Тип работы:
Предмет:
Язык работы:


УПРАВЛЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЕМ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ НАНОСТРУКТУРИРУЮЩЕМ ВЫГЛАЖИВАНИИ С ТЕПЛООТВОДОМ

Работа №101428

Тип работы

Авторефераты (РГБ)

Предмет

материаловедение

Объем работы28
Год сдачи2018
Стоимость250 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
147
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ

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.
Степень разработанности проблемы исследования. Фундаментальные основы наноструктурирования конструкционных материалов заложили H. Gleiter, Р.З. Валиев, В.Е. Панин и др. Теоретические и прикладные вопросы формирования нанокристаллитов при трении и фрикционной обработке изучены в работах Л.Г. Коршунова, В.Р. Бараза, А.В. Макарова, А.В. Колубаева, С.Ю. Тарасова, X. Wang и других. Научные основы промышленной технологии наноструктурирующего выглаживания поверхностей деталей на станках с ЧПУ разработаны В.П. Кузнецовым.
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 (НСВ) 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 про-ведения этих исследований обусловлена потерей сдвиговой устойчивости, рекристаллизацией и разрушением материала поверхностного слоя. Особый научный интерес к совершенствованию физико-механического процесса НСВ 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-О8-01511А «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 e=3,5...3,8 до е=5,0...5,25 и скорости деформации более, чем на порядок, с £ = (2,8...3,7)103 с 1 до £ = (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. Методологи-ческой 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
6 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, ис-пользованием 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 техно-логические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» (Тольятти, 2015 г.), IX Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения (Томск, 2015 г.), XI-й Международной научно-технической конференции «Трибология - машиностроению» (Москва, 2016), 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.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка цитируемой литературы из 84 источников и 4 приложений. Работа изложена на 135 страницах, содержит 68 рисунков и 4 таблицы.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь студентам в написании работ!


1 Сформулирована концепция управления формированием нанокристаллической структуры при высокоскоростном наноструктурирующем выглаживании, основанная на отводе фрикционного тепла из контактной зоны в инструмент и поддержании оптимального температурно-скоростного режима деформации.
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, позволяющий управлять температурным режимом нано-структурирующего выглаживания.
4 Разработан экспериментально-расчетный метод определения связи степени и скорости интенсивной пластической деформации сдвига со скоростью скольжения индентора на основе 3О-профилометрии валика пластически оттесненного металла и сканирующей электронной микроскопии поверхностного слоя.
5 Установлены зависимости изменения коэффициента трения и контактной температуры от скорости скольжения индентора, позволяющие выполнить расчет параметра Зинера-Холломона при различных режимах наноструктурирующего выглаживания инструментом без теплоотвода и с системой отвода фрикционного тепла.
6 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 нанокристаллитов и толщины наноструктурированного слоя.
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 НУ0,5 и шероховатостью до Ра 0,2 мкм, что обеспечивает снижение удельной интен-сивности изнашивания в паре с корундом 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 интенсив-ности изнашивания в паре с корундом до ~5,6’10-15 м3/Нм.



1 Скоробогатов А. С. Финишная технология наноструктурирующего выглаживания поверхностных слоев при обработке деталей машиностроения на многоцелевых станках / В. П. Кузнецов, В. Г. Горгоц, А. С. Скоробогатов // Нанотехника. - 2014. - №2. - С. 86-89. (0,3 п.л. / 0,1 п.л.)
2 Скоробогатов А. С. Теория, практика и перспективы развития технологии наноструктурирующего выглаживания / В. П. Кузнецов, А. С. Скоробогатов // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева. - 2017. - №2(41). - С. 184-194. (0,7 п.л. / 0,4 п.л.)
3 Скоробогатов А. С. Моделирование поведения кристаллита с межзеренной границей в условиях локального сдвигового нагружения / Дмитриев А. И. и др. // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - №6. -http://www.science-education.ru/120-15953.(0,5 п.л. / 0,1 п.л.)
4 Скоробогатов А. С. Повышение эффективности наноструктурирующего выглаживания путем управления теплоотводом / А. С. Скоробогатов, В. П. Кузнецов, В. Г. Горгоц // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева. - 2017. - №2(41). - С. 174-180. (0,5 п.л. / 0,2 п.л.)
5 Skorobogatov A. S. Mathematical Model of Thermal Physics of the Dual-cycle Cooling System of the tool for Pieces Nanostructuring Burnishing / V. P. Kuznetsov, A. S. Skorobogatov, V. G. Gorgots // Applied Mechanics and Materials. - Vol. 770 (2015). - P. 449-455. (0,5 п.л. / 0,2 п.л.)
6 Skorobogatov A. S. Finishing and Hardening of a Flat Surface Ring Area of a Workpiece by Rotary Burnishing / V. P. Kuznetsov, V. V. Voropaev, A. S. Skorobogatov // Key Engineering Materials. - Vol.743 (2017). - P. 245-247. (0,4 п.л. / 0,1 п.л.)
7 Skorobogatov A. S. The Analysis of speed increase perspectives of nanostructuring burnishing with heat removal from the tool / Kuznetsov V. P. et al. // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 124 (2016) 012127. (0,5 п.л. / 0,2 п.л.)
Патенты:
8 Выглаживающий инструмент с модулем охлаждения : пат. 150111 Рос. Федерация : МПК B24B 39/00. / Кузнецов В. П., Горгоц В. Г., Скоробогатов А. С. ; заявитель и патентообладатель ООО «Предприятие «Сенсор». - №2014130830/02 ; заявл. 24.07.2014 ; опубл. 27.01.2015, Бюл. №3. - 2 с.
9 Способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя прецизионных деталей выглаживанием и система для его осуществления : пат. 2635987 Рос. Федерация : МПК В24В 39/00 В82В 3/00 / Кузнецов В. П., Скоробогатов А. С., Попов А. А., Лобанов Н. Л., Горгоц В. Г. ; заявитель и патенто-обладатель ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет», ООО «Пред-приятие «Сенсор». - № 2016118448 ; заявл. 11.05.2016 ; опубл. 17.11.2017, Бюл. №32 - 9 с.
Публикации в других изданиях:
10 Скоробогатов А. С. Исследование влияния температуры и скорости наноструктурирующего выглаживания стали 20Х13 на параметры качества поверхностного слоя / Кузнецов В. П. и др. // Труды IV Международной научно-технической конференции «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства » (Резниковские чтения), (Тольятти, 27-29 мая 2015 г.): в 2 ч. / ред. кол. А.В. Гордеев и др. - Тольятти: ТГУ, 2015. - Ч.1. - С. 273-279. (0,45 п.л. / 0,1 п.л.)
11 Скоробогатов А. С. Теоретические основы отвода тепла из контактной зоны инструмента при наноструктурирующем выглаживании термоупрочненных сталей / В. П. Кузнецов, В. Г. Горгоц, А. С. Скоробогатов // Труды IV Международной научно-технической конференции «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства » (Резниковские чтения), (Тольятти, 27-29 мая 2015 г.): в 2 ч. / ред. кол. А.В. Гордеев и др. - Тольятти: ТГУ, 2015. - Ч.1. - С. 40-47. (0,5 п.л. / 0,2 п.л.)
12 Скоробогатов А. С. Финишная технология наноструктурирующего выглаживания поверхностных слоев при обработке деталей машиностроения на многоцелевых станках / В. П. Кузнецов, В. Г. Горгоц, А. С. Скоробогатов // Нанотехнологии - производству : Тезисы докладов X Международной научно-практической конференции, 2-4 апреля 2014, г. Фрязино. - М.: Изд-во «Янус- К», С. 47-48. (0,15 п.л. / 0,05 п.л.)
13 Скоробогатов А. С. Математическая модель теплофизики двухконтурной теплоотводящей системы инструмента для наноструктурирующего выглаживания деталей / В. П. Кузнецов, А. С. Скоробогатов, В. Г. Горгоц // Актуальные проблемы современного машиностроения: сборник трудов Международной научно-практической конференции / Юргинский технологический институт. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - С. 149-154. (0,4 п.л. / 0,15 п.л.)
14 Скоробогатов А. С. Теплофизическая модель инструмента с интегрированным охлаждением на основе элементов Пельтье / В. П. Кузнецов, А. С. Скоробогатов, В. Г. Горгоц // Труды IV Международной научно-технической конференции «Теплофизические и технологические аспекты повышения эф-фективности машиностроительного производства » (Резниковские чтения), (Тольятти, 27-29 мая 2015 г.): в 2 ч. / ред. кол. А.В. Гордеев и др. - Тольятти: ТГУ, 2015. - Ч.1. - С. 34-40. (0,45 п.л. / 0,2 п.л.)
15 Скоробогатов А. С. Трибологические основы наноструктурирующего выглаживания / В. П. Кузнецов, А. С. Скоробогатов, Ю. Б. Червач // Трибология - машиностроению: Труды XI международной научно-технической конференции (1-3 ноября 2016 г). - М.: Институт компьютерных исследований, 2016. - С. 133-134. (0,15 п.л. / 0,05 п.л.)
16 Скоробогатов А. С. Трибологические свойства закаленных конструкционных сталей, подвергнутых наноструктурирующему выглаживанию / Скоробогатов А. С. и др. // Трибология - машиностроению: Труды XI международной научно-технической конференции (1-3 ноября 2016 г). - М.: Институт компьютерных исследований, 2016. - С.220-222. (0,2 п.л. / 0,1 п.л.)


Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2024 Cервис помощи студентам в выполнении работ