Исследование взаимосвязи структурных хахактеристик

Широкое применение на практике композиционных материалов и их использование в различных конструкциях редъявляют к ним высокие требования по надежности. Недостатки существующих методов заставляют искать принципиально новые методы контроля структурных и механических характеристик конструкционных материалов. К наиболее перспективным физическим явлениям, пригодным для решения этих задач к следует отнести и явление механоэлектрических
преобразований.
Суть явления заключается в преобразовании энергии механического возбуждения в энергию электромагнитного поля на структурных неоднородностях и дефектах в композиционных диэлектрических материалах.
Проведенными ранее исследованиями показано, что характеристики
электромагнитного отклика на упругое ударное зозбуждение зависят от структурных и механических характеристик материала. Однако полученные результаты носят предварительный характер, поэтому существует необходимость в системных исследованиях влияния структурных и электрофизических характеристик
компонентов, составляющих композиционный материал на характеристики
механоэлектрических преобразований.
В зависимости от соотношения волновых сопротивлений компонентов, слагающих композиционную систему, меняется характер прохождения акустических волн через этот композит. Согласно теории отражения волн при прохождении через границу двух сред коэффициент отражения определяется волновым сопротивлением этих сред. В зависимости от соотношения волновых сопротивлений компонентов, составляющих композиционную систему, изменяется

характер затухания акустической волны в этих материалах и эффективность формирования стоячих волн, как в рамках образца в целом, так и между границами компонентов. По нашим представлениям механизм механоэлектрических преобразований в композиционных материалах связан с возбуждением акустическими волнами двойных электрических слоев на границах компонентов, составляющих композиционную систему, а это значит что изменение характера формирования волн и их эффективности должны привести к изменению параметров электромагнитного отклика в материалах.
Существующие акустические методы не позволяют определения структурные характеристики композиционных систем, состоящих из материалов с близкими значениями волновых акустических сопротивлений. Поэтому, в рамках данных исследований сделана попытка оценки структурных особенностей в композитах с близкими значениями волновых сопротивлений, используя явление механоэлектрических преобразований.
Для решения этой задачи были изготовлены физические модели слоистых композиционных материалов, состоящих из цемента и алебастра, волновые акустические сопротивления которых различаются приблизительно в 1,3-1,4 раза. Было изготовлено несколько двухслойных композитов с различной толщиной слоев.
Для механического возбуждения использовался стальной шарик массой 5г, падающий с фиксированной высоты в центр образца, и имеющий нормированную силу удара. В качестве приемника электрической составляющей электромагнитного поля, возникающего при импульсном механическом возбуждении материалов использовали емкостной датчик, который располагали на
поверхности, большую глубину азотированного существенно повысить механические и лоя и более плавный характер распределения эксплуатационные характеристики материала, микротвердости по глубине слоя, что может
расстоянии 2мм от нижней поверхности образца. Переменный электрический сигнал с емкостного датчика регистрировался с помощью осциллографа PSC-500, совмещенного с ЭВМ. Для исключения влияния внешних помех используется дифференциальная система регистрации электромагнитного отклика на механическое возбуждение. Принцип действия прибора основан на усилении и последующей оцифровке разностного сигнала регистрируемого двумя расположенными в одной плоскости лепестками емкостного электрического дифференциального датчика, один из которых используется в качестве измерительного, а другой, пространственно и акустически развязанный с первым для исключения влияния внешних электрических помех. В процессе измерения регистрировалась также длительность ударного возбуждения, для чего удар производился заземленным шариком по тонкой металлической подложке, накатанной на верхнюю поверхность образца, на которую подавался небольшой потенциал от источника напряжения, а в цепь подачи этого потенциала был включен второй канал осциллографа. Таким образам, в момент касания заземленного ударника с заряженной подложкой регистрировалось падение напряжения до нуля, которое сохранялось до момента начала отлета ударного элемента, что отображалось на экране осциллографа в форме полочки.
Образцы имели форму параллелепипедов размером (x5x) см, малой плоскостью образец обращен к измерительному электроду, а ударное возбуждение производится вдоль большой плоскости. Слои располагались перпендикулярно большей плоскости, чтобы обеспечить наилучшие условия для регистрации электромагнитного отклика из зоны адгезионного контакта, так как в этом случае плоскость двойного электрического слоя, расположенного на границе слоев, параллельна приемному датчику.
При исследовании двухслойных композитов было проведено измерение электрического отклика при ударном возбуждении в двух различных схемах когда удар производился по цементу и по алебастру. Из-за различия упругих характеристик цемента и алебастра длительность удара, а, следовательно, и спектр механического возбуждения отличается. В результате чего и спектр электромагнитного отклика имеет различия для одного и того же образца, заключающееся в том, что при уменьшении длительности ударного возбуждения в спектре электрического отклика появляются более
высокочастотные составляющие, в то время как основной максимум сохраняется.

Спектры электрических сигналов и механического возбуждения, образца, состоящего из равных по толщине слоев цемента и алебастра,
зарегистрированные при ударном возбуждении а) - по алебастру, б)- по цементу.
Чтобы исключить влияние характеристик возбуждения, сравним спектральные характеристики электромагнитных откликов из образцов, имеющих различную толщину слоев, когда ударное возбуждение производится по слою из цемента.
Спектральные характеристики электрических откликов из двухслойных цементно-алебастровых образцов, толщина слоев в которых 1-цемент 50мм и алебастр 50мм, 2 - цемент 30мм и алебастр 70мм.
Из видно, что спектры откликов в различных по структуре материалах отличаются значительно, в частности, меняется соотношения основных, и дополнительных максимумов и их добротность.
В результате проведенных исследований установлено, что электрический отклик на импульсное механическое возбуждение является структурно-чувствительной характеристикой композиционных материалов.

Для поведения механических свойств строительной арматуры применяется метод прерванной закалки в потоке прокатного стана. Это позволяет заменять стали типа 25ГС2 и 35ГСна сталь маркиСтЗпс и значительно экономить легирующие элементы. В линии термического упрочнения (ЛТУ), схематично показанной на 1, расстояние от клети до первой секции составляло 3 м, между секциями - 0,5 м, длина двух- и трехкамерных секций -соответственно б м (камеры по 3 м) и 8 м (камеры 2, 2 и 4 м). Секции расположены в ряд без разрывов.
Схема установки термического упрочнения в линии стана 250-1 и — левая и правая стороны стана; 1 — чистовая клеть; 2 — охлажда-ющие секции ; 3 — ножницы стоп-старт; 4 — холодильник
В настоящей работе прослежены изменения механических свойств, структуры и профиля микротвердости арматуры из стали СтЗпс диаметром 12-25 мм при термоупрочнении по режимам 1.
Проведенные исследования выявили широкие возмож-ности регулирования структурного состояния стали по се-чениЮ стержней в процессе термического упрочнения пу-тем изменения числа и последовательности включения охлаждающих секций.

Анализ полученных при этом механических свойств показывает, что они полностью соответствуют требованиям ТХ14-1-5254-94 для класса прочностиА500С.
Механические свойства арматуры стали марки СтЗпс
Профиль    Механические свойства            
Требования ТУ 14-1-5254-94 для класса А500С    520    620    14    Изменение механических характеристик арматурного стержня в зависимости от расстояния до поверхности прутка анализировали путем определения микротвердости (нагрузка на индентор составляла 1Н). Полученные результаты выявили подобие профилей микротвердости для стержней всех трех диаметров. А именно, по мере удаления от поверхности стержня величина микротвердости изменяется квазипериодическим образом. Это позволило выделить пять характерных слоев, далее называемых поверхностным, первым, вторым и третьим переходными и центральным.

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЗОНЫ СПЛАВЛЕНИЯ АЗОТСОДЕРЖАЩЕГО ПОКРЫТИЯ С ПОДЛОЖКОЙ ИЗ СТАЛ И. 3 ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ
НАПЛАВКЕ
Эксплуатационные свойства металлов с покрытиями, нанесенными различными способами, часто определяются строением переходной зоны от покрытия в подложку. Особую важность этот вопрос приобретает при сварке или наплавке сталей, относящихся к разным структурным классам, поскольку при этом в зоне сплавления образуется промежуточный слой сопрягающихся между собой деформированных решеток аустенита и феррита. Авторы исследовали структуру и фазовый состав покрытия на основе стали Х20АГ20, полученного электронно-лучевой наплавкой, однако зона сплавления при этом практически не исследовалась. Задача изучения зоны
сплавления представляется тем более актуальной, что именно она определяет адгезионные свойства покрытия и, следовательно, работоспособность изделия в целом.
В работе исследовали покрытие на основе стали Х20АГ20, наплавленное в несколько проходов до получения слоя в 6 мм на подложку из стали 3, размерами 12020 мм и толщиной 3 мм на установке ЭЛУ-5. Наплавленный слой формировался путем подачи порошка дисперсностью 100-300 мкм через дозатор в жидкометаллическую ванну, сформированную электронным пучком. Технологические параметры процесса наплавки азотосодержащих порошков

Максимальных значений величина микротвердости достигает в приповерхностном слое арматуры. Далее, в первом переходном слое, наблюдается существенное снижение прочностных характеристик материала. Во втором переходном слое значение микротвердости вновь возрастает и затем плавно снижается по мере приближения к центру образца. Центральная область стержня характеризуется практически постоянным значением величины микротвердости.
Очевидно, что выявленные изменения профиля микротвердости связаны с квазипериодическим изменением структурно-фазового состояния арматурного стержня, которое, в свою очередь, задается режимом термического упрочнения. 3 Характеристики профиля микротвердости стали марки СтЗпс, термоупрочненной путем прерванного охлаждения с горячего проката
Проведенные исследования выявили широкие возмож-ет ности регулирования структурного состояния стали по се-чению стержней в процессе термического упрочнения пу-тем изменения числа и последовательности включения охлаждающих секцийлОптимальные технологические ва-рйштПГДбстйгнутый уровень свойств арматуры приве-дены в. Из представленных данных видно, что режимы 1 и 2, предусматривающие глубокое охлаждение в секции С1, приводят к сильному упрочнению поверхно-стного слоя и получению пластических свойств на ниж-нем нормируемом уровне. Режим 3 трехступенчатого ох-лаждения с двумя промежуточными отогревами обеспечи-вает получение требуемого уровня механических свойств, однако значительное упрочнение (согласно требованиям технических условий ав 1225 МПа) ухудшает коррози-онную стойкость арматуры.
Таким образом, требуемый уровень прочностных свойств в значительной степени достигаетсям в результате многоступенчатого охлаждения в линии прокатного стана 250 по режиму прерванной закалки. При такой обработке в сечении стержней формируется многослойный структурный композит, обеспечивающий получение требуемого комплекса механических средств, в том числе, высокую стойкость к разупрочнению при электронагреве.
одбирались опытным путем так, чтобы тегирующий порошок максимально хорошо усваивался в жидкометаллической ванне, а окрытие было плотным и не содержало пор. Ток электронного пучка изменялся в пределах 3.02 - 0,04 А, при скорости его перемещения 2 ммсек, мощность пучка с учетом эффективного к.п.д. электронно-лучевого нагрева, равного 804, при первом проходе составляла 450 Вт, при втором 600, при третьем и т.д. - 900 Вт. Структуру покрытия исследовали на металлографическом микроскопе МИМ-9, газовый состав и распределение макронапряжений в покрытии по глубине и в зоне сплавления определяли на лифрактометре ДРОН-4М по методике при еремещении образца относительно эентгеновского излучения, контролируя его положение по специальной метке на объектодержателе. Распределение
микротвердости и модуля нормальной,пругости Е по глубине от покрытия в подложку определяли на приборе NANO-HARDNES TESTER при нагрузке 5 г.

Распределение микротвердости в зоне сплавления покрытия на основе высокоазотистой стали с подложкой из стали 3, (середине зоны сплавления соответствует 0 по шкале s).
Видно, что зона сплавления имеет ширину 0,5-0,6 мм, и ее структура химическим травлением не выявляется. При исследовании фазового состава этой зоны было установлено, что аустенит имеет максимальный, в сравнении с другими слоями покрытия, параметр решетки а3,623±0,003Е. Авторы показали, что при электронно-лучевой сварке
среднеуглеродистой легированной стали 38 ХНЗМФА электродами из аустенитной стали в зоне сплавления образуются узкие мартенситные прослойки, шириной 5-10 мкм, которые могут провоцировать появление технологических трещин. В нашем случае мы не наблюдаем мартенситной структуры в зоне сплавления, однако, на распределении микротвердости 2 выявляется область с повенными значениями HV, резко отличающимися от микротвердости аустенитной структуры покрытия и ферритной структуры подложки. Увеличение полуширин дифракционных максимумов б-Fe зоны сплавления, по сравнению с соответствующими рефлексами в подложке на 7, свидетельствует о перераспределении таких легирующих элементов как С г, Мп из наплавочного порошка в подложку и ее твердорастворном упрочнении. Азот и углерод в ОЦК решетке железа имеют очень малую растворимость, а карбидов и нитридов мы не обнаружили ни металлографическим ни рентгенофазовым анализами. Следовательно в процессе электронно-лучевой наплавки в зоне сплавления образуется узкая прослойка легированного феррита с повенными микротвердостью и упругими свойствами. Максимумы модуля нормальной упругости и микротвердости не совпадают, Максимальное значение Е оказалось смещенным на 7 мкм в сторону подложки, по сравнению с максимумом микротвердости. Можно предположить, что дополнительной причиной повения микротвердости и модуля упругости в узкой прослойке зоны сплавления может быть формирование структуры с высокой плотностью дислокаций, которые обеспечивают сопряжение разных кристаллических структур покрытия и подложки. Подобная структурная нестабильность нежелательна, так как может привести к отслоению наплавляемого покрытия. Для определения распределения остаточных макронапряжений в покрытии и зоне сплавления его с подложкой было проведено рентгенографическое
Международная научно-практическая конференция СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИ исследование, 4.
Распределение модуля нормальной упругости в зоне сплавления покрытия на основе высокоазотистой стали с подложкой из стали 3, (середине зоны сплавления соответствует О по шкале s).
Распределение макронапряжений в зоне сплавления покрытия на основе высокоазотистой стали с подложкой из стали 3.
Из следует, что максимальные растягивающие остаточные макронапряжения формируются на поверхности многослойного
покрытия, а не в зоне сплавления. Действительно, разрушения покрытия в зоне сплавления, вызванного действием остаточных напряжений, мы не наблюдали. Наиболее распространенным является растрескивание покрытия в направлении, перпендикулярном плоскости подложки, где в локальных местах уровень остаточных напряжений превает предел прочности материала покрытия.
Таким образом, при электронно-лучевой наплавке азотсодержащего покрытия с аустенитной структурой на подложку из стали 3 формируется зона сплавления, шириной 0,5-0,6 мм, содержащая узкую диффузионную прослойку с повенными микротвердостью и упругими свойствами. Структурные особенности (отсутствие сегрегации карбидов и нитридов) и низкий уровень макронапряжений в зоне сплавления свидетельствуют о перспективности применения такого состава покрытий в качестстве высокопрочной матрицы для новых композиционных материалов.

Подробнее securityrussia.com