных исследований, сопоставлением их между собой и с известными литературными данными, использованием современных методов исследования и аттестованных средств измерения и анализа структуры и свойств материала.
Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 9-ти конференциях, в том числе на Х- й Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии - производству» (Фрязино, 2014 г.), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного машиностроения» (Юрга, 2014 г.), IV Международной научно-технической конференции «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» (Тольятти, 2015 г.), IX Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения (Томск, 2015 г.), Х1-й Международной научно-технической конференции «Трибология - машиностроению» (Москва, 2016 г.), IV Международном технологическом форуме «Инновации. Технологии. Производство» (Рыбинск, 2017 г.), 3rd International Conference on Rheology and Modelling of Materials (Miskolc- Lillafured, Hungary, 2017 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации, полученные результаты, выводы и рекомендации опубликованы в 14-ти научных работах, в том числе в 7¬ми статьях в рецензируемых журналах из списка ВАК и 7-ми статьях в сборниках трудов Международных научных конференций. Получены 1 патент РФ на изобретение и 1 патент РФ на полезную модель.
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в разработке способа отвода фрикционного тепла при наноструктурирующем выглаживании, создании специального инструмента и проведении всего комплекса теоретических и экспериментальных исследований по решению проблемы управления формированием нанокристаллической структуры и уникальных свойств мартенситных сталей, обсуждении, анализе и подготовке публикаций полученных результатов.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность Г.С. Анисимовой и А.В. Аникееву и В.Г. Горгоцу за помощь в планировании и проведении экспериментальных исследований наноструктурирующего выглаживания а также М.С. Хадыеву, М.С. Карабаналову, А.Ю. Жилякову и П.А. Скорыниной за помощь в проведении исследований микроструктуры и механических свойств наноструктурированных образцов.
Фундаментальные основы наноструктурирования конструкционных материалов заложили H. Gleiter [69], Р.З. Валиев [4, 5, 69, 94, 95], В.Е. Панин [6, 11, 12, 24, 27-32] и др. Теоретические и прикладные вопросы формирования нанокристаллитов при трении и фрикционной обработке изучены в работах Л.Г. Коршунова [8, 9, 17, 18, 39], В.Р. Бараза [1-3, 7, 16], А.В. Макарова [9, 26, 38, 61], А.В. Колубаева [6, 45, 89], С.Ю. Тарасова [40, 41, 45, 87-89], X. Wang [56, 68] и других. Научные основы промышленной технологии наноструктурирующего выглаживания поверхностей деталей на станках с ЧПУ разработаны В.П. Кузнецовым [14, 15, 19-23, 34, 36, 42, 67,74-76, 92].
Исследования наноструктурирования поверхностей сталей скользящим индентором в лабораторных условиях при фрикционной обработке и наноструктурирующем выглаживании на современных станках с ЧПУ показали возможность значительного повышения прочностных свойств в сочетании с пластичностью материала. Применительно к наноструктурирующему выглаживанию определены допустимые и достаточные условия фрикционного нагружения, контактного давления и скорости скольжения сферического индентора из сверхтвердого материала (синтетический поликристаллический алмаз PCD и кубический особоплотный нитрид бора DBN). Однако не были изучены закономерности формирования нанокристаллической структуры и свойств поверхностного слоя мартенситных сталей при скорости скольжения индентора более 20 м/мин. Невозможность проведения этих исследований обусловлена потерей сдвиговой устойчивости, рекристаллизацией и разрушением материала поверхностного слоя. Особый научный интерес к совершенствованию физико-механического процесса наноструктурирующего выглаживания при высоких скоростях скольжения индентора представляет рассмотрение влияния отвода фрикционного тепла из контактной зоны инструмента для поддержания оптимального температурно-скоростного режима пластической деформации.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Термообработки и физики металлов» ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» и грантов РФФИ № 14-38-50423 и № 15-08-01511А «Изучение механизмов наноструктурирования поверхности при пластическом деформировании выглаживанием с использованием комплексного многомасштабного подхода».
Целью работы является совершенствование физико-механического процесса наноструктурирующего выглаживания для формирования нанокристаллической структуры и повышения свойств поверхностного слоя мартенситных сталей при высоких скоростях скольжения индентора инструмента.
В работе поставлены и решены следующие задачи:
1 Обосновать концепцию управления формированием нанокристаллической структуры и свойств поверхностного слоя мартенситных сталей при высокоскоростном наноструктурирующем выглаживании с теплоотводом.
2 Разработать математическую модель теплопередачи фрикционного тепла и расчетные зависимости параметров интенсивной пластической деформации и контактной температуры от скорости скольжения.
3 Создать инструмент, обеспечивающий эффективный отвод фрикционного тепла и провести экспериментальные исследования влияния скорости скольжения индентора на изменение контактных сил и температуры, степени и скорости пластической деформации при наноструктурирующем выглаживании мартенситных закаленных сталей 20Х и 20Х13.
4 Провести наноструктурирующее выглаживание инструментом с системой отвода фрикционного тепла и установить закономерности изменения размеров зерен, объемной фракции нанокристаллитов и толщины наноструктурированного слоя от скорости скольжения и параметра Зинера-Холломона.
5 Определить взаимосвязь физико-механических и трибологических свойств наноструктурированного слоя сталей 20Х и 20Х13 со скоростью скольжения индентора и эффективность применения инструмента с теплоотводом.
Научная новизна и теоретическая значимость работы состоит в том, что:
1 Впервые установлено, что зависимости объемной фракции нанокристаллитов и толщины наноструктурированного слоя от параметра Зинера - Холломона при наноструктурирующем выглаживании мартенситных сталей имеют экстремум, обусловленный наличием оптимального температурно - скоростного режима.
2 Обоснован подход к назначению скорости скольжения индентора инструмента при наноструктурирующем выглаживании поверхностей сталей на основе установления оптимальной величины параметра Зинера-Холломона по критериям размеров нанокристаллитов и толщины наноструктурированного слоя.
3 Созданы экспериментальные методы определения степени, скорости деформации и контактной температуры в зависимости от скорости скольжения индентора, позволяющие решать задачи управления отводом фрикционного тепла и температурно-скоростным режимом наноструктурирующего выглаживания.
4 Установлено, что отвод 66% и 80% фрикционного тепла из контактной зоны в инструмент при наноструктурирующем выглаживании, соответственно, сталей 20Х и 20Х13 со скоростью скольжения индентора 50 м/мин обеспечивает, в сравнении с обработкой без теплоотвода с предельной скоростью 15 м/мин, повышение истинной деформации с е=3,5...3,8 до е=5,0...5,25 и скорости деформации более, чем на порядок, с ё — (2,8...3,7)103 с 1 до ё — (5,2...6,8)104 с 1.
Практическая значимость:
1 Создан и запатентован инновационный инструмент с системой охлаждения индентора, позволяющий обеспечивать оптимальный температурно-скоростной режим наноструктурирующего выглаживания и формирование наноструктурного состояния поверхностного слоя мартенситных сталей при повышении скорости скольжения индентора в 3 раза до 50 м/мин (Патенты РФ №2635987, №150111).
2 Обеспечена экологичность процесса наноструктурирующего
выглаживания с теплоотводом за счет применения в инструменте замкнутого контура жидкостного охлаждения на основе ТЭМ Пельтье.
3 Обеспечено достижение микротвердости поверхностного слоя закаленных сталей цементованной 20Х до 1480 HV0,5и 20Х13 до 1310 HV0,5при скорости скольжения индентора 50 м/мин.
4 Получен годовой экономический эффект в размере 2,157 млн. рублей от
внедрения усовершенствованного физико-механического процесса
наноструктурирующего выглаживания с системой отвода фрикционного тепла при производстве шпинделей MKTZ-300.25.012 и MKTS-100.25.004 для задвижек высокого давления на ООО «Предприятие «Сенсор».
Методология и методы диссертационного исследования.
Методологической основой послужили труды ведущих отечественных и зарубежных ученых в области разработки физико-механических процессов формирования поверхностных слоев сталей и новых материалов с нанокристаллической структурой интенсивной пластической деформацией, научные основы материаловедения, трибологии, теплопередачи и тепловых сетей.
Для решения поставленных задач использовались современные методы просвечивающей и растровой электронной микроскопии, динамометрии, измерений твердости, трибологических испытаний поверхностного слоя, анализа структуры в программном пакете SIAMS 700 и компьютерного моделирования в программном пакете Multisim. Экспериментальные результаты были получены с использованием сертифицированных приборов и средств измерений.
На защиту выносятся основные положения и результаты:
1 Математическая модель теплопередачи фрикционного тепла из контактной зоны и расчетные зависимости температуры, степени и скорости пластической деформации при наноструктурирующем выглаживании мартенситных закаленных сталей 20Х и 20Х13.
2 Методики и результаты экспериментальных исследований степени и скорости интенсивной пластической деформации, контактных сил и температуры в зависимости от скорости скольжения индентора.
3 Оптимальные значения параметра Зинера-Холломона и допустимый диапазон изменения контактной температуры, обеспечивающий формирование нанокристаллической структуры и уникальных физико-механических свойств поверхностного слоя при повышении скорости скольжения индентора.
4 Физико-механические и трибологические свойства поверхностного слоя термоупрочненных сталей 20Х и 20Х13 после наноструктурирующего выглаживания инструментом с системой отвода фрикционного тепла.
Степень достоверности результатов работы обеспечивается большим объемом и воспроизводимостью результатов экспериментальных исследований, сопоставлением их между собой и с известными литературными данными, использованием современных методов исследования и аттестованных средств измерения и анализа структуры и свойств материала.
Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на 9-ти конференциях, в том числе на Х- й Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии - производству» (Фрязино, 2014 г.), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного машиностроения» (Юрга, 2014 г.), IV Международной научно-технической конференции «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» (Тольятти, 2015 г.), IX Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения (Томск, 2015 г.), Х1-й Международной научно-технической конференции «Трибология - машиностроению» (Москва, 2016 г.), IV Международном технологическом форуме «Инновации. Технологии. Производство» (Рыбинск, 2017 г.), 3rd International Conference on Rheology and Modelling of Materials (Miskolc- Lillafured, Hungary, 2017 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации, полученные результаты, выводы и рекомендации опубликованы в 14-ти научных работах, в том числе в 7¬ми статьях в рецензируемых журналах из списка ВАК и 7-ми статьях в сборниках трудов Международных научных конференций. Получены 1 патент РФ на изобретение и 1 патент РФ на полезную модель.
Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в разработке способа отвода фрикционного тепла при наноструктурирующем выглаживании, создании специального инструмента и проведении всего комплекса теоретических и экспериментальных исследований по решению проблемы управления формированием нанокристаллической структуры и уникальных свойств мартенситных сталей, обсуждении, анализе и подготовке публикаций полученных результатов.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность Г.С. Анисимовой и А.В. Аникееву и В.Г. Горгоцу за помощь в планировании и проведении экспериментальных исследований наноструктурирующего выглаживания а также М.С. Хадыеву, М.С. Карабаналову, А.Ю. Жилякову и П.А. Скорыниной за помощь в проведении исследований микроструктуры и механических свойств наноструктурированных образцов.
1 Сформулирована концепция формирования нанокристаллической структуры при высокоскоростном наноструктурирующем выглаживании, основанная на управлении отводом фрикционного тепла из контактной зоны и поддержании оптимального температурно-скоростного режима.
2 Разработана математическая модель теплопередачи из контактной зоны скользящего индентора, позволяющая определять необходимую долю (коэффициент) отвода фрикционного тепла и параметры теплоотводящей системы инструмента.
3 Создан и запатентован выглаживающий инструмент с системой отвода фрикционного тепла, обеспечивающий возможность поддержания режима теплой деформации при повышении скорости скольжения индентора до 50 м/мин.
4 Разработана методика определения связи степени и скорости интенсивной пластической деформации сдвига со скоростью скольжения индентора на основе 3D-профилометрии валика пластически оттесненного металла и сканирующей электронной микроскопии поверхностного слоя.
5 Определен допустимый температурно-скоростной режим
наноструктурирующего выглаживания, обеспечивающий формирование нанокристаллической структуры поверхностного слоя сталей 20Х и 20Х13 на основе оптимизации параметра Зинера-Холломона по критериям объемной фракции нанокристалитов и толщины наноструктурированного слоя.
6 Выявлено, что допустимые границы контактной температуры при скорости скольжения индентора 50 м/мин составляют 600.615 °C для стали 20Х и 730.. .790 °C для стали 20Х13.
7 Установлено, что наноструктурирующее выглаживание стали 20Х инструментом с системой отвода фрикционного тепла при скорости скольжения 50 м/мин позволяет формировать наноструктурированный слой толщиной 4,5 мкм со средним размером зерна ~20 нм, микротвердостью до 1480 HV0,5и шероховатостью до Ra=0,2 мкм, что обеспечивает снижение удельной интенсивности изнашивания до ~6’10-15 м3/Нм.
8 Показано, что наноструктурирующее выглаживание стали 20Х13 инструментом с системой отвода фрикционного тепла при скорости скольжения 50 м/мин позволяет формировать наноструктурированный слой толщиной 4,4 мкм со средним размером зерна 22 нм, микротвердостью 1310 НУ0;5 и шероховатостью до Яа=0,28 мкм, что обеспечивает снижение удельной интенсивности изнашивания до ~5,6’10-15 м3/Нм.
Перспективность дальнейшего развития темы исследования состоит в установлении закономерностей структурообразования и упрочнения поверхностей сталей и сплавов других типов разработанным физико - механическим процессом наноструктурирующего выглаживания с теплоотводом, а также в дальнейшем совершенствовании процесса для более существенного повышения степени и скорости деформации, увеличения толщины слоя с нанокристаллической структурой и в обеспечении комплекса новых уникальных эксплуатационных свойств.
2 Разработана математическая модель теплопередачи из контактной зоны скользящего индентора, позволяющая определять необходимую долю (коэффициент) отвода фрикционного тепла и параметры теплоотводящей системы инструмента.
3 Создан и запатентован выглаживающий инструмент с системой отвода фрикционного тепла, обеспечивающий возможность поддержания режима теплой деформации при повышении скорости скольжения индентора до 50 м/мин.
4 Разработана методика определения связи степени и скорости интенсивной пластической деформации сдвига со скоростью скольжения индентора на основе 3D-профилометрии валика пластически оттесненного металла и сканирующей электронной микроскопии поверхностного слоя.
5 Определен допустимый температурно-скоростной режим
наноструктурирующего выглаживания, обеспечивающий формирование нанокристаллической структуры поверхностного слоя сталей 20Х и 20Х13 на основе оптимизации параметра Зинера-Холломона по критериям объемной фракции нанокристалитов и толщины наноструктурированного слоя.
6 Выявлено, что допустимые границы контактной температуры при скорости скольжения индентора 50 м/мин составляют 600.615 °C для стали 20Х и 730.. .790 °C для стали 20Х13.
7 Установлено, что наноструктурирующее выглаживание стали 20Х инструментом с системой отвода фрикционного тепла при скорости скольжения 50 м/мин позволяет формировать наноструктурированный слой толщиной 4,5 мкм со средним размером зерна ~20 нм, микротвердостью до 1480 HV0,5и шероховатостью до Ra=0,2 мкм, что обеспечивает снижение удельной интенсивности изнашивания до ~6’10-15 м3/Нм.
8 Показано, что наноструктурирующее выглаживание стали 20Х13 инструментом с системой отвода фрикционного тепла при скорости скольжения 50 м/мин позволяет формировать наноструктурированный слой толщиной 4,4 мкм со средним размером зерна 22 нм, микротвердостью 1310 НУ0;5 и шероховатостью до Яа=0,28 мкм, что обеспечивает снижение удельной интенсивности изнашивания до ~5,6’10-15 м3/Нм.
Перспективность дальнейшего развития темы исследования состоит в установлении закономерностей структурообразования и упрочнения поверхностей сталей и сплавов других типов разработанным физико - механическим процессом наноструктурирующего выглаживания с теплоотводом, а также в дальнейшем совершенствовании процесса для более существенного повышения степени и скорости деформации, увеличения толщины слоя с нанокристаллической структурой и в обеспечении комплекса новых уникальных эксплуатационных свойств.
Подобные работы
- УПРАВЛЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЕМ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ НАНОСТРУКТУРИРУЮЩЕМ ВЫГЛАЖИВАНИИ С ТЕПЛООТВОДОМ
Авторефераты (РГБ), материаловедение . Язык работы: Русский. Цена: 250 р. Год сдачи: 2018