САМООРГАНИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫМИ ПРЕВРАЩЕНИЯМИ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Проведен анализ самоорганизации структур при интенсивных комплексных технологических воздействиях путем выделения параметров порядка при охлаждении материалов или разгрузке изделий с определением устойчивости режимов состояния термодинамической системы. Предложены пути интенсификации процессов структурообразования при обработке материалов и стабилизации структур, реализующие сочетание управляющих параметров давления и термических воздействий.

Ключевые слова:
структурные превращения, фазовые переходы, устойчивость термодинамической системы, термическая обработка, резание, пластическая деформация материала
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Введение

 

Для обеспечения эксплуатационных свойств изделий машиностроения необходимо, чтобы в результате термических, деформационных или других интенсивных воздействий в их материалах произошли необратимые изменения, обусловленные фазовыми переходами. Если материал после интенсивных воздействий находится в структурно - неравновесном состоянии, то обработка тоже необходима, хотя фазовые превращения в нем не происходят [1].

Изменения строения и свойств структур металлов и сплавов во времени определяются температурой, давлением и другими интенсивными факторами их образования [2]. Происходящие при обработке процессы описываются теорией термической обработки металлов, отражающей кинетику превращений при различных температурах, и влияющие на ее ход факторы [3].

Всестороннее давление до настоящего времени активно не применялось для управления структурообразованием в материалах [4]. Сдерживают применение обработки давлением для формирования структур в металлах и сплавах технологические сложности управления процессом и недостаточная ясность, насколько эффективно может быть использовано давление для получения особых свойств материалов [5].

Цель работы – представить с позиций единого формализма, основанного на комплексном синергетическом подходе, фазовые переходы и структурообразование при термических операциях, обработке давлением и термомеханических воздействиях для формирования теоретических основ технологических процессов образования структур и фаз в металлах и сплавах при использовании режимов кристаллизации с изменением давления.

 

Синергетическая концепция состояния термодинамической системы

 

Для определения доминирующих процессов структурообразования при интенсивных воздействиях, целесообразно применить синергетическую концепцию, использующую понятие моды непрерывной случайной величины контролируемого параметра [6].

Под модой понимают такое значение параметра, при котором плотность его распределения имеет максимум. Согласно синергетической концепции устойчивые моды подстраиваются под доминирующие неустойчивые моды и в результате могут быть исключены. Это приводит к резкому сокращению числа контролируемых параметров – степеней свободы термодинамической системы. Оставшиеся неустойчивые моды могут служить в качестве параметров порядка, определяющих процессы структурообразования [7].

Получившиеся в результате такого сокращения параметров уравнения состояния термодинамических систем, группируются в несколько универсальных классов следующего вида [6, 7]:

,

 

где U ‒ контролируемый параметр; t ‒ текущее время; G ‒ нелинейная функция U и возможно градиента U; D ‒ коэффициент, описывающий диффузию, когда его значение действительно, или описывающий распространение волн, при мнимом значении; F ‒ флуктуирующие силы, обусловленные взаимодействием с внешней средой и диссипацией внутри системы.

Уравнения такого вида схожи с уравнениями, описывающими фазовые переходы первого и второго рода. В соответствии с синергетической концепцией фазовые переходы происходят в результате самоорганизации, процесс которой описывается тремя степенями свободы, отвечающими параметру порядка (П), сопряженному (С) ему полю и управляющему (У) параметру [7].

Использовать единственную степень свободы – параметр порядка, возможно для описания только квазистатического фазового превращения. В системах, значительно удаленных от состояния термодинамического равновесия, каждая из указанных степеней свободы приобретает самостоятельное значение. В них процессы самоорганизации складываются в результате конкуренции положительной обратной связи параметра порядка с управляющим параметром и отрицательной обратной связи с сопряженным полем. В результате, кроме процесса релаксации к равновесному состоянию в течение времени tp при участии двух степеней свободы может реализовываться автоколебательный режим, а при участии трех – возможен переход в хаотическое состояние [6, 7].

Таким образом, состояние термодинамических систем при интенсивной обработке и эксплуатации характеризуется несколькими режимами [8, 9]:

1) запоминания – который определяется «замороженным» беспорядком при переходе из неупорядоченного состояния и реализуется, когда время релаксации параметра порядка окажется намного меньше остального  и ;

2) релаксационный – реализуется, когда время релаксации параметра порядка намного превосходит время релаксации остальных степеней свободы  и ;

3) автоколебательный – требует соизмеримости характерных времен изменения параметра порядка и управляющего параметра или сопряженного поля  или ;

4) стохастический – характеризуется странным аттрактором и возможен при соизмеримости времени всех трех степеней свободы .

Доминирующие процессы структурообразования определяются интенсивностью во времени переноса энергии и вещества в неравновесных термодинамических системах. Стабильность формирования структур обеспечивается управлением устойчивостью процессов интенсивной обработки и эксплуатации путем применения положительных и отрицательных обратных связей [9, 10].

Термическая обработка металлов

и поверхностные воздействия потоками энергии

 

Цель любого процесса термической обработки состоит в том, чтобы нагревом (или охлаждением при закалке холодом) до определенной температуры и последующим ее изменением обеспечить желаемое строение материала [1]. Режим термической обработки характеризуется следующими основными параметрами: температурой нагрева и временем выдержки при ней, скоростями нагрева и охлаждения материала [4].

Все виды термической обработки по А.А. Бочвару [2], разделены на четыре основные группы операций, которые, согласно синергетической концепции структурообразования, можно связать с режимами поведения термодинамической системы.

Режимы определяются временем релаксации tp: параметра порядка (П) при охлаждении, сопряженного (С) с ним параметра структурообразования и управляющего (У) термообработкой параметра – нагрева. Наличие двух степеней свободы определяет термический цикл, а трех – сопровождение цикла фазовыми переходами.

В результате реализуются группы операций термической обработки [2, 4]:

1)    закалканагрев выше температуры превращения с последующим быстрым охлаждением для получения структурно-неустойчивого состояния;

2)    отпуск нагрев закаленного материала ниже температуры превращения с последующим охлаждением для получения более устойчивого структурного состояния;

3)    отжиг первого роданагрев материала в неустойчивом состоянии после предшествовавшей обработки, с последующим медленным охлаждением, приводящий в более устойчивое структурное состояние;

4)    отжиг второго роданагрев выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения структурно-устойчивого состояния.

Группы операций термической обработки могут быть связаны с режимами равновесия термодинамической системы [8, 9]. Из шести возможных состояний равновесия управляемой двухпараметрической системы не наблюдается только самое стабильное – устойчивый узел (УУ) [9].

Закалке соответствует режим ‒ неустойчивый узел (НУ). Из этого, самого неустойчивого состояния, система через режим ‒ неустойчивый фокус (НФ) переходит в процессе отпуска или отжига первого рода к состояниям, характеризующимся режимами устойчивого фокуса (УФ) или предельного цикла (ПЦ). Фазовые превращения при отпуске второго рода после закалки переводят термодинамическую систему из состояния с режимом НУ в состояние, характеризующееся  режимом неустойчивое седло (НС).

Рассмотренные режимы равновесных состояний термодинамической системы НУ и НС особенно ярко наблюдаются при интенсивной обработке (рис. 1). Так, образование модифицированной структуры титанового сплава на максимальной площади при электронно-лучевой поверхностной обработке характеризуется режимом НУ, трансформирующимся в предельный цикл. Формирование поверхности раздела границы плавления описывается режимом НС. Движения от поверхности раздела в противоположных направлениях путем теплопроводности и конвекции тепловых потоков стабилизируют состояние различных фаз системы [8, 9].

Изменение режимов состояния системы можно наблюдать по зависимости микротвердости структур от глубины поверхностных воздействий (см. рис. 1), которые характеризуются физико-химическими превращениями в поверхностном слое титановых сплавов с хромоникелевыми покрытиями [9, 10]. К изменению приводят химические реакции по глубине поверхностного слоя, растворение в твердом состоянии элементов покрытия, образование фаз эвтектического состава, оплавление поверхности покрытия, подплавление основы с образованием переходной зоны, формирование диффузионной зоны при электронно-лучевых воздействиях [8, 10].

Пластическая деформация

и обработка металлов давлением

 

Фазовые превращения, используемые при термической обработке, обусловлены, прежде всего, изменением температуры, однако, варьируя другим термодинамическим фактором – давлением, можно получать структурные превращения, которые не проявляются при неизменном давлении [1, 4].

Виды обработки материалов давлением, аналогично видам термической обработки можно согласно синергетической концепции структурообразования разделить на четыре основные группы операций, связанные с режимами поведения термодинамической системы [9, 11].

Режимы обработки давлением также определяются временем tp: параметра порядка (П) при релаксации (снятии напряжений), сопряженного (С) с ним параметра структурообразования и управляющего (У) механической обработкой параметра – давления. Две степени свободы определяют циклическое упрочнение, а три – стохастический наклеп и разрушение.

В результате выделяются процессы обработки металлов давлением, соответствующие различным участкам обобщенной кривой «деформация ‒ напряжение» [11]:

1)    удар – локальное или всестороннее давление для формирования напряженного состояния и образования деформационных структур или разрушения;

2)    релаксация напряжений – отсутствие давления после предварительного нагружения, сопровождающееся снятием внутренних напряжений и формированием более равновесных структур;

3)    наклеп циклический – создание упрочняющих деформационных структур путем циклического формирования напряженного состояния в результате приложения и снятия нагрузки;

4)    наклеп стохастический – создание упрочняющих деформационных структур путем апериодического формирования напряженного состояния в результате стохастического нагружения.

Процессы обработки давлением, также как и термические связаны с режимами равновесия термодинамической системы [9]. Результаты исследований механической обработки материалов показали, что возможны два режима равновесных состояний: неустойчивый узел и неустойчивое седло [8, 9]. При режиме НУ динамические параметры рабочей зоны технологической системы удаляются от положения равновесия. Система совершает апериодические самовозбуждающиеся движения, которые переходят в устойчивые автоколебания предельного цикла. В режиме НС при малых отклонениях динамические параметры системы удаляются от положения равновесия и приближаются в заданных направлениях к стабильным состояниям (рис. 2).

Анализ образования структур поверхностного слоя в процессе механической обработки, при исследовании влияния устойчивости динамических характеристик на формирование параметров качества, показал возможность использования режимов НУ при черновой обработке и позволил рекомендовать режимы НС для чистовой обработки поверхности [8, 9].]

 

Заключение

 

Таким образом, с позиций единого формализма, основанного на комплексном синергетическом подходе, представлены фазовые переходы и структурообразование в металлах и сплавах при термических операциях и обработке давлением [12].

Установлено, что время релаксации параметров порядка для процессов охлаждения материалов и релаксации напряжений, сопряженных им процессов структурообразования, управляющих параметров нагрева и давления определяет режимы поведения термодинамической системы.

На основе выделения характерного времени релаксации параметров порядка для процессов охлаждения материалов и релаксации напряжений определены группы операций термической и механической обработки давлением, связанные со структурообразованием в материалах.

Показаны перспективы интенсификации процессов структурообразования при обработке материалов, реализующие целесообразное сочетание управляющих параметров и рациональные режимы нагрева и деформационных воздействий при комбинированной термомеханической обработке.

Список литературы

1. Арзамасов, Б.Н., Крашенинников, А.И., Пастухова, Ж.П., Рахштадт, А.Г. Научные основы материаловедения. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994. - 366 с.

2. Бочвар, А.А. Основы термической обработки сплавов. - М.-Л.: Машгиз, 1940. - 298 с.

3. Штейнберг, С.С. Термическая обработка стали. - М.: Машгиз, 1945. - 154 с.

4. Гуляев, А.П. Термическая обработка стали. - М.: Машиностроение, 1960. - 495 с.

5. Лысак, Л.И., Николин, Б.И. Физические основы термической обработки стали. - Киев: Техника, 1975. - 303 с.

6. Хакен, Г. Синергетика. - М.: Мир, 1980. -404 с.

7. Олемской, А.И., Коплык, И.В. Теория пространственно-временной эволюции неравновесной термодинамической системы // Успехи физических наук. - 1995. - Т.165. - № 10. - С.1105-1144.

8. Ящерицын, П.И., Аверченков, А.И., Хейфец, М.Л., Кухта, С.В. // Докл. НАН Беларуси. - 2001. - Т.45. - № 4. - С. 106-109.

9. Ящерицын, П.И., Хейфец, М.Л., Клименко, С.А., Васильев, А.С. // Докл. НАН Беларуси. - 2004. - Т.48. - № 4. - С.107-110.

10. Гордиенко, А.И., Кожуро, Л.М., Хейфец, М.Л., Кухта, С.В. // Докл. НАН Беларуси. - 2004. - Т.48. - № 4. - С.107-110.

11. Хейфец, М.Л. Проектирование процессов комбинированной обработки. - М.: Машиностроение, 2005. - 272 с.

12. Хейфец, М.Л. // Докл. НАН Беларуси. - 2014. - Т.58. - № 3. -С. 106-111.

Войти или Создать
* Забыли пароль?