Улучшение прочностных свойств порошковых сталей на основе прогнозирования их структурного состояния методом мультифрактальной параметризации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат технических наук Кудрин, Алексей Геннадьевич

• Кудрин, Алексей Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кудрин, Алексей Геннадьевич

Список сокращений.

Введение.

1. Современное состояние технологии порошковых сталей и потенциал использования в ее задачах методологии мультифрактальной параметризации.

1.1 Современное состояние технологии порошковых сталей

1.1.1 Спеченное порошковое железо.

1.1.2 Углеродистые порошковые стали.

1.1.3. Порошковые легированные конструкционные стали. ^

1.2 Применение порошковых сталей.^

1.3 Подходы к исследованию взаимосвязей между составом, структурой и свойствами порошковых сталей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение прочностных свойств порошковых сталей на основе прогнозирования их структурного состояния методом мультифрактальной параметризации»

Актуальность темы

Преимущества применения порошковых материалов — высокий коэффициент использования металла, экономия металлопроката, снижение трудоемкости изготовления изделий, безотходная технология — обеспечивают все более широкое распространение такого метода производства деталей. Промышленностью в настоящее время освоены процессы получения порошковых материалов, разнообразных по составу, свойствам и назначению. Среди них основное место занимают материалы на основе железа — порошковые стали.

Свойства порошковых сталей в первую очередь определяются структурой, которая зависит от химического состава материала и "предыстории" его изготовления. Под "предысторией" имеются в виду все звенья технологической цепи от получения частиц порошка до изготовления изделия прессованием, спеканием и последующих обработок.

Структура порошковых сталей состоит из металлических фаз, неметаллических включений (графита, оксидов, карбидов, сульфидов, нитридов) и пор. По сравнению с литыми сталями порошковые отличаются значительной загрязненностью неметаллическими включениями. Последнее связано с особенностью технологии, при которой изделие изготовляют, минуя плавление и рафинирующую обработку расплава с целыо удаления вредных примесей.

Широко распространенный способ получения порошковых сталей холодным прессованием и спеканием из смесей порошков железа, углерода и легирующих элементов приводит к значительной пористости и гетерогенности структуры порошковых изделий. Поры, их форма, размер и количество оказывают существенное влияние на процессы структурообразования. Ослабляя контакты структурных составляющих порошковых изделий и являясь концентратором напряжений, остаточная пористость снижает механические свойства сталей, особенно пластичность.

В настоящее время в промышленности находят применение порошковые стали, представляющие собой многокомпонентные системы, содержащие большое количество легирующих элементов. Структурообразование таких систем находится в сложной зависимости от значительного количества параметров технологического процесса, включая все его стадии, термической и химико-термической обработки. Отклонение какого-либо технологического фактора от его оптимального значения проявляется в формировании дефектных, аномальных структур и характеризуется повышенной загрязненностью неметаллическими включениями, выделением карбидных и интерметаллидных фаз по границам зерен, ростом зерна, структурной гетерогенностью. Очевидно, что изучение данных процессов требует перехода от качественной металлографии к точным количественным методам описания структуры порошковых сталей.

Характерной тенденцией на современном этапе является переход от интуитивно-эмпирического подхода к научно-обоснованным методам конструирования материалов и изготовления их них наукоемкой продукции машиностроения. На первый план выдвигается задача целенаправленного синтеза материалов, управление их структурой и свойствами на основе широкого использования фундаментальных научных знаний. [94] Одним из новых подходов к решению этих задач является методика мультифрактальной параметризации изображений микроструктуры порошковых сталей.

Мультифрактальная информация является мерой нарушения симметрии по отношению к некоторому семейству преобразований, называемых мультифрактальными. Мультифрактальная параметризация - это формальная процедура, приписывающая мере исследуемого объекта пару плоских кривых -т.н. /(^-спектр и размерности Реньи (множество размерностей). Параметры этих кривых можно вычислять аналитически или численно, и затем использовать для количественной параметризации. Информационное обоснование показывает, что с математической точки зрения мультифрактальная параметризация, с одной стороны, является частным решением принципа Джейнса, с другой стороны, может трактоваться как результат исследования некоторой меры мультифрактальной информации. Эта трактовка, по-видимому, является полезной, поскольку она1 выявляет функциональные особенности некоторых формальных параметров и даже их физический смысл, что можно использовать для анализа реальных процессов, даже недоступных для непосредственного наблюдения. Методология прикладного мультифрактального анализа позволяет непосредственно выявлять и описывать нарушение специфической формы симметрии - фрактальной симметрии (Ф-симметрии), в структурах многих материалов.

Успешное использование возможностей МФ-параметризации при совершенствовании материалов и технологических процессов позволяет выдвинуть идею использования методики применительно к сплавам на основе железа.

Одной из важнейших в этом направлении является задача повышения прочностных характеристик сталей, в том числе порошковых. Для ее решения необходимо установление корреляции между механическими характеристиками и мультифрактальными параметрами микроструктуры порошковых сплавов и определение оптимального состава легирующих элементов с использованием мультифрактальных диаграмм: упорядоченность-однородность.

Данная задача на сегодняшний день является актуальной для машиностроения. Имеет место, в частности, реальная производственная проблема - оптимизация состава порошкового сплава ПКН2Д2М, который используется в машиностроении, в частности, для изготовления уплотняющих изделий.

Предполагается, что повышение прочностных характеристик может быть достигнуто путем изменения концентрации составляющих сплава. Иначе говоря, задача упрочнения материала сводится к нахождению оптимальной комбинации легирующих элементов.

Традиционным подходом к решению задач этого класса является многофакторный эксперимент, где в качестве управляющих параметров используются концентрации легирующих элементов, а отклик системы соответствует одной из прочностных характеристик. При этом задача оптимизации сводится к нахождению экстремума целевой функции отклика. Использование такого подхода, однако, приводит к необходимости проведения большого числа дорогостоящих и трудоемких испытаний, причем повышение точности эксперимента связано с резким увеличением необходимого количества опытов [79].

В связи с вышеизложенным, при улучшении прочностных свойств порошковых сплавов актуально использование мультифрактальной параметризации. Являясь экономичным и точным средством анализа строения материалов, МФ-параметризация хорошо зарекомендовала себя при выявлении закономерностей формирования микроструктуры металлов и оптимизации технологических процессов. Использование возможностей МФ-параметризации, при условии соответствующей адаптации и выявления необходимых взаимосвязей, может повысить эффективность улучшения свойств порошковых сплавов для изготовления изделий машиностроения.

Целью диссертационной работы является улучшение прочностных свойств порошковых сталей на основе прогнозирования их структурного состояния методом мультифрактальной параметризации.

Для достижения поставленной цели в процессе работы решались следующие задачи:

1. Анализ влияния условий получения изображения микроструктуры сталей (увеличение, тип травителя и плоскость шлифования) на мультифрактальные параметры; определение условий получения изображений микроструктуры, исключающих искажение мультифрактальных параметров.

2. Установление взаимосвязей между пределом прочности ов углеродистых порошковых сталей и мультифрактальными параметрами их микроструктуры с целью создания метода косвенного определения механических свойств.

3. Установление для легированных порошковых сталей взаимосвязей между мультифрактальными параметрами их микроструктуры и пределом прочности <тсж, твердостью НВ, а также концентрацией легирующих элементов.

4. Изучение возможностей оптимизации состава легированной порошковой стали с использованием метода мультифрактальной параметризации для разработки методики улучшения механических свойств изделий из легированных порошковых сплавов.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что в диссертации впервые:

- установлены взаимосвязи между механическими свойствами порошковых сталей и мультифрактальными параметрами их микроструктуры, что позволяет производить косвенную оценку прочностных характеристик;

-установлены зависимости, связывающие мультифрактальные параметры микроструктуры порошковых сталей с содержаниями в них углерода и легирующих элементов. Полученные соотношения могут быть использованы для ускоренной оценки состава порошковых сталей посредством программного анализа изображений микроструктуры;

-установлены взаимосвязи между условиями получения изображения микроструктуры (увеличение, тип травителя, плоскость шлифования) и результатами мультифрактальной параметризации, использование которых позволяет свести к минимуму искажения мультифрактальных параметров микроструктуры порошковых сталей, связанные с условиями получения изображений;

-разработана методика улучшения свойств медьникелевых порошковых сталей путем использования мультифрактальной диаграммы: упорядоченность - однородность.

Практическая ценность состоит в том, что найденные закономерности обеспечивают возможность проводить оценку механических свойств порошковых сталей неразрушающим способом без вырезки образца из изделия, исключая потенциальную вероятность снижения безопасности его эксплуатации.

Предлагаемый подход к определению оптимальной концентрации легирующих элементов в сочетании с традиционной методикой, основанной на многофакторном эксперименте, упрощает и ускоряет оптимизацию состава сталей, а также повышает ее точность.

Полученные в работе результаты внедрены и используются на промышленных предприятиях: ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение», ОАО «Казанькомпрессормаш».

Достоверность и обоснованность полученных результатов работы подтверждается применением комплекса стандартных методов определения механических свойств материалов, большого числа испытанных образцов, согласованностью данных модельных и реальных образцов, использованием стандартных поверенных средств измерений, а также статистической обработкой полученных данных.

Личный вклад соискателя состоит в использовании методологии МФ-параметризации в области металлургии порошковых сталей, в проведении исследований, обработке данных, обобщении и анализе результатов.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Кудрин, Алексей Геннадьевич

выводы

1. Исследовано влияние условий получения изображения микроструктуры (увеличение, тип травителя, плоскость шлифования) на мультиф-рактальные параметры (Aq, fq). Выявлены условия получения изображений, исключающие искажения МФ-параметров.

2. С учетом обнаруженных закономерностей искажения мультифракталь-ных характеристик (Aq, fq) предложены условия получения изображений, ис-кшочающие искажение параметров.

3. Установлены взаимосвязи между пределом прочности стп порошковых сталей ПК10 - ПК40 и параметром упорядоченности Aq их микроструктуры. Предложен метод косвенной оценки механических свойств, снижающий затраты по сравнению с механическими испытаниями.

4. Исследовано влияние плотности (пористости) углеродистых порошковых сплавов на достоверность аппроксимации мультифрактальных зависимостей прямыми и кривыми второго порядка. Полученные данные позволяют учитывать искажения МФ-параметров, вносимые порами.

5. Установлена взаимосвязь содержания в порошковых сплавах ПК10-ПК40 углерода (С) и параметра однородности fq, что позволяет производить оценку состава порошковых сталей методом МФ-параметризации.

6. Для легированных порошковых сталей установлены взаимосвязи между параметрами упорядоченности Д40, Адо, Дюо и прочностью асж, упорядоченности Ано и твердостью НВ, a также между характеристиками однородности fiéo и f2oo и концентрациями легирующих элементов. Предложен метод косвенной оценки механических свойств, позволяющий снизить затраты по сравнению с механическими испытаниями.

7. Проведено улучшение прочностных свойств медьникелевых порошковых сплавов с использованием фрактальных (периодических) свойств диаграммы: упорядоченность-однородность. Использование возможностей мультифрактальной параметризации обеспечивает повышение механических характеристиках до 8-10% и позволяет значительно (до 40%) снизить затраты на оптимизацию за счет снижения количества экспериментальных исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кудрин, Алексей Геннадьевич, 2010 год

1. Авдеева Л.Г. Определение мультифрактальных характеристик стали 20Х23Н18 до и после эксплуатации / Л.Г. Авдеева, А.Г. Чиркова // 53-я конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. — Уфа, 2002.-С.8.

2. Анваров А. Д. Влияние параметров получения цифрового изображения структуры металла на результаты его мультифракгального анализа / А.Д. Анваров, A.C. Маминов, В.А. Булкин, Г.В. Встовский // Материаловедение 2006. - №7. - С. 10-16.

3. Английский патент № 778398, 03.07.57

4. Английский патент №824124,25.11.59

5. Английский патент №870117, 14.06.61

6. Английский патент №871293, 28.06.61

7. Андриевский P.A. Пористые металлокерамические материалы. М.: Металлургия, 1964. - 186с.

8. Барахтин Б.К. Геометрические модели бейнито-мартенситных фаз по данным мультифракгального анализа изображений структур сталей / Б.К.Барахтин, Р.Г.Зворыгин // Вестник СамГТУ Серия "Физико-математические науки" №27, -2004.

9. Бледнова Ж.М. Получение покрытий с эффектом запоминания формы на поверхности сталей аргонодуговой наплавкой / Ж.М. Бледнова, Д.Г. Будревич, H.A. Махутов, М.И. Чаевский //Металловедение и термическая обработка металлов. 2003. - №11 - С. 24-27.

10. B.C. Коваленко. Металлографические реактивы. Справочник // М.: Металлургия. - 1981. - 175с.

11. Виликави А. Ю., Пугина JI. И., Мозберг Р. К. Влияние реальных условий спекания на структуру и некоторые свойства железографита//Порошковая металлургия. — 1971. — № 12. —С. 39— 43.

12. Встовский Г.В. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов / Г.В. Встовский, А.Г. Колмаков, И.Ж. Бунин // Ижевск: Научно-издательский центр "Регулярная и хаотическая динамика". 2001. - 116 с.

13. Встовский Г.В. Влияние гравитационного поля на мультифрактальные характеристики микроструктур двойных металлических систем. / Г.В. Встовский, А.Г. Колмаков, В.Н. Пименов, С.А. Масляев, Е.В. Демина

14. Всероссийская научная конференция "Байкальские чтения по математическому моделированию процессов в синергетических системах". Улан-Удэ, 1999.

15. Встовский Г.В. Описание эволюции структуры поверхности металла при механической обработке с использованием мультифрактального анализа / Г.В. Встовский, А.Г. Колмаков, В.Ф. Терентьев // Материаловедение, 1998, №2, С. 19-24.

16. Вязников Н. Ф. Металлокерамические детали в машиностроении. — Л.: Машиностроение, 1975. — 232 с.

17. Вязников Н. Ф., Ермаков С. С. Металлокерамические материалы и изделия. Л.: Машиностроение, 1967. -224 с.

18. Габриелов. И. Л., Дорошкевич Е. А. Порошковая металлургия. Рига: ЛАИНИТИ, 1976, —200 с.

19. Геров В.В. Влияние топографической структуры поверхности на механические свойства мартенситно-стареющей стали 00Н16К4М4Т2Ю / В.В. Геров, А.Г. Колмаков, В.Ф. Терентьев // Вопросы материаловедения, 2002, №1 (29), с.378-383.

20. Герцрикен С. Д., Дехтяр И. Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе.-— М.: Физматгиз, 1969. — 366 с.

21. Глейтер Г., Чалмерс Б. Большеугловые границы зерен.—М.: Мир, 1975. —375 с.

22. Глухов В.В., Некрасова Т.П. Экономика производства деталей из порошков. — Л.: Машиностроение. Ленинград, отд-ние, 1990. — 144 с: ил.

23. Гордиенко Л. К. Субструктурное упрочнение металлов и сплавов. — М-: Наука, 1973. 223 с.

24. Горчаков А. В. Диффузионное хромирование и азотирование металло-керамических изделий.—М.: НИИавтопром, 1957. — 275 с.

25. Горчаков А. В. Диффузионное хромирование и азотирование металло-кеоамических изделий. — М.: НИИавтопром, 1957. — 275 с.29.