Определение уровня механических свойств

Воздействие на литые материалы потока высокоскоростных частиц ведет к повышению значений твердости как металлов, так и сплавов, особенно в верхней части образцов.

Результаты измерения твердости алюминия, меди и их сплавов по длине образца приведены в таблице 5.

Таблица 5-Изменение твердости по Бринеллю для алюминия, меди, cплавов Al-12%Si и Cu-40%Zn по длине образцов

Твердость алюминия после импульсного нагружения в верхней части образца незначительно увеличивается в сравнении с исходным, но в тоже время в нижней части она даже ниже, чем у исходного образца. Столь незначительные изменения твердости, объясняются отсутствием существенных изменений в структуре металла после импульсной обработки. У сплава Al-12%Si показатель твердости в обработанном образце увеличивается на 30-35% в верхней точке и остается повышенным по длине всего образца. Этому способствует измельчение эвтектических составляющих и в первую очередь дробление кристаллов первичного кремния.

Твердость меди после нагружения увеличивается в верхней части образца почти в два раза, затем постепенно снижается по длине, оставаясь в нижней части на 10% выше, чем у исходного образца. Существенное изменение твердости связано с изменение структуры в результате высокой степени деформации (70-80%). Всего на 15% увеличивается твердость у латуни, но далее наблюдается некоторое её снижение в средней части образца и небольшой подъем значения в нижней части, что опять же легко объяснить несущественными изменениями в микроструктуре сплава после импульсного нагружения.

Влияние эффекта СГП на изменение твердости литых материалов по сравнению с другими видами импульсной обработки рассмотрено ниже на примере алюминия и его сплава – силумина.

Результаты определения твердости по глубине образцов, характеризующие процесс упрочнения алюминия и его алюминиево-кремниевого сплава, приведены в таблице 4.

Таблица 4-Изменение твердости по глубине образцов

Для меди и латуни ударно-деформационное воздействие проявляется более эффективно, о чем свидетельствуют структурные факторы, имеющие место (рисунок 1, б; 2, б) ввиду пластичности данных материалов. У алюминия и его сплавов воздействие деформации носит сглаженный характер. Так «смятие» зерен в верхней части образца менее значительно (рисунок 3, б; 4, б; 5, б). Практически отсутствует воздействие нагрузки в средней и нижней части образцов. Не зафиксировано воздействие обратной ударной волны в нижней части. На основание выше изложенного следует, что динамическая обработка литых материалов приводит к увеличению твердости верхней части образцов согласно их способности к пластическому деформированию за счет деформационного искажения исходной структуры.

В тоже время обнаруженные изменения в литой структуре технически чистых меди, алюминия и их сплавов после импульсной обработки в режиме СГП, ведут к изменению уровня и других механических свойств (временное сопротивление разрыву, относительное удлинение). Полученные результаты приведены в таблице 6.

Таблица 6-Механические свойства меди, алюминия и их сплавов в исходном литом состоянии и после нагружения в режиме СГП.

Повышение по сравнению с литым состоянием твердости и прочности у меди (на 100% и на 73% соответственно) приводит к значительному снижению пластичности (относительное удлинение уменьшается в 6 раз), что является характерным для сплавов, подвергнутых деформационной обработке, в нашем случае импульсному нагружению в режиме СГП. Менее значительный рост прочностных характеристик у чистого алюминия (на 10% и 20% соответственно) объясняется тем, что не произошло измельчение a-зерна (рисунок 3, б). Увеличение прочности алюминиевых сплавов (на 30-35%) в результате обработки связано с измельчением эвтектических составляющих, кремний-, железосодержащих фаз и более равномерном их распределением в структуре.

Для алюминия и сплава Al-12%Si с целью определения способности к деформации после импульсной обработки в зависимости от глубины проникания и внесенных изменений в структуру, дополнительно проводили испытания на сжатие (ГОСТ 25.503-97). Деформационная способность алюминия и сплава Al-12%Si оценивалась для различных глубин проникания частиц SiC по длине образцов. Результаты исследований приведены в таблице 7. Испытания не позволили определить предел прочности, поскольку образцы не разрушились. Однако данные измерений дают возможность получить значение относительной деформации и предела пропорциональности при сжатии.

Таблица 7-Механические свойства алюминия и сплава Al-12%Si после обработки в режиме СГП при сжатии

Материал образца	Расстояние от поверхности обра-ботки образца, мм	Нагрузка, Н	Предел пропорциональности, σ , МПа	Относительная деформация, ε, %
Алюминий А7		100 000	78,9
Алюминий А7		100 000	76,9
Сплав Al-12%Si		100 000	171,2
Сплав Al-12%Si		100 000	161,6

Из таблицы видно, что предел пропорциональности и относительная деформация для однофазного алюминия практически не зависят от глубины проникания из-за отсутствия существенных структурных изменений, вносимых частицами. Заметное изменение значений σ_с, ε для Al-12%Si (5-6%) можно объяснить измельчением эвтектики и более равномерным распределением кристаллов Si в структуре верхней части образца (рисунок 4, б).

Нанотех, 2004, эт.4

Определение физико-механических и химических свойств наноструктурированныхсплавов

Свойства определялись на образцах из сплава АК12 (ГОСТ 1583-93), подвергнутого импульсной обработке в режиме сверхглубокого проникания различными смесевыми составами рабочего вещества.

3 .1 Механические свойства

Механические свойства определялись на специально вырезанных образцах до и после импульсной обработки.

Определение предела прочности при растяжении и относительного удлинения сплава в исходном состоянии и после различных видов импульсной обработки выполняли на полуавтоматической разрывной машине для испытания материалов (2054) -Р-5 с механическим нагружением (Россия). Максимальная нагрузка составляет 150000 N, отсчет показаний производился по цифровой индикации. Предел допустимой погрешности ± 1%. Образцы на растяжение специальной формы по ГОСТ 1497-84 (диаметр рабочей части 6 мм, длина - 50 мм) вытачивались из верхней (наиболее нагруженной) части литых заготовок (3 штуки на точку).

Оценивалась также остаточная дефоромация литых заготовок из сплава АК12 под действием ударноволновых нагрузок с различными составами рабочего вещества. Начальная длина заготовки во всех экспериментах равнялась 150 мм.

Твердость по Бринеллю НВ (ГОСТ 9012-93) определяли на рычажном полуавтоматическом прессе ТШ-2, используя нагрузку 250 кгс и шарик диаметром 5 мм. На каждую точку производили не менее 3 уколов с измерением отпечатка в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Микротвердость измерялась на микротвердомере Micromet-2, фирма Buehler-Met, Швейцария, индентором Виккерса.

Маркировка, вид импульсной обработки, степень деформации полученных наноструктурированных алюминиевых сплавов приведены в таблице 2.

В результате динамического упрочнения верхняя часть заготовок сильно деформировалась или частично разрушилась. Наиболее сильное разрушение выявилось после обработки с наполнителем типа окись алюминия. Введение наноуглеродного материала незначительно снижает степень пластической деформации. Более значимое влияние оказывает природа наполнителя, например, свинец повышает способность материала к остаточной деформации.

Таблица 2- Степень пластической деформации алюминиевого сплава АК12 после импульсного нагружения

Структурные изменения в литейном сплаве АК12 приводят к изменению значений механических свойств – твердости, предела прочности, относительного удлинения.

Твердость изменялась, как для различных видов получаемых материалов, так и в зависимости от глубины обработки (рисунки 4-6). Для удобства рассмотрения в таблице 3 приведены зоны импульсного нагруженияв зависимости от расстояния до точки подрыва для всех случаев обработки.

Таблица 3 – Зоны импульсной обработки сплава АК12 в литых заготовках в зависимости от расстояния до точки подрыва

По сравнению с исходным литым образцом твердость НВ в упрочненных областях во всех случаях обработки частицами карбида кремния с использованием углеродных материалов возрастает (рисунок 4). Наиболее заметно (на 10-15%) в зонах 5-7, ближе расположенных к источнику взрывного нагружения.

Для глубин проникания до 100 мм видно, что введение углеродсодержащего материала в состав рабочего вещества снижает твердость (кривые 1, 2, 4), приводя к разрушению заготовок в наиболее нагружаемых зонах (7-8).

Введение в состав рабочего вещества наноуглеродных материалов (производства БТТУ, этап 2) способствует уменьшению абсолютных величин твердости обработанных материалов, независимо от вида наполнителя (рисунок 5).В обоих случаях твердость сплавов снижается (рисунок 8, кривые 1, 7), причем более сильно при обработке в смеси с SiC, но показатели выше, чем у литого сплава.

Использование различных наполнителей при введении углеродсодержащих материалов (графит, сажа) показывает, что окись алюминия вследствие большой твердости и прочности обеспечивает более высокую твердость (рисунок 6). Для карбида кремния наименьшие результаты достигаются при введении сажи (кривая 4). Наноуглеродный материал, очевидно из-за более высокой дисперсности и равномерного распределения, обеспечивает наилучшую стабильность значений твердости по длине заготовки (кривая 1). Глубина упрочненной зоны для всех видов обработки составляет 110-120 мм, сохраняя тенденцию к дальнейшему повышению твердости.

Изучение распределения микротвердости проводилось на примере сплава, подвергнутого импульсной обработке смесью «сажа +SiC». Твердость измерялась в продольном (pr) и поперечном (pp) направлениях на микрошлифах, приготовленных из образцов подверженных наибольшему нагружению (зона 7).

Как видно из таблицы 4, в исходном состоянии микротвердость сплава АК12 в среднем составляет независимо от направления Н₅₀ = 47,6-48,5 без видимых твердых новобразований. Импульсное нагружение приводит к общему повышению микротвердости основы на 10-15 единиц, причем в поперечном направлении (перпендикулярно направлению ударной волны и распространению частиц), твердость на 4 - 5 единиц выше, Н₅₀ =62,0.

В проплавленном поверхностном слое, образующем в торце заготовки стенки воронок (кратеров) микротвердость металлической матрицы и включений существенно различаются: Н_{включений} =134,1 , Н _{матрицы} = 48,7-58,0.

Таблица 4 – Изменение микротвердости по сечению алюминиевых образцов

В поверхностном слое микротвердость неоднородна, имеются участки с повышенной твердостью, что очевидно свидетельствует о наличии карбидов. Рекристаллизационный отжиг существенно снижает микротвердость основы сплава.

Предел прочности и относительное удлинение упрочненного сплава после импульсной обработки определялись на образцах, вырезанных из 4 - 6 зон в продольном направлении вблизи оси заготовок. Излом после разрушения исследовался на количество включений (дефектов) путем подсчета их количества в поперечном сечении шлифа.

Результаты определения максимальной нагрузки разрушения (Р _max), предела прочности (s_в), относительного удлинения (d) приведены в таблице 5.

Как видно из представленных данных значения относительного удлинения практически совпадают со значениями степени деформации (таблица 2) всей литой заготовки после различных видов импульсной обработки. Они существенно, более чем в 2,5 - 5,0 раз больше значений пластичности в исходном состоянии. Причем введение наноуглеродных материалов (строки 01, 06, 07, 08) повышает пластические свойства получаемых композиционных материалов. Наибольшее влияние оказывает введение сажи (позиции 04, 05), когда относительное удлинение достигает 4,8-5,0 %.

Таблица 5 –Механические свойства литейного сплава АК12 после импульсной обработки

Изменение значений предела прочности для обработанных материалов относительно исходного литого состояния не носит столь ярко выраженный характер. В основном s_в практически остается на том же уровне порядка – 9,0-10,0 кгс/мм². Исключение составляет динамическое упрочнение композицией «сажа + Al₂O₃», когда предел прочности возрастает на 20-30% и составляет ~ 13,0 кгс/мм². Образцы из заготовок обработанных смесью состава «графит + Al₂O₃» из-за значительного разрушения верхних частей для механическим испытаний не вытачивались.

Таблица № Зоны импульсной обработки алюминиевого сплава АК12 в режиме СГП в зависимости от расстояния до точки подрыва на литых образцах

Рис.1 Зависимость твердости сплава АК12 от глубины импульсной обработки различными модификациями углеродных материалов в смеси с частицами карбида кремния SiC

0 – исходный литой образец; 1 – наноуглеродный материал + карбид кремния: 2 – графит + карбид кремния: 3- графит +Al₂O₃, 4 – сажа + карбид кремния: 6 - карбид кремния

Рис.2 Зависимость твёрдости сплава АК12 от глубины импульсной обработки рабочим веществом с наноуглеродными материалами:

0 – исходный литой сплав; 1 – наноуглеродный материал + карбид кремния; 6 – карбид кремния; 7 – наноуглеродный материал + свинец; 8 – свинец

Дата добавления: 2014-07-10; просмотров: 391; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!