Физика /
←предыдущая следующая→
1 2 3
ВВЕДЕНИЕ.
Научный анализ проблемы повышения надежности и долговеч¬ности машин показывает, что в настоящее время крайне нежелатель¬но решать вопросы увеличения срока службы путем применения для изготовления деталей дорогих высоколегированных материалов.
Основной путь обеспечения повышенных свойств деталей - со¬здание материалов, которые способны противостоять эксплуатаци¬онному воздействию при минимальных износах или изменениях пара¬метров, которые влияют на функциональное назначение деталей.
Долгое время для изготовления деталей применялись легирую¬щие добавки. В последнее время развивается технология изготов¬ления деталей с покрытиями. Покрытия позволяют увеличить срок службы изделий, позволяют заменить дорогие и дефинитные матери¬алы более простыми и доступными, без снижения их эксплуатацион¬ных свойств.
Методы и материалы порошковой металлургии приобретают все большее значение в развитии научно-технического прогресса в промышленно развитых странах. Они проникают во все отрасли народ¬ного хозяйства и во все большей мере помогают решать сложнейшие проблемы развития новой техники.
Новые материалы, создаваемые методами порошковой металлур¬гии, являются в ряде случаев основой коренного улучшения суще¬ствующих и создания новых технологических процессов в машиностро¬ении, металлургии, химической и других отраслях промышленности.
Основными методами получения покрытий из порошковых мате¬риалов являются: наплавка, газотермическое напыление, а также припекание.
Получение спеченного слоя на поверхности детали, прочно присоединенного к основе, называется припеканием.
Важнейшей технологической операцией в порошковой металлур¬гии, которая определяет структуру и свойства порошковых матери¬алов, является спекание. Прогресс в области создания научных основ и технологии спекания определяет уровень эксплуатацион¬ных свойств ряда огнеупорных, жаропрочных, конструкционных и других материалов, которые играют важную роль в развитии на¬учно-технического прогресса в целом.
Наука о спекании развивается по таким основным напрвлениям: активизация процесса введением специальных малых добавок металлов и соединений, спекание под давлением, спекание с по¬мощью электронагрева и электроразрядное.
Основными видами порошковых материалов и изделий массового производства являются конструкционные, антифрикционные, высоко¬пористые. Но появляются и самостоятельные научные и технологи¬ческие направления создания новых материалов, таких как инстру¬ментальные, аморфные, материалы с ультрадисперсной структурой и др.
Открытие аморфных металлических сплавов - одно из самых значительных событий в материаловедении нашего столетия. Метал¬лические сплавы в стеклообразном состоянии обладают рядом уникальных свойств, которые не могут быть обеспечены металлами в кристаллическом состоянии: высокой прочностью и твердостью в сочетании с удовлетворительной пластичностью, высокой коррози¬онной и радиационной стойкостью и рядом других свойств.
Чтобы на поверхности детали получить прочный слой, кото¬рый имел бы хорошее сцепление с основой, необходимо активиро¬вание поверхности детали, порошка или того и другого вместе. Технологически наиболее доступным и эффективным следует считать следующие процессы активирования:
1) Химическое - введение специальных добавок, которые уменьшают окисление и разрушают окисные пленки;
2) температурное - ускоренный нагрев, введение присадок, которые снижают температуру плавления на контактах;
3) силовое - необходимое для получения надежного контактирования и ускорения процесса спекания по¬рошка .
При химическом активировании в шихту вводятся активные при¬садки, в основном в виде дисперсного порошка, чтобы небольшое по объему и весу количество его наиболее равномерно распредели¬лось во всей порошковой системе. В качестве присадок часто ис¬пользуют бор, фосфор, никель и др.
Силовое активирование необходимо во всех случаях, так как без надлежащего контакта частиц друг с другом и с поверхностью детали отсутствуют условия припекания, потому что нагрев раз¬розненных или находящихся в недостаточно тесном контакте час¬тиц не обеспечивает получение спеченной системы. Силовое ак¬тивирование в значительной степени ускоряет диффузионные про¬цессы и наряду с температурным фактором является главным для получения необходимых физико-механических характеристик слоев.
Температурное активирование заключается в ускоренном на¬греве, который сопровождается повышением активности диффузион¬ных процессов, в создании на некоторое время локальных темпе¬ратур, повышающих температуру плавления и в снижении температуры появления жидкой фазы (прослойки).
Теоретическим подходом при анализе путей образования по¬крытий из порошков явилось использование методов термодинами¬ки необратимых процессов и физической кинетики.
Кинетика уплотнения припекаемых покрытий изучена в рабо¬тах [3-7].
Для теоретического анализа проблемы уплотнения припекае¬мых покрытий в условиях постоянной и переменной температур спе¬кания порошка важно располагать наиболее хорошо согласующуюся с опытом моделью процессов.
Такая модель была предложена в работах [3,6,8]. Она использует идеи теории вязкого течения компактного материала порошкового слоя, разработанную в [5], но в отличие от этих работ предполагается учет структурной перестройки припекаемого порошка.
Модель хорошо зарекомендовала себя при анализе изотерми¬ческих процессов спекания. Однако в рамках этой модели было недостаточно учтено влияние температуры. Не был детально изу¬чен и процесс уплотнения слоя при нагреве его с некоторой ско¬ростью с учетом структурной перестройки среды.
Исходя из всего этого, в работе поставлена следующая за¬дача: провести исследование кинетики уплотнения припекаемых покрытий в условиях нагрева с постоянной скоростью с учетом структурной перестройки материала порошка.
Для проведения конкретных расчетов использована трехпараметрическая модель вязкой пористой среды.
ГЛАВА I. ТЕОРИЯ ПРИПЕКАНИЯ ПОРОШКОВЫХ СЛОЕВ В ДВУХПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЯЗКОЙ ПОРИСТОЙ СРЕДЫ.
§ 1. Двухпараметрическая модель припекаемой системы.
Рассмотрим одну из возможных моделей припекаемой системы, в которой с течением времени происходит перестройка, сопровождающаяся понижением активности. Эта модель для случая жидкофазных прослоек была предложена в работе [4], а в более общем случае рассматривалась в [8].
Предположим, что система в каждый момент времени припекания представляет из себя «раствор» двух подсистем различной активности, которые характеризуются кинетическими константами и в зависимости
(1)
Обозначая через объем компактного вещества подсистемы I и соответственно, через объем компактного металла подсистемы II, положим:
(2)
Это неравенство, вообще говоря, может быть не очень сильным.
Введем объемные доли подсистем в «растворе»
;
и (3)
Компактное вещество подсистем II, I будем принимать в нашей модели несжимаемым. Предполагается, что изменение объема более активной подсистемы I с течением времени происходит согласно простейшему уравнению:
(4)
Отсюда следует, что
(5)
Здесь - начальная объемная доля подсистемы I в «растворе».
Таким образом, получим для объемных долей подсистемы соотношения:
; (6)
Введено характерное время существования (время жизни) подсистемы I
(7)
В простейшем случае можно предположить, что и тогда
; (8)
Дальнейшие рассуждения связаны с рассмотрением диссипативной функции «раствора», которую, очевидно, можно представить в виде суперпозиции диссипативных функций подсистем.
(9)
Используя следующие приближение:
, (10)
будем иметь:
(11)
Приняли касательное напряжение в «растворе» одинаковым для всех подсистем.
Переходя к усредненным по объему всей системы параметрам, находим:
(12)
Если положить , то для кинетической константы «раствора» будем иметь уравнение:
(13)
в случае (14)
Проинтегрируем правую часть
с учетом уравнения (13) и соотношений (8).
Получим:
(15)
Из общего уравнения (15) имеем приближенные уравнения для начальной и конечной стадии процесса:
(16)
(17)
Проанализируем влияние скорости нагрева на процесс припекания, используя результаты работы [10].
Положим скорость нагрева
(18)
и примем кинетическую константу в виде:
(19)
где упрощено представлена энергия активизации высокотемпературной ползучести в виде:
(20)
Интегрируя кинетическое уравнение, сделав замену переменной, согласно
(21)
получим:
(22)
Учитывая определение
,
и выполняя в (22) замену переменной, находим:
(23)
Для области можно воспользоваться приближенным представлением [2, 3]:
(24)
Получится следующее уравнение процесса припекания слоя:
(25)
Поскольку , второе слагаемое в скобках справа можно опустить.
Тогда
←предыдущая следующая→
1 2 3