132 "Матеріалознавство"

Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/51888

Переглянути

Результати пошуку

Зараз показуємо 1 - 8 з 8

Підвищення ресурсу деталей машин наплавленням та плазмовим напиленням композиційними матеріалами
(2024) Ситников, Павло Андрійович
Дисертація на здобуття наукового степеня доктора філософії за спеціальністю 132 Матеріалознавство (галузь знань 13 Механічна інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2024 р. Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі підвищення ресурсу деталей машин дуговим наплавленням і плазмовим напиленням композиційними матеріалами, отриманими з використанням самопоширюваного високотемпературного синтезу (СВС-процесу). Об’єкт дослідження – процеси зміцнення дуговим наплавленням і плазмовим напиленням зносостійким композиційним матеріалом деталей ґрунтообробних машин, що працюють в абразивному середовищі. Предмет дослідження – зносостійкий композиційний матеріал на основі самофлюсівного сплаву NiCrBSi, модифікованого композиційним матеріалом, одержаним самопоширюваним високотемпературним синтезом, застосований для підвищення ресурсу деталей ґрунтообробних машин. У вступі дисертації наведено обґрунтування теми роботи, мету та завдання, визначено об’єкт і предмет досліджень, описано зв'язок із посилан-нями на наукові теми та програми, перелічені методи досліджень, сформульована наукова новизна та практичне значення отриманих результатів. Перший розділ містить аналіз і систематизовані відомості про будову, умови роботи та основні причини низького ресурсу деталей ґрунтообробних машин, а також результати огляду конструктивних, експлуатаційних та тех-нологічних методів, які застосовуються для його підвищення. Встановлено, що одними з найбільш перспективних напрямів підвищення ресурсу деталей ґрунтообробних машин є використання дугового наплавлення та плазмового напилення композиційними матеріалами, які отримані з використанням СВС-процесу. Такі матеріали дають змогу одержати наплавленні шари і плазмові покриття із заданою структурою та властивостями. У другому розділі наведено методику експериментальних досліджень. В якості вихідних матеріалів для дугового наплавлення і плазмового напилення використовували композиційний матеріал, розроблений на основі самофлюсівного сплаву системи NiCrBSi марки ПГ-10Н-01, модифікованого композиційним матеріалом (МКМ), одержаним із застосуванням СВС-процесу. Як вихідні компоненти МКМ були використанні порошки титану Ti марки ПТМ-1; технічного вуглецю C марки П-803; вогнетривкої глини марки ПГОСА-0 (основа SiO₂-Al₂O₃); алюмінію Al, доданого у вигляді пудри марки ПАП-1; оксиду заліза Fe₂O₃ та термореагуючого порошку ПТ-НА-01. Також в розділі містяться відомості щодо співвідношень вихідних компонентів, які використовувалися для отримання модифікуючого композиційного матеріалу. Описано обладнання та методики проведення механічної активації шихти, способу ініціювання СВС-процесу. Розглянуто обладнання, що використовували для дугового наплавлення і плазмового напилення, а також для дослідження структури, фазового складу, механічних та триботехнічних властивостей дослідних зразків. Третій розділ містить результати досліджень структури та властивостей шарів, наплавлених отриманим композиційним матеріалом. Встановлено, що структура шару, наплавленого сплавом ПГ-10Н-01, має дендритну будову та складається з твердого розчину на основі нікелю (γ-Ni), а також евтектики γ-Ni-Ni₃B з поодинокими включеннями карбідів бору B₄C та карбідів хрому Cr₃C₂. Структура шару, наплавленого композиційним матеріалом складу 10 % МКМ + 90 % ПГ-10Н-01, складається з твердого розчину на основі нікелю (γ-Ni) та евтектики γ-Ni-Ni₃B, які додатково зміцненні включеннями карбідів титану TiC та кремнію SiC. При збільшенні МКМ кількість карбідів TiC та SiC підвищується, що впливає на показники мікротвердості та зносостійкості. Мікротвердість шару, наплавленого композиційним матеріалом складу 10 % МКМ + 90 % ПГ-10Н-01, дорівнює 660 HV, шару 20 % МКМ + 80 % ПГ-10Н-01 – 720 HV та шару 30 % МКМ + 70 % ПГ-10Н-01 – 760 HV, що перевищує мікротвердість шару, наплавленого сплавом ПГ-10Н-01, яка дорівнює 510 HV. Дослідження зносостійкості наплавлених зразків довели, що при терті закріпленими абразивними частинками зносостійкість шару, наплавленого композиційним матеріалом складу 10 % МКМ + 90 % ПГ-10Н-01, є у 1,8 рази, шару 20 % МКМ + 80 % ПГ-10Н-01 у 2,4 рази та шару 30 % МКМ + 70 % ПГ-10Н-01 в 3,5 рази більшою у порівнянні із зносостійкістю шару, наплавле-ного самофлюсівним сплавом ПГ-10Н-01. При терті незакріпленими абразивними частинками зносостійкість шару, наплавленого композиційним матеріалом складу 10 % МКМ + 90 % ПГ-10Н-01 у 1,6 рази, шару 20 % МКМ + 80 % ПГ-10Н-01 у 1,9 рази та шару 30 % МКМ + 70 % ПГ-10Н-01 в 2,1 рази є більшою у порівнянні із зносостій-кістю шару, наплавленого сплавом ПГ-10Н-01. При збільшенні кількості МКМ в сплаві ПГ-10Н-01 зносостійкість шару підвищується. Для обґрунтування доцільності проведення СВС-процесу в розділі наведено порівняльні результати досліджень структури та властивостей шарів, наплавлених сплавом ПГ-10Н-01 з додаванням механічної суміші (МС) вихідних компонентів шихти Ti-C-Al-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃-ПТ-НА-01. Структура шару, наплавленого матеріалом складу 10 % МС + 90 % ПГ-10Н-01, є твердим розчином на основі нікелю (γ-Ni), а також евтектики γ-Ni-Ni₃B з включеннями інтерметалідів типу CrSi та FeAl. При цьому, після кристалізації такого шару відбувається утворення кристалізаційних тріщин, що є наслідком окрихчуючої дії зв’язаного кисню, який міститься у вихідних ком-понентах шихти, зокрема, оксидах SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃. Мікротвердість такого шару складає 415 HV, а показник його зносостійкості в умовах абразивного зношування при терті як закріпленими, так і незакріпленими абразивними частинками складає 0,9 у порівнянні із зносостійкістю шару, наплавленого сплавом ПГ-10Н-01, прийнятим за одиницю. При збільшенні кількості доданої механічної суміші вихідних компонентів шихти до сплаву ПГ-10Н-01 показник зносостійкості при терті закріпленими та незакріпленими абразив-ними частинками зменшується у порівнянні із зносостійкістю шару, наплав-леного сплавом ПГ-10Н-01. В четвертому розділі наведено результати досліджень структури та властивостей плазмових покриттів, напилених композиційним матеріалом. Оптичною та скануючою електронною мікроскопією встановлено, що напи-ленні плазмові покриття мають ламелярну будову. Структура плазмового покриття, напиленого сплавом ПГ-10Н-01, складається з ламелей твердого розчину на основі нікелю (γ-Ni) із включеннями боридів нікелю Ni₃B та карбідів хрому Cr₃C₂. Структура плазмового покриття, напиленого композицій-ним матеріалом складу 10 % МКМ + 90 % ПГ-10Н-01, крім твердого розчину на основі нікелю та вказаних вище фаз, містить фази карбідів TiC та SiC, а також включень частинок диборидів TiB₂. При збільшенні кількості вмісту МКМ в сплаві ПГ-10Н-01, кількість сполук TiC, SiC та TiB₂ в напиленому покритті збільшується, через що підвищується мікротвердість покриття та зростає його зносостійкість. Мікротвердість плазмового покриття, напиленого композиційним матеріалом складу 10 % МКМ + 90 % ПГ-10Н-01, становить 780 HV, покрит-тя 20 % МКМ + 80 % ПГ-10Н-01 – 835 HV та покриття 30 % МКМ + 70 % ПГ-10Н-01 – 880 HV, що перевищує мікротвердість плазмового покриття, напиленого сплавом ПГ-10Н-01, яка дорівнює 555 HV. Дослідженнями зносостійкості при терті закріпленими абразивними частинками встановлено, що зносостійкість плазмового покриття, напилено-го композиційним матеріалом складу 10 % МКМ + 90 % ПГ-10Н-01 у 2,0 рази, покриття 20 % МКМ + 80 % ПГ-10Н-01 у 2,6 рази та покриття 30 % МКМ + 70 % ПГ-10Н-01 у 3,1 рази є більшою у порівнянні із зносостій-кістю плазмового покриття, напиленого сплавом ПГ-10Н-01. Дослідженнями зносостійкості при терті незакріпленими абразивними частинками встановлено, що зносостійкість плазмового покриття, напиленого композиційним матеріалом складу 10 % МКМ + 90 % ПГ-10Н-01, у 1,8 рази, покриття 20 % МКМ + 80 % ПГ-10Н-01 у 2,5 рази та покриття 30 % МКМ + 70 % ПГ-10Н-01 у 2,9 рази є більшою у порівнянні із зносостійкістю плазмового покриття, напиленого сплавом ПГ-10Н-01. Плазмове покриття, напилене матеріалом з додаванням механічної суміші складу 10 % МС + 90 % ПГ-10Н-01, має ламелярну структуру, яка складається з твердого розчину на основі нікелю (γ-Ni) з включеннями карбідів хрому Cr₃C₂, боридів титану TiB₂, а також оксидів титану TiO₂ та кремнію SiO₂. На відміну від наплавлених шарів, що містять механічну суміш вихід-них компонентів шихти, напилене плазмове покриття складу 10 % МС + 90 % ПГ-10Н-01 має більшу мікротвердість (650 HV) у порівнянні з плазмовим покриттям, напиленим сплавом ПГ-10Н-01. Зносостійкість напиленого плаз-мового покриття з додаванням механічної суміші шихти складу 10 % МС + 90 % ПГ-10Н-01 є 1,2 в рази більшою у порівняні із зносостійкістю плазмо-вого покриття, напиленого сплавом ПГ-10Н-01. П’ятий розділ дисертації присвячений експлуатаційним випробуванням зміцненого комплекту стрілчастих лап культиватору КПП-8 в умовах Фермерського господарства «Кам’януватка» (Новоукраїнський район, Кіровоградської області). Зносостійкість стрілчастих лап, виготовлених зі сталі 65Г, зміцнених зі зворотного боку за схемою «носок-робочі леза» шляхом дугового наплавлення композиційним матеріалом складу 10 % МКМ + 90 % ПГ-10Н-01, в 1,7 рази є більшою у порівняні із зносостійкістю лап, виготовлених за серійною технологією. Випробування зміцнених доліт лемешів плугу Майстер-А5 довели, що зносостійкість доліт, зміцнених наплавленим шаром композиційного матеріалу, є в 1,5 рази більшою у порів-нянні із зносостійкістю доліт, виготовлених за серійною технологією. Результати проведених експлуатаційних випробувань довели, що застосування розробленого композиційного матеріалу дає змогу підвищити ресурс деталей машин, що працюють в абразивному середовищі. В розділі наведено результати випробувань плазмових покриттів, напилених композиційним матеріалом складу 10 % МКМ + 90 % ПГ-10Н-01 в умовах зношування при терті незакріпленими абразивними частинками, які проведено Науково-виробничою фірмою «Зварконтакт» (м. Харків). Доведено, що зносостійкість плазмового покриття, напиленого розробленим композиційним матеріалом складу 10 % МКМ + 90 % ПГ-10Н-01, в 1,6 рази є більшою у порівняні із зносостійкістю покриття, напиленого сплавом ПГ-10Н-01. Відповідно узагальненню отриманих результатів проведених теоретичних та експериментальних досліджень в дисертації: Вперше: - розроблено зносостійкий композиційний матеріал для дугового наплавлення і плазмового напилення на основі самофлюсівного сплаву системи NiCrBSi, модифікованого композиційним матеріалом (МКМ), одержаним самопоширюваним високотемпературним синтезом з порошків титану марки ПТМ-1, технічного вуглецю марки П-803, вогнетривкої глини марки ПГОСА-0, алюмінію марки ПАП-1, оксиду заліза (Fe₂O₃) та термореагуючого порошку ПТ-НА-01, застосування якого підвищує ресурс деталей машин, що працюють в абразивному середовищі; - встановлено, що додавання МКМ до сплаву системи NiCrBSi забезпечує збільшення мікротвердості та зносостійкості наплавленого шару за рахунок зміцнення сплаву частинками карбідів титану TiC та кремнію SiC. - виявлено, що додавання МКМ до сплаву системи NiCrBSi забезпечує збільшення мікротвердості та зносостійкості плазмового покриття за рахунок зміцнення сплаву частинками карбідів титану TiC та кремнію SiC, а також диборидів титану TiB₂. - визначено залежність зносостійкості при терті закріпленими та незакріпленими абразивними частинками наплавлених шарів і напилених плазмових покриттів від кількості МКМ в самофлюсівному сплаві системи NiCrBSi. Удосконалено: - методику ініціювання процесу самопоширюваного високотемпера-турного синтезу через вплив на ступінь розжарення спіралі, що забезпечує контрольований підігрів шихти та ініціювання процесу. Отримало подальший розвиток: - створення енерго- та ресурсозберігаючих технологій самопоширю-ваного високотемпературного синтезу на основі застосування вогнетривкої глини в якості оксидовмісних вихідних складових композиційних матеріалів для дугового наплавлення і плазмового напилення деталей машин, що працюють в абразивному середовищі. На основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень в дисертації розроблено композиційний матеріал, призначений для зміцнення та відновлення дуговим наплавленням і плазмовим напиленням поверхонь деталей ґрунтообробних машин, що працюють в абразивному середовищі. Розроблений композиційний матеріал впроваджено в Фермерському госпо-дарстві «Кам’януватка» (Новоукраїнський район, Кіровоградська область) та Науково-виробничій фірмі «Зварконтакт» (м. Харків). Матеріали роботи використовується в навчальному процесі кафедри зварювання НТУ «ХПІ». Increase of the machine parts service life by deposition and plasma spraying with composite materials. – Scientific qualification work submitted as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 132 Material Science (knowledge area 13 Mechanical Engineering). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2024. This dissertation is devoted to solving the actual applied science tasks of extending machine parts service life by arc depositing and plasma spraying with the composite materials obtained by self-propagating high-temperature synthesis (SHS process). Research object – strengthening processes arc depositing and plasma sparing with wear-resistant composite material in tillage machine parts operated in abra-sive environment. Research subject – wear-resistant composite material based on self-fluxing alloy NiCrBSi modified with composite material obtained by self-propagating high-temperature synthesis, which provides extending service life of the tillage machine parts. The dissertation introduction contains thematic justification, tasks and objective, defines the object and subject of the work, describes relationships with references to scientific topics and programs, lists research methods, and formulates scientific novelty and practical value of the results obtained. The first section contains analysis and collated information on the structure, operation conditions and principal reasons for short service life of tillage machine parts, as well as the results of the review of structural, operational, and technological methods employed to extend it. Conducted, that one of the most promising ways for extending service life of soil tillage machine parts is the use of arc depos-iting and plasma spraying with composite materials obtained using the SHS process. Such materials allow to obtain deposited layers and plasma coatings with desired structure and properties. The second section describes the methodology of the experimental research. The composite material developed from self-fluxing NiCrBSi alloy type PG-10N-01 modified with composite material (МCМ) obtained by the SHS process was used as initial material for arc depositing and plasma spraying. Titanium (Ti) powder type PTM-1; technical carbon (C) type P-803; refractory clay type PGOSA-0 (based on SiO₂-Al₂O₃); aluminium Al added in the form of powder type PAP-1; ferrous oxide Fe₂O₃, and thermosetting powder type PT-NA-01 were used as initial MCM components. Additionally, this section contains information about the initial component ratios that were used to obtain the modifying composite material. Equipment and methods for the mechanical charge activation and methods for initiating the SHS process are described. The equipment used for arc depositing and plasma spraying, as well as for research of structure, phase composition, mechanical and tribotechnical properties of the prototypes. The third section contains the results of the structure and properties research of the layers deposited with the composite material obtained. It has been estab-lished that the layer deposited with PG-10N-01 alloy features a dendrite structure and comprises nickel-based (γ-Ni) solid solution and γ-Ni-Ni3B eutectic with single inclusions of boron carbide (B₄C) and chromium carbide (Cr₃C₂). The struc-ture of the layer deposited with composite material comprising 10 % MCM + 90 % PG-10N-01 comprises nickel-based (γ-Ni) solid solution and γ-Ni-Ni₃B eutectic, additionally strengthened with inclusions of titanium and silicon carbides (TiC, SiC). Increasing the MCM content results in increasing the content of TiC and SiC carbides, which affects the microhardness and wear resistance values. The layer deposited with composite material comprising 10 % MCM + 90 % PG-10N-01 features microhardness of 660 HV, while 20 % MCM + 80 % PG-10N-01 layer – 720 HV, and 30 % MCM + 70 % PG-10N-01 layer – 760 HV, that exceeds the microhardness of the layer deposited with PG-10N-01 alloy, which makes up 510 HV. It was proved by deposited specimen investigation that, when exposed to friction with fixed abrasive particles, the wear resistance of the layers deposited with composite material comprising 10 % MCM + 90 % PG-10N-01 is 1.8 times, 20 % MCM + 80 % PG-10N-01 – 2.4 times, and 30 % MCM + 70 % PG-10N-01 – 3.5 times greater than wear resistance of the layer deposited with self-fluxing alloy PG-10N-01. When exposed to friction with unfixed abrasive particles, wear resistance of the layers deposited with composite material comprising 10 % MCM + 90 % PG-10N-01 is 1.6 times, 20 % MCM + 80 % PG-10N-01 – 1.9 times, and 30 % MCM + 70 % PG-10N-01 – 2.1 times greater than wear resistance of the layer deposited with self-fluxing alloy PG-10N-01. Increasing the MCM content in the PG-10N-01 alloy results in increasing wear resistance of the layer. To validate SHS process feasibility, this section contains comparative results of structure and properties discovered in layers deposited with PG-10N-01 alloy doped with mechanical mixture (MM) of the charge initial components Ti-C-Al-SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃-PT-NA-01. The structure of the layer deposited with material comprising 10 % MM + 90 % PG-10N-01 is represented as a nickel-based (γ-Ni) solid solution, as well as eutectic γ-Ni-Ni₃B with intermetallide inclusions like CrSi and FeAl. Along with that, crystallizing this layer is followed by fracturing, which is derived from the embrittling effect of the bound oxygen contained in ini-tial charge components including oxides SiO₂-Al₂O₃-Fe₂O₃. The microhardness of such layer makes up 415 HV, and its abrasive wear resistance value under friction with fixed as well as with unfixed abrasive particles makes up 0.9, while the wear resistance value of the layer deposited with PG-10N-01 alloy is taken for 1.0. Increasing quantity of the charge initial components of the mechanical mixture added to PG-10N-01 alloy leads to the reduction of abrasive wear resistance value under friction with fixed as well as with unfixed abrasive particles, as compared to the wear resistance value of the layer deposited with PG-10N-01 alloy. The fourth section contains the results of structure research of plasma coat-ings sprayed with the composite material. It was established with optical and scanning electronic microscopy that plasma sprayed coatings have lamella structure. The structure of the plasma coating sprayed with PG-10N-01 alloy features com-prises lamellas of nickel-based (γ-Ni) solid solution with nickel boride Ni3B and chromium carbide Cr₃C₂ inclusions. Additionally to nickel-based solid solution and aforementioned phases, the structure of the plasma coating sprayed with com-posite material comprising 10 % MCM + 90 % PG-10N-01 contains TiC and SiC carbide phases, as well as TiB₂ diboride particles. Increasing the MCM content in PG-10N-01 alloy leads to increasing TiC, SiC, and TiB₂ content in the coating sprayed, which results in increasing the coating microhardness and wear resistance. The microhardness of the plasma coating sprayed with composite material comprising 10 % MCM + 90 % PG-10N-01 equals 780 HV, while 20 % MCM + 80 % PG-10N-01 coating features 835 HV, and 30 % MCM + 70 % PG-10N-01 coating – 880 HV, that exceeds microhardness of the plasma coating sprayed with PG-10N-01 alloy, which makes up 555 HV. It was established by wear resistance investigation that, when exposed to friction with fixed particles, the wear resistance of the coatings sprayed with com-posite material comprising 10 % MCM + 90 % PG-10N-01 was 2.0 times, 20 % MCM + 80 % PG-10N-01 – 2.6 times, and 30 % MCM + 70 % PG-10N-01 – 3.1 times greater than wear resistance of the coating sprayed with PG-10N-01 alloy. It was established by wear resistance investigation by abrasive wear with unfixed particles that wear resistance of the coatings sprayed with composite mate-rial comprising 10 % MCM + 90 % PG-10N-01 was 1.8 times, 20 % MCM + 80 % PG-10N-01 by 2.5 times, and 30 % MCM + 70 % PG-10N-01 by 2.9 times greater than wear resistance of the coating sprayed with PG-10N-01 alloy. Plasma coating sprayed with material doped with a mechanical mixture comprising 10 % MM + 90 % PG-10N-01 features a structure comprising nickel-based solid solution (γ-Ni) with inclusions of chromium carbide Cr₃C₂, titanium boride TiB₂, as well as titanium and silicon oxides (TiO₂ and SiO₂). Unlike depos-ited layers containing a mechanical mixture of initial charge components, plasma sprayed coating comprising 10 % MM + 90 % PG-10N-01 features increased microhardness (650 HV), when compared to PG-10N-01 alloy plasma sprayed coating. The wear resistance of the plasma sprayed coating doped with a mechani-cal mixture of initial charge components comprising 10 % MM + 90 % PG-10N-01 is 1.2 times greater than the wear resistance of the plasma coating sprayed with PG-10N-01 alloy. The fifth section of the dissertation is devoted to operational tests with strengthening duckfoot blade set of KPP-8 cultivator carried out under conditions of Kamianuvatka farm (Novoukrainka district, Kirovohrad region). The wear resistance of the duckfoot blades made of 65G grade steel strengthened on the reverse side according to the "toe-working blade” scheme by arc depositing com-posite material comprising 10 % MCM + 90 % PG-10N-01 is 1.7 times greater compared to the wear resistance of the blades produced with serial technology. It was proven by testing the strengthened Maister A5 plough chisels that the wear resistance of the chisels strengthened with deposited composite material layer is 1.5 times greater than the wear resistance of the chisels produced with serial technology. Operational testing results proved that utilizing the material developed facilitates extending the service life of parts operated in abrasive environments. The section also contains results of testing plasma coatings sprayed with composite material comprising 10 % MCM + 90 % PG-10N-01 under frictional wear with unfixed abrasive particles, which was carried out by the scientific production company «Zvarkontakt» ( Kharkiv). It was proved that the wear resistance of the plasma coating sprayed with the developed material comprising 10 % MM + 90 % PG-10N-01 is 1.6 times greater than the wear resistance of the plasma coating sprayed with PG-10N-01 alloy. According to generalized theoretical and experimental research findings obtained in the dissertation: Novelties: - a wear-resistant composite material has been developed for arc depositing and plasma spraying, which is based upon self-fluxing NiCrBSi system alloy modified with composite material (MCM) obtained by self-propagating high-temperature synthesis from the powders of titanium type PTM-1, technical carbon type P-803, refractory clay type PGOSA-0, aluminium type PAP-1, ferrous oxide (Fe₂O₃) and thermosetting powder PT-NA-01, and which usage provides extending the service life of the machine parts operated in abrasive environment; - it has been established that the addition of MCM to the alloy of the NiCrBSi system provides an increase in the microhardness and wear resistance of the deposited layer due to the strengthening of the alloy with particles of TiC titanium carbides and SiC silicon. - it has been established that the addition of MCM to the alloy of the NiCrBSi system provides an increase in the microhardness and wear resistance of the plasma coating due to the strengthening of the alloy with particles of titanium carbides TiC and silicon SiC, as well as titanium diboride TiB₂. - the dependence of the wear resistance during friction with attached and unattached abrasive particles of deposited layers and sprayed plasma coatings on the amount of MCM in the self-fluxing alloy of the NiCrBSi system was deter-mined. Improvements: - self-propagated high-temperature synthesis initiating method that enables to affect the coil incandescence degree and thus implement controlled charge heat-ing and process initiation. Further developments: - creating energy and material saving technologies of self-propagated high-temperature synthesis utilizing refractory clay as oxide-containing initial compo-nents of the composite materials for arc depositing and plasma spraying on machine parts operated in abrasive environments. The composite material developed based on theoretical and experimental research described in this dissertation is designed for strengthening and renovating surfaces of tillage machine parts operated in abrasive environments by arc deposit-ing and plasma spraying. The composite material developed has been introduced at Kamianuvatka farm (Novoukrainka district, Kirovohrad region) and scientific production company «Zvarkontakt» (Kharkiv). Work materials are used in the educational process at Welding chamber of NTU KhPI.
Термічна стабільність нано- та мікрокристалічних псевдосплавів на основі міді
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Рябоштан, Валентин Анатолійович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 - Матеріалознавство (13 - Механічна інженерія). - Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Харків, 2023. Роботу виконано на кафедрі «Матеріалознавство» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України. З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» за адресою: 61002, м. Харків, вул. Кирпичова 2. У дисертаційній роботі представлені результати експериментальних та теоретичних досліджень формування структури та закономірностей структурних змін під впливом температури у псевдосплавах міді з низькою концентрацією таких легуючих елементів, як молібден та тантал, що були отримані методом вакуумної конденсації із парової фази (method PVD). Метою дисертаційної роботи є дослідження процесів формування вакуумних конденсатів міді з низькою концентрацією легуючого елементу (молібден/тантал), структурні зміни, що відбуваються в них під дією температури, та механізми термічної стабілізації структури легуючими елементами, що знаходяться в матричному металі у різному структурно-фазовому стані. Об’єктом дослідження є термічна стабільність мікро та наноструктурних матеріалів, що є актуальною проблемою для всіх дисперсних сплавів та композиційних матеріалів. Предметом дослідження процеси та явища, що призводять значного підвищення термічної стабільності та механічних властивостей у системах Cu-Mo та Cu-Ta, при вмісті легуючого компоненту в диапазоні від 0,3 до 0,4 ат%. Методичною та теоретичною базою дослідження є фундаментальні положення теорії фізичної адсорбції, методичні розробки та наукові праці провідних вчених з питань вивчення адсорбційних та рекристалізаційних процесів. При вирішенні завдань дисертаційного дослідження застосовано сучасні загальнонаукові та спеціальні методи: методи отримання зразків у вигляді фольг псевдосплавів; спеціальні методи вивчення стану структури (мікроскопія, електронна мікроскопія, рентгенівська діфрактометрія, рентгенофлуоресцентний метод (РФА) та енергодисперсійну рентгенівську спектроскопію (EDS)); методи вибіру фізичних властивостей (напр., вимір мікротвердості за допомогою твердоміра ПМТ-3); метод температурної обробки у вакуумі; спеціальні методи отримання, обробки та обчислення інформації, яку дають знімки структури, отримані різними способами; математичне та комп’ютерне моделювання; абстрактно-логічні методи - для теоретичних узагальнень результатів дослідження. Актуальність теми роботи пов'язана з проблемою підвищення стабільності нано- і субмікрокристалічних металів, що мають унікальні функціональні властивості, але їхнє практичне використання обмежується низькою термічною стабільністю вихідного стану. Теоретичні і експериментальні результати, які є в світовій літературі, дозволяють зробити висновок про можливість розв’язання цієї проблеми шляхом цілеспрямованого легування матричних металів елементами, що мають по відношенню до них ексклюзивні фізико-хімічні властивості. Атоми цих речовин в певних технологічних умовах отримання металу, або термічної обробки здатні формувати сегрегації на границях зерен матричних металів і в результаті стабілізувати вихідний структурний стан і фізико-механічні властивості при температурному або іншому енергетичному впливі. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, наведено наукову новизну та сформовано практичне значення одержаних результатів. В першому розділі “аналітичний огляд наукової літератури” проведено аналіз літературних даних за тематикою дослідження. Встановлено сучасний стан дослідженнь та підходів до вирішення проблемати низької термічної стабільності дисперсних матеріалів вцілому та композиційних матеріалів зокрема. Приведені теоретичні дані та обгрунтовано підгрунтя проведеного дослідження. Наведені особливості формування структури досліджуваних зразків у різноманітних умовах отримання. У другому розділі “характеристика об’єктів і методів дослідження” приводяться дані про об’єкти дослідження, технологічні умови отримання цих матеріалів, дані про контроль елементного складу отриманих зразків. Описані методики віміру мікротвердості, питомого електроопору та вивчення термічної стабільності отриманих фольг псевдосплавів. У третьому розділі “формування та розпад аномальних розчинів молібдену і танталу в міді” описуються результати досліджень, присвячених умовам формування аномального пересиченого твердого розчину легуючих компонентів у матриці міді, умовам його розпаду, а також структурно-фазовим процесам, якими вони супроводжуються. Наведена низка нових експериментальних даних. Висунуто теорію щодо механізму формування цих аномальних пересичених розчинів у матриці міді. У четвертому розділі “вплив умов отримання на похідну структуру конденсатів Cu-Mo та Cu-Та” наведено результати дослідження закономірності формування структури цих зразків в умовах, в яких не відбувається утворення аномального пересиченого твердого розчину, що був описаний у розділі 3. Оцінюється вплив температури підкладки та швидкості конденсації характер та властивості похідної структури як конденсатів Cu-Mo, так і на конденсати Cu-Ta. Описані аналогічні та відмінні риси сформованої структури. У п’ятому розділі “еволюція структурних компонентів в конденсатах міді під впливом температури” описані процеси, що відбуваються у структурі зразків під впливом різної температури ізотермічного відпалу в діапазоні від 0,6 від температури плавління і до температури, близької до температури плавління міді, а також відмічаються основні фактори, що впливають на термічну стабільність та інші властивості псевдосплавів цих систем. У шостому розділі “вплив сеграгацій легуючих елементів на термічну стабільність вакуумних конденсатів” приведені результати досліджень, зусереджених на сегрегаціях молібдену та танталу, що знаходятся у границях зерна у різних структурно-фазових станах, взаємодії цих сегрегацій з границями зерен міді (тип їх зв’язку з матрицею, умови формування та руйнування цього зв’язку) та впливу взаємодії матричного металу та легуючого компененту, що призводить до росту здатності супротиву термічної дії. Наукова новизна проведеного дослідження полягає у явищах, що вперше були зафіксовані під час експерементів, а також висунутих теоріях щодо механізмів, за якими ці явища відбуваються. В дисертаційній роботі здобуті нові знання про механізми формування структури псевдосплавів міді під час їх осадження з парової фази у вакуумі та умови формування й розпаду аномальних розчинів легуючих елементів, що в звичайних умовах не мають розчинності, у матриці міді; про механізми та фактори, що підвищуюють термічну стабільність мікро- та наноструктурних матеріалів на основі міді. Здобувачем зафіксовано низку нових явищ під час експерименту та висунуто ряд тез, що пояснюють ці явища. На основі експериментальних результатів проведено моделювання фізичної взаємодії між атомами легуючого компоненту та поверхнею зерна матричного металу. Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи: 1. Досліджено вплив умов отримання вакуумних конденсатів Cu-Mo та Cu-Ta на їх структуру та властивості. Встановлено, що молібден і тантал мають схожий характер взаємодії з матрицею міді. Легування матриці міді як молібденом, так і танталом призводить до значного диспергування похідної структури матриці та росту механічних властивостей. Зафіксовано аномальну залежність розміру зерна від температури підкладки при концентрації молібдену приблизно 0,3ат%. Висунуто припущення, що цей процес пов’язаний з характером розподілення атомов молібдену між більше- та малокутовими границями зерен при низькій температурі. Зафіксовано, що молібден і тантал проявляють схильність до формування сегрегацій на границях зерна матриці міді, що переймають кристалічну гратку міді. Це призводить до появи на електронограмах рефлексів нетипової для молібдену та танталу ГЦК-модифікації кристалічної гратки. 2. Проведені експерименти допомогли вивчити умови формування аномальних пересичених розчинів молібдену і танталу у матриці міді. Встановлено, що ступінь розчинності збільшується при підвищенні концентрації легуючого елементу, швидкості осадження та зниженні температури підкладки. Запропоновано якісний механізм утворення цих розчинів, що заключається у кінетичному захваті атомів легуючого елементу фронтом кристалізації під час сумісної конденсації у вакуумі із парової суміші. Виявлено температурно-часові інтервали розпаду розчину, які значно вищі, ніж аналогічні процеси в металах і сплавах. Показано, що старіння може мати двоетапний характер. Перший пік дисперсійного твердіння зумовлений розпадом твердого розчину. Другий максимум мікротвердості пов'язаний з процесами, що відбуваються у другій фазі на межах зерна. 3. Вивчалася еволюція зеленної структури конденсатів міді під впливом температури. Проведено серію ізотермічних відпалів при температурах від 600 до 1000ОС. Встановлено, що середній розмір зерна матричного металу залишається ультрадисперсним навіть після відпалу при 0,8Т плавлення міді. Тобто молібден і тантал сильно підвищують термічну стабільність дисперсних псевдосплавів міді. Когерентний зв’язок між матричним металом та легуючими елементами, що був утворений під час формування похідної структури, зберігається навіть після відпалу при температурах, близьких до температури плавлення міді. Вперше виявлено ефект спадковості у вигляді ділянок, вільних від частинок другої фази у відпаленій структурі. 4. Досліджено вплив сегрегацій легуючих елементів на термічну стабільність вакуумних конденсатів міді легованих молібденом і танталом у кількості приблизно 0,3-0,4 ат%. Встановлено, що осадження у вакуумі при більш низькій температурі стимулює адсорбційні процеси і формування атомарно розподілених шарів легуючих елементів на кордонах зерен матричного металу, що вносять вагомий вклад у гальмування руху границі зерна, знижуючи їх поверхневу енергію. Проведена оцінка вкладу кінетичного механізму підвищення термічної стабільності, що заключається у гальмування руху границь зерен частками легуючого елементу. Зафіксоване значне відхилення від теоретичної залежності розміру зерна від розміру часток легуючого елементу (піннінг Зіннера). На основі цього припускається, що термічна стабільність зеленної структури визначається спільним впливом кінетичного (піннінг Зіннера/гальмування руху зерна частками легуючого елементу) і термодинамічного механізму (гальмування руху границь зерен за рахунок зниження поверхневої енергії атомами легуючого елементу, що адсорбуються на їх поверхні) 5. Виявлено, що температура початку росту зерен мідної матриці лімітується не механічною дією частинок молібдену або танталу (механізм Зіннера), а руйнуванням атомно розподілених адсорбційних шарів домішок. Після їх руйнування швидкість міграції меж зерен визначається за кінетичним механізмом. 6. Встановлено, що частинки другої фази зберігають певну структурну відповідність у вигляді часткової когерентності навіть після ізотермічного відпалу за високої температури. На основі експериментальних даних, отриманих під час ретельного аналізу тонкої структури електронограм, проведено моделювання цієї структурної відповідності між поверхнею зерна та частками легуючого елементу. Показано, що незвичайний зв’язок між матричним металом та легуючим елементом виражаються у взаємодії атомів легуючого елементу з адсорбційними комірками матриці міді. Результати експериментальних і теоретичних досліджень, отримані при виконанні роботи, можуть бути використані в якості наукової основи нових технологій отримання нано- і субмікрокристалічних металів у вигляді плівок, фольг, покриттів і масивних виробів з надвисоким поєднанням міцневих і електропровідних властивостей. Особливістю цих металів в порівнянні з існуючими аналогами, які виробляють в Україні і за кордоном, є специфічний структурний стан, стабільний до 0,8-0,9 від температури плавлення матричного металу, що на 200-300°С перевищує аналогічні показники, застосовувані в даний час для сплавів на основі міді. Розроблені метали на основі міді можуть бути використані в якості покриттів і самостійних елементів електроконтактних матеріалів, наконечників, електродів точеного зварювання, високопровідних і термічно стабільних елементів електронної техніки і т.д. Отримані в дисертації результати можуть бути використані в наукових центрах і університетах України і за її межами, де розвивається аналогічна тематика досліджень. Результати теоретичних і експериментальних досліджень впроваджені в наступних держбюджетних темах: «Розробка матеріалознавчих основ структурної інженерії на основі Cu і Al» (ДР № 0119U002567), «Підвищення характеристик виробів військового призначення шляхом аналізу та синтезу властивостей матеріалів на основі мікроструктурних моделей» (ДР № 0117U004970). Окрім того дослідження Рябоштана В.А. впроваджене в навчальний процес НТУ «ХПІ» в наступному напрямі: результати дослідження Рябоштана В.А успішно використовувалися при викладанні таких наукових дисциплін, як «Спеціальні методи електронної мікроскопії», «Фізичні основи міцності і пластичності матеріалів», «Наноматеріали», «Наноструктурні матеріали та покриття» та «Тонкі методи дослідження матеріалів» . Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in the specialty 132 - Materials Science (13 - Mechanical Engineering). - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" of the Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2023. The work was performed at the Department of Materials Science, National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine. The thesis is available in the library of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" at: 2, Kyrpychova St., Kharkiv, 61002. The thesis presents the results of experimental and theoretical studies of structure formation and patterns of structural changes under the influence of temperature in copper pseudoalloys with a low concentration of alloying elements such as molybdenum and tantalum, which were obtained by the method of vacuum condensation from the vapor phase (PVD method). The goal of this thesis is to study the processes of formation of vacuum copper condensates with a low concentration of alloying element (molybdenum/tantalum), structural changes occurring in them under the influence of temperature, and mechanisms of thermal stabilization of the structure by alloying elements in the matrix metal in different structural and phase states. The object of the study is the thermal stability of micro- and nanostructured materials, which is an urgent problem for all dispersed alloys and composite materials. The subject of the study is the processes and phenomena that lead to a significant increase in thermal stability and mechanical properties in Cu-Mo and Cu-Ta systems, with the content of the alloying component in the range from 0.3 to 0.4 at%. The methodological and theoretical basis of the study is the fundamental principles of the theory of physical adsorption, methodological developments and scientific works of leading scientists on the study of adsorption and recrystallization processes. In solving the problems of the dissertation research, modern general scientific and special methods were used: methods for obtaining samples in the form of pseudo-alloy foils; special methods for studying the state of the structure (microscopy, electron microscopy, X-ray diffractometry, X-ray fluorescence method (XRF) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS)); methods for selecting physical properties (e.g, measurement of microhardness using the “ПMT-3” hardness tester); method of temperature treatment in vacuum; special methods for obtaining, processing and calculating information provided by structure images obtained in various ways; mathematical and computer modeling; abstract and logical methods for theoretical generalizations of research results. The relevance of the research topic is related to the problem of increasing the stability of nano- and submicrocrystalline metals, which have unique functional properties, but their practical use is limited by the low thermal stability of the initial state. Theoretical and experimental results available in the world literature suggest that this problem can be solved by targeted doping of matrix metals with elements that have exclusive physical and chemical properties in relation to them. The atoms of these substances under certain technological conditions of metal production or heat treatment are capable of forming segregations at the grain boundaries of matrix metals and, as a result, stabilizing the initial structural state and physical and mechanical properties under temperature or other energy effects. The introduction substantiates the relevance of the research objectives, presents the scientific novelty, and outlines the practical significance of the results. The first chapter, "Analytical review of scientific literature," analyzes the literature data on the subject of the study. The current state of research and approaches to solving the problem of low thermal stability of dispersed materials in general and composite materials in particular is established. Theoretical data are presented and the basis of the study is substantiated. The peculiarities of the structure formation of the studied samples under various conditions of preparation are presented. The second section, "Characterization of the objects and methods of research," contains data on the objects of research, technological conditions for obtaining these materials, and data on the control of the elemental composition of the samples obtained. The methods for measuring microhardness, resistivity, and studying the thermal stability of the obtained pseudoalloy foils are described. The third chapter, "Formation and decomposition of anomalous solutions of molybdenum and tantalum in copper," describes the results of studies on the conditions of formation of an anomalous supersaturated solid solution of alloying components in the copper matrix, the conditions of its decomposition, and the structural and phase processes that accompany them. A number of new experimental data are presented. A theory of the mechanism of formation of these anomalous supersaturated solutions in the copper matrix is put forward. Chapter 4, "Influence of preparation conditions on the derivative structure of Cu-Mo and Cu-Ta condensates," presents the results of studying the regularity of the structure formation of these samples under conditions in which there is no formation of an anomalous supersaturated solid solution, which was described in Chapter 3. The influence of substrate temperature and condensation rate on the character and properties of the derivative structure of both Cu-Mo and Cu-Ta condensates is evaluated. Similar and distinctive features of the formed structure are described. The fifth section, "Evolution of structural components in copper condensates under the influence of temperature," describes the processes occurring in the structure of samples under the influence of different isothermal annealing temperatures in the range from 0.6 of the melting point to a temperature close to the melting point of copper, and also notes the main factors affecting the thermal stability and other properties of pseudoalloys of these systems. The sixth chapter, "Influence of alloying element segregations on the thermal stability of vacuum condensates," presents the results of studies focused on molybdenum and tantalum segregations located at grain boundaries in different structural and phase states, the interaction of these segregations with copper grain boundaries (the type of their connection with the matrix, the conditions for the formation and destruction of this connection), and the influence of the interaction of the matrix metal and the alloying complement, which leads to an increase in the ability to resist thermal action. The scientific novelty of the study lies in the phenomena that were first observed during the experiments, as well as the theories put forward regarding the mechanisms by which these phenomena occur. The dissertation work provides new knowledge about the mechanisms of formation of the structure of copper pseudo-alloys during their deposition from the vapor phase in vacuum and the conditions of formation and decay of anomalous solutions of alloying elements that are not normally soluble in the copper matrix; about the mechanisms and factors that increase the thermal stability of micro- and nanostructured materials based on copper. The applicant recorded a number of new phenomena during the experiment and put forward a number of theses explaining these phenomena. Based on the experimental results, the physical interaction between the atoms of the alloying component and the grain surface of the matrix metal was modeled. Main scientific and practical results of the dissertation: 1. The influence of the conditions for obtaining Cu-Mo and Cu-Ta vacuum condensates on their structure and properties was investigated. It was found that molybdenum and tantalum have a similar nature of interaction with the copper matrix. The alloying of the copper matrix with both molybdenum and tantalum leads to a significant dispersion of the derivative structure of the matrix and an increase in mechanical properties. An anomalous dependence of the grain size on the substrate temperature at a molybdenum concentration of about 0.3 at% was recorded. It was suggested that this process is related to the nature of the distribution of molybdenum atoms between large- and small-angle grain boundaries at low temperature. It has been documented that molybdenum and tantalum show a tendency to form segregations at the grain boundaries of the copper matrix, which take over the copper crystal lattice. This leads to the appearance of an atypical for molybdenum and tantalum HCC modification of the crystal lattice on the electron diffraction patterns. 2. The experiments helped to study the conditions for the formation of anomalous supersaturated solutions of molybdenum and tantalum in the copper matrix. It has been found that the degree of solubility increases with increasing concentration of the alloying element, deposition rate, and decreasing substrate temperature. A qualitative mechanism for the formation of these solutions has been proposed, which consists in the kinetic capture of alloying element atoms by the crystallization front during joint condensation in vacuum from a vapor mixture. The temperature and time intervals of solution decomposition are found to be much higher than similar processes in metals and alloys. It is shown that aging can have a two-stage character. The first peak of dispersion hardening is caused by the decomposition of the solid solution. The second maximum of microhardness is associated with processes occurring in the second phase at the grain boundaries. 3. The evolution of the green structure of copper condensates under the influence of temperature was studied. A series of isothermal anneals at temperatures ranging from 600 to 1000°C was performed. It was found that the average grain size of the matrix metal remains ultrafine even after annealing at 0.8T of copper melting. That is, molybdenum and tantalum greatly increase the thermal stability of dispersed copper pseudoalloys. The coherent connection between the matrix metal and alloying elements, which was formed during the formation of the derivative structure, is preserved even after annealing at temperatures close to the melting point of copper. The effect of heredity in the form of areas free of second-phase particles in the annealed structure was first detected. 4. The influence of segregations of alloying elements on the thermal stability of vacuum condensates of copper alloyed with molybdenum and tantalum in the amount of about 0.3-0.4 at% was studied. It has been found that vacuum deposition at a lower temperature stimulates adsorption processes and the formation of atomically distributed layers of alloying elements at the grain boundaries of the matrix metal, which make a significant contribution to the inhibition of grain boundary motion, reducing their surface energy. The contribution of the kinetic mechanism of increasing thermal stability, which consists in the inhibition of grain boundary motion by alloying element particles, was evaluated. A significant deviation from the theoretical dependence of the grain size on the size of the alloying element particles (Zinner's pinning) was recorded. On this basis, it is assumed that the thermal stability of the green structure is determined by the joint influence of the kinetic (Zinner pinning/inhibition of grain movement by alloying element particles) and thermodynamic mechanisms (inhibition of grain boundary movement due to the reduction of surface energy by atoms of the alloying element adsorbed on their surface) 5. It was found that the temperature of the beginning of the growth of copper matrix grains is limited not by the mechanical action of molybdenum or tantalum particles (Zinner mechanism), but by the destruction of atomically distributed adsorption layers of impurities. After their destruction, the rate of grain boundary migration is determined by the kinetic mechanism. 6. It has been established that the particles of the second phase retain a certain structural conformity in the form of partial coherence even after isothermal annealing at high temperature. On the basis of experimental data obtained during a thorough analysis of the fine structure of electron micrographs, this structural correspondence between the grain surface and alloying element particles was modeled. It is shown that the unusual connection between the matrix metal and the alloying element is expressed in the interaction of the alloying element atoms with the adsorption cells of the copper matrix. The results of experimental and theoretical studies obtained in this work can be used as a scientific basis for new technologies for the production of nano- and submicrocrystalline metals in the form of films, foils, coatings, and massive products with an ultra-high combination of strength and conductive properties. The peculiarity of these metals in comparison with existing analogues produced in Ukraine and abroad is a specific structural state stable up to 0.8-0.9 of the melting point of the matrix metal, which is 200-300°C higher than the similar indicators currently used for copper-based alloys. The developed copper-based metals can be used as coatings and independent elements of electrical contact materials, tips, electrodes for chiseled welding, highly conductive and thermally stable elements of electronic equipment, etc. The results obtained in this thesis can be used in research centers and universities in Ukraine and abroad, where similar research topics are being developed. The results of theoretical and experimental research have been implemented in the following state budget topics: "Development of material science bases of structural engineering based on Cu and Al" (State Research Project No. 0119U002567), "Improvement of military products characteristics by analysis and synthesis of material properties based on microstructural models" (State Research Project No. 0117U004970). In addition, the research of V. A. Ryaboshtan was implemented in the educational process of NTU "KhPI" in the following direction: the results of the research of V. A. Ryaboshtan were successfully used in teaching such scientific disciplines as "Special methods of electron microscopy", "Physical bases of strength and plasticity of materials", "Nanomaterials", "Nanostructured materials and coatings" and "Fine methods of materials research".
Визначення закономірностей впливу локальних пошкоджень та температури на дисипативні властивості вуглепластиків
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Кобзар, Валерій Леонідович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктор філософії за спеціальністю 132 Матеріалознавство. – НТУ «ХПІ», Харків, 2023. Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-прикладної задачі адаптації методик визначення амплітудної залежності дисипативних властивостей матеріалів до багатошарових композитів та односпрямованих вуглепластиків, застосування цих методик для визначення дисипативних властивостей композитних матеріалів за умов низьких та підвищених температур та локального об'ємного пошкодження. Метою дисертаційної роботи є визначення закономірностей впливу локальних пошкоджень та температури на розсіювання енергії коливань композитних матеріалів та стрижневих елементів. Об'єктом дослідження є вимушені та вільні коливання зразків з композитного матеріалу з локальними пошкодженнями та за різних температур. Предмет дослідження – закономірності впливу локального пошкодження та температури на вібраційні характеристики пружніх тіл з композитного матеріалу при вимушених та вільних згинних коливаннях в області основного резонансу. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження, описано методи дослідження, надана інформація про наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. У першому розділі проведено аналіз методів дослідження та моделювання пошкоджень композитних матеріалів та елементів конструкцій. Висвітлені основні підходи до моделювання композитних стержнів з пошкодженням, а також наведено вплив пошкоджень на модальні характеристики композитних стержнів. Аналіз літературних джерел показав недостатню 3 кількість публікацій щодо амплітудних залежностей дисипативних властивостей копозитів у різних температурних умовах та через локальні пошкодження. Розглянуто джерела щодо можливості використання акустичної емісії для кількісної оцінки пошкодженності композитів. У другому розділі проведено огляд відомих методик експериментального визначення дисипативних властивостей матеріалів та стрижневих елементів. Обґрунтовано вибір методики вільних затухаючих коливань. Характеристикою розсіювання енергії при випробуваннях зразків матеріалу за умови чистого згину обрано амплітудно-залежний логарифмічний декремент коливань. Наведено опис системи, призначеної для визначення дисипативних властивостей зразків матеріалу в умовах чистого згину при кімнатній, низькій та підвищеній температурі. Розроблено та описано систему автоматизованого проведення досліджень демпфірувальної здатності консольних зразків матеріалу. У третьому розділі проведено дослідження демпфірувальної здатності композитних матеріалів в екстремальних умовах експлуатації. Проведено дослідження впливу температури на характеристики розсіювання енергії в плетених багатошарових вуглепластиках марки Т300 та односпрямованих вуглепластиках. Встановлено, що для багатошарових плетених вуглепластиків декремент коливань під кутом 45° виявився в 4.5 рази вищим, ніж для кутів вирізу 0 та 90°. Дослідження проводились у діапазоні температур від –150°С до +250°С. Встановлено амплітудні залежності декременту коливань для діапазону деформації до 1100 мкм/м за умов чистого згину. Встановлено піки дисипативної здатності для багатошарових плетених вуглепластиків, спричинені фазовими перетвореннями в матриці композиту при температурах –50°С та +120°С. Пік дисипативної здатності при –50°С не супроводжувався падінням модуля пружності. Показана кореляція між зростанням дисипативної властивості та градієнтом зміни модуля пружності матеріалу. Для 4 односпрямованих вуглепластиків встановлено ріст амплітудної залежності декременту коливань зі зростанням температури. У четвертому розділі проведено дослідження впливу статичного продавлювання локальної ділянки на амплітудно-залежне розсіювання енергії в багатошарових композитах. Встановлено амплітудні залежності декременту коливань для непошкоджених зразків та за умови локального контрольованого статичного пошкодження при консольному згині у діапазоні деформації до 1100 мкм/метр. Кількісний контроль ступеня пошкодженості ділянки зразка здійснювався за допомогою рахунку акустичної емісії. Показано, що зі зростанням локальної пошкодженості підвищується дисипативна здатність зразків, особливо при малих амплітудах коливань, що свідчить про значний вплив сухого тертя через проковзування шарів вуглепластика. Показано, що залежність відносної зміни частоти вільних коливать внаслідок локального пошкодження значно менша ніж приріст логарифмічного декремента коливань. Побудовано графіки замплітудної залежності логарифмічного декременту коливань для консольних стержней з локальними пошкодженнями на відстані 0.1 та 0.3 довжини зразку від лінії закріплення для різних частот вільних коливань механічної системи. Показано, що внаслідок пошкодження у діапазоні частоти коливань 12…48 Гц для середньої ступені пошкодження переважає дисипація енергії коливань через сухе тертя ймовірно викликане розшаруванням. Експериментально встановлено, що зміна дисипативних характеристик консольних стержнів внаслідок пошкодження значно залежить від відстані пошкодження до лінії закріплення. У п'ятому розділі проведено дослідження впливу низькоенергетичного удару по локальній ділянці на амплітудно-залежне розсіювання енергії в багатошарових композитах. Встановлено амплітудні залежності логарифмічного декременту коливань для непошкоджених зразків та за умови локального ударного пошкодження пуансонами різної форми при деформації чистого згину в діапазоні деформації до 1100 мкм/м. Ступінь пошкодженості 5 задавався кінетичною енергією масивного тіла. Встановлено вплив форми пуансона на ріст дисипативних хактеристик внаслідок пошкодження. При пошкодженні пунсоном з гострим кінцем спостерігається монотонний ріст дисипативних властивостей зі збільшенням поглинутої енергії. У випадку пунсону з тупим кінцем при малій енергії удару спостерігається незначний ріст дисипативних властивостей. При великій енергії удару, що перевищує певний поріг із незначним статистичним розкидом, дисипатина властивість зразка різко зростає, що свідчить про множинні розшарування в об'ємі пошкодженого матеріалу. Розроблено дискретну модель для випадку амплітудної залежності логаріфмічного декремену коливань з локальним піком, показано сумісна дія сухого та в’язкого тертя. Показано, що допомогою комбінації вязкого та сухого тертя можна відтворити немонотонні амплітудні залежності логарифмічного декременту коливань. Визначено діапазон температури –30…+70°С та амплітуди коливань для яких зміна логарифмічного декременту коливань внаслідок пошкодження може бути виявлена на фоні його температурних змін. Експериментально доведено, що при локальному пошкодженні як низькошвидкісним ударом, так і статичним продавлюванням зі збільшенням пошкодженості ділянки зростає рівень розсіювання енергії коливань особливо за малих амплутуд.
Удосконалення технології зварювання дефектів литих корпусів турбін
(2023) Артьомова, Світлана Віталіївна
Дисертація на здобуття накового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство. – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерство освіти і науки України, Харків, 2022. Об’єктом дослідження є технологія заварювання дефектів литих конструкцій із перлітних сталей способом поперечної гірки (СПГ) електродами ТМЛ-3У та УОНИ 13/45 без попереднього і супутнього підігрівання та після зварювального відпуску. Предметом дослідження є зв'язок структурного стану зварюваного металу в зоні термічного впливу з комплексом властивостей, що характеризують надійність зварних з'єднань, отриманих під час заварювання дефектів литва стосовно хромо-молібдено-ванадієвих сталей. У дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача підвищення ефективності технології виправлення браку литва за допомогою застосування удосконаленої технології заварювання способом поперечної гірки. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, наведена наукова новизна та сформульоване практичне значення отриманих результатів. В першому розділі здійснений аналітичний огляд сталей, що використовують для корпусних турбін, їх властивості, загальна характеристика та особливості їх зварювання та термічної обробки. Розглянуті сучасні технології зварювання при виготовленні і ремонті великогабаритних конструкцій зі сталей перлітного класу, їх труднощі та недоліки. Оцінені фактори, що впливають на тріщиноутворення та схильність до крихких руйнувань теплостійких сталей. Поставлені основні задачі дисертаційної роботи, обрано напрями досліджень. У другому розділі розглянуті експериментальні і розрахункові методи, які застосовувалися в процесі виконання роботи. Оскільки головна увага приділялася розгляду впливу зварювання способом поперечної гірки без попереднього та супутнього підігрівання теплотривких сталей на рівень механічних властивостей, а також на їх стійкість проти крихкого руйнування, були застосовані методи дослідження короткочасної міцності та пластичності (σв, σ₀ꓹ₂, δ, Ψ), ударної вязкості (KCU, KCV). За цими даними будували графіки залежності рівня властивостей в різних зонах зварного з'єднання від способу та режиму зварювання, а також від температури випробування. Проводили порівняльний аналіз запропонованого методу зі штатною технологією заврювання дефектів. Використовували декілька методів вимірювання твердості (по Віккерсу HV, мікротвердість Нµ), особливу увагу надавали високотемпературній області ЗТВ. Під час розгляду процесів структуроутворення на різних масштабних рівнях були застосовані методи різноманітної прецизійної здатності (оптична і електронна мікроскопія, рентгеноструктурний аналіз). За допомогою методу електротензометрії проводили вимірювання залишкових зварювальних напружень (поздовжніх σx та поперечних σy щодо осі шва) в поверхневих шарах зварного з’єднання з ціллю побудови епюр. Особливу увагу надавали напругам розтягування, які спричиняють основний негативний вплив на зниження рівня тріщиностійкості. Оцінювання опору зон зварних з'єднань крихкому руйнуванню при статичному вигині проводили за величиною критичного коефіцієнту інтенсивності напружень К₁с у верхівці тріщини. У третьому розділі представлені результати досліджень якості зварного з'єднання зі сталі 15Х1М1Ф, виконаного СПГ без подальшої термообробки по макроконтролю. Наведено результати виміру твердості HV з двох сторін шва на трьох рівнях по висоті в основному металі, ЗТВ та в металі шва. На підставі поміченої особливості зміни твердості в ЗТВ для отримання більш точного розподілу твердості, проведли вимірювання мікротвердості Нµ на різних відстанях від межі сплавлення. Досліджено мікроструктуру в місцях виміру твердості, що дозволило підвищити точність її класифікації. Проведено випробування короткочасних механічних властивостей. У вигляді графіків наведена залежність рівня σв, σ₀ꓹ₂, δ, Ψ, KCU, KCV від зони вирізки зразку (основний метал, ЗТВ, метал шва) та від температури випробування. Для порівняння виконали дослідження та аналіз вищезгаданих характеристик для зварних зєднань, отриманих при зварюванні за штатною технологією. За даними досліджень цього розділу одержано наступні результати: - на зразках після зварювання СПГ без відпуску дефектів макроструктури не виявлено; - характер зміни твердості HV на усіх рівнях по висоті швів як з термообробкою після зварювання, так і без, однаковий. У зразках, що не піддавалися після зварювання термічній обробці, твердість основного металу знаходиться на тому ж рівні; в ЗТВ відбувається нерівномірне її підвищення: в середині ЗТВ значення твердості можуть бути вищі, ніж поблизу межі сплавлення, що пов'язано з процесами, обумовленими автотермообробкою при термоциклу ванні. Метал зварного шва має більш високу твердість в порівнянні з іншими ділянками з'єднань. Значне підвищення твердості з двох сторін межі сплавлення можна пояснити наявністю підзагартування; - у зразках, що пройшли після зварювання термічну обробку у вигляді високого відпуску в порівнянні з основним металом твердість в ЗТВ і металі шва поблизу межі сплавлення залишається більш високою; - виміри мікротвердості в ЗТВ зварного з'єднання підтверджують достовірність вимірів твердості HV, що вказують на більш високу твердість в середині ЗТВ, чим поблизу межі сплавлення; - зварювання СПГ не знижує опір крихкому руйнуванню в зоні термічного впливу і шві в порівнянні з основним металом в початковому стані, а після високого відпуску, проведеного після зварювання, ударна в'язкість ЗТВ навіть вище, ніж основного металу; - при зварюванні СПГ, завдяки підвищенню частоти термоциклування, автопідігрівання діє ефективніше, що і сприяє уповільненню швидкості охолодження. Це призводить до утворення сприятливої структури верхнього зернистого бейніту. Четвертий розділ присвячено дослідженню здатності металу шва і зони термічного впливу чинити опір крихкому руйнуванню після зварювання СПГ, виконаних за штатною технологією та без додаткової термообробки, шляхом визначення критичної температури крихкості та тріщиностійкості при кімнатній та мінусових температурах. Побудовано графіки зміни ударної в’язкості металу різних ділянок зварних з’єднань зі сталі 15Х1М1Ф, виконаних за різними технологічними варіантами. Доведено, що майже при усіх температурах випробування ударна в'язкість KCV у високотемпературній області ЗТВ значно вище у зразків, які після зварювання не піддавалися термічній обробці. Представлені результати вказують на те, що після зварювання СПГ в зоні термічного впливу поблизу межі сплавлення утворюється структура з більш високим опором крихкому руйнуванню в порівнянні із структурою основного металу і металу шва. При цьому перехідна критична температура крихкості цієї ділянки ЗТВ зміщується до низьких температур. Характерним для обох способів зварювання є ідентичне значення критичної температури крихкості високотемпературної області ЗТВ (Т50 = −20ºC), яка не змінюється після проведення високого відпуску. За допомогою електронного мікроскопу детально досліджено фрактографію зламів зразків після випробування ударний вигин. Експериментально доведено, що рівень твердості в зварних з'єднаннях, виконаних СПГ і за штатною технологією близькі за абсолютними показниками. Для порівняння преведено дослідження впливу підвищених режимів на структуру і механічні властивості. Результати випробувань розривних зразків показують, що підвищення режимів зварювання призводить до зниження міцносних характеристик металу ЗТВ, проте вони дещо вищі за основний метал. Найбільш високими показниками характеризується метал шва. Характеристики пластичних властивостей, незважаючи на відмінності в твердості і міцності, мало відрізняються. Також негативний вплив спостерігається на опір крихкому руйнуванню металу високотемпературної області ЗТВ. Головною причиною, найімовірніше, являється утворення бейніту неоднорідної морфології. Встановлено, що істотної різниці в напруженому стані зварних з'єднань, виконаних ОСС з підігріванням до 350 – 400ºС в порівнянні із СПГ без підігрівання не виявлено, тому таке підігрівання застосовувати при виправленні дефектів недоцільно. Спектроскопічно досліджено тонку структуру зразків після СПГ без додаткової термообробки, визначено хімічний склад карбідів. П'ятий розділ присвячено вивченню впливу зварювання способом поперечної гірки на розподіл твердості, рівень механічний властивостей та структуру зварних з'єднань зі сталі 25Л. Дослідження виконані на зразках в обсязі: з попереднім підігріванням, з високим відпуском після зварювання і без попередньої та наступної термообробки. Залежність зміни твердості від способу зварювання та від зони виміру наведено у вигляді графіків. Встановлено, що незалежно від технології зварювання відзначається підвищення твердості в ЗТВ поблизу межі сплавлення. Представлені механічні властивості основного металу, металу шва та високотемпературної області ЗТВ. Спостерігається, що разом з високими характеристиками міцності метал шва після наведених технологій обробки має високу пластичність (особливо високі значення має характеристика відносного стискування ψ). При цьому пластичність найбільш висока в зразках, які після зварювання підлягали термічній обробці . Пластичні властивості основного металу і металу високотемпературної області ЗТВ, в порівнянні з металом швів, помітно знижуються, особливо ψ (після усіх варіантів обробок така властивість зменшується більш ніж в два рази). Термічна обробка після зварювання у вигляді високого відпуску сприяє підвищенню ударної в'язкості KCV металу шва. Отже, після зварювання СПГ високотемпературна область ЗТВ, незважаючи на підвищену твердість, має однакову з основним металом здатність опору утворенню холодних тріщин. Це може бути обумовлено подрібненням зеренної будови ЗТВ в результаті теплової і деформаційної дії при зварюванні. За результатами металографічних досліджень встановлено, що при багатошаровому зварюванні СПГ мікроструктура ЗТВ і наплавленого металу шва завдяки високотемпературному нагріву при наплавленні шарів перекристалізується і стає дрібнозернистою і являє собою бейніт з рівноосними зернами фериту.
Вплив структурно-фазового стану на експлуатаційні характеристики металу зварних з'єднань паропроводів
(2023) Гаращенко, Олена Сергіївна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії зі спеціальності 132 – Матеріалознавство (13 – механічна інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», МОН України, Харків, 2023. Роботу виконано на кафедрі «Зварювання» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України. З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» за адресою: 61002, м. Харків, вул. Кирпичова 2. У дисертаційній роботі представлені результати дослідження змін структурно-фазового стану металу зварних з’єднань паропроводів теплових електростанцій, а також розробки практичних рекомендацій щодо удосконалення методик металографічного аналізу для подальшого уточненого визначення їх надійності та залишкового ресурсу експлуатації. Об’єкт дослідження – структурно-фазовий стан металу зварних з’єднань паропроводів ТЕС із теплостійких сталей перлітного класу 12Х1МФ і 15Х1М1Ф. Предмет дослідження – кількісне визначення зміни структурно-фазового стану та експлуатаційних характеристик металу зварних з’єднань паропроводів, які тривалий час експлуатуються в умовах повзучості і малоциклової втоми. Дослідження структурно-фазового стану, властивостей і пошкоджуваності металу зварних з'єднань паропроводів виконували шляхом використання відповідних методів на зразках зварних з'єднань, які були вирізані з діючих паропроводів. При проведенні експериментальних досліджень використовували, як стандартні методи і методики, що частково були удосконалені, так і оригінальні. Вивчення структури, хімічного складу і будови здійснювали з використанням методів оптичної, растрової і просвічуючої електронної мікроскопії. Проведені дослідження металу зварних з’єднань паропроводів, що довготривало працюють в умовах повзучості і малоциклової втоми, на основі фрактального аналізу і методу січних прямих ліній, дозволили створити методичну основу для оцінки змін структурно-фазового стану, який призводить до руйнування. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що на підставі теоретичних та експериментальних досліджень здобувачем: - вперше установлено відмінності фрактальних розмірностей границь структурних складових на зображеннях окремих ділянок зварних з’єднань паропроводів у залежності від часу експлуатації; - вперше при оцінці впливу структурно-фазового стану металу зварних з’єднань на залишковий ресурс враховується геометрична складність границь виділення структурних складових, яка визначається за допомогою статистичного аналізу розподілу фрактальної розмірності, одержаної з використанням клітинного методу виміру; - удосконалено кількісну оцінку нерівномірності розподілу структурних складових металу для виявлення особливостей змін структурно-фазового стану окремих ділянок ЗТВ, а також металу шва і основного металу в залежності від напрацювання в умовах повзучості; - удосконалено оцінку кількості вкраплень перліту, їх розмірів та відстаней між ними для статистично обгрунтованого визначення структурно-фазових змін металу зварних з’єднань паропроводу з урахуванням ресурсу напрацювання; - отримало подальший розвиток дослідження структурно-фазового стану металу зварних з'єднань паропроводів із теплостійких сталей перлітного класу 12Х1МФ і 15Х1М1Ф, які тривалий час (понад 280 тис. год.) експлуатуються в умовах повзучості і малоциклової втоми на базі комплексного статистичного аналізу геометричних характеристик структурних елементів. У результаті проведених досліджень розроблено рекомендації щодо визначення залишкового ресурсу експлуатації зварних з'єднань, які тривалий час експлуатуються в умовах повзучості. Результати виконаних досліджень доповнили навчальні курси «Експериментальні методи у зварюванні», «Зварювання сталей і кольорових металів», що викладаються студентам у Національному Технічному Університеті «Харківський політехнічний інститут». Результати виконання дослідження оцінено та рекомендовано до впровадження на АТ «Українські енергетичні машини». У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, наведено наукову новизну та сформовано практичне значення одержаних результатів. У першому розділі розглянуто сучасний стан і тенденції розвитку в області дослідження зварних з’єднань паропроводів, які довготривало експлуатуються в умовах повзучості і малоциклової втоми. Також представлено хімічний склад та механічні властивості сталей, що використовуються для виготовлення елементів систем паропроводів і їх зварних з’єднань. Встановлено основні вимоги до структурного стану і властивостей конструкцій зварних з'єднань, а також особливості контролю якості зварних з'єднань стосовно надійності їх роботи і визначення залишкового ресурсу. У другому розділі наведено методики, обладнання та матеріали, що були задіяні для дослідження і аналізу структурно-фазового стану та властивостей металу зварних з’єднань. Представлено також удосконалені методики кількісного аналізу структурних змін в металі досліджуваних зразків зварних з’єднань, вирізаних з діючих паропроводів, які проводили за допомогою оптичної і електронної мікроскопії. Наведено опис розробленої компютерної програми статистичного аналізу металографічних зображень металу зварних з’єднань паропроводів. У третьому розділі розглянуто питання щодо удосконалення кількісної оцінки структурних змін в металі зварних з'єднань паропроводів і котлів. Представлено результати металографічного аналізу структурних змін в металі, що відбуваються в процесі тривалої експлуатації в умовах повзучості і малоциклової втоми. Дослідження виконували на зразках зварних з’єднань зі сталей 12Х1МФ і 15Х1М1Ф, що мали різний термін напрацювання. В процесі аналізу мікроструктури шліфів різних ділянок зварних з’єднань виявлено відносний вміст структурно-фазових складових і їх розподіл за координатами зображень. Виконано порівняльний аналіз статистичних характеристик розподілу і вмісту структурних складових на ділянках металу зварних з'єднань з різним терміном напрацювання. На основі фрактального аналізу розглянуто складність контурів границь структурних складових. Статистичний аналіз результатів металографічного вивчення мікрошліфів методом січних ліній позволив одержати розподіли кількості зерен, їх розмірів та відстаней між ними. Представлено обґрунтований опис структурних змін в металі окремих ділянок зварних з'єднань. Перлітна складова значною мірою впливає на структурно-фазові перетворення в металі зварних з'єднань паропроводів, що довготривало працюють в умовах повзучості і втоми. Тому встановлено рівень неоднорідності перлітної складової в структурі зварних з'єднань. Виконувався фрактальний аналіз границь зерен перліту на основі зображень одержаних мірошліфів. Порівняльний аналіз фрактальних розмірностей границь структурних складових на зображеннях мікрошліфів ділянок ЗТВ, металу шва і основного металу реалізовано для різних термінів напрацювання. Дослідження та порівняльний аналіз виконували для ділянок ЗТВ, основного металу і зварного шва. В результаті вдалось обгрунтовано підтвердити можливість оцінки геометричної складності границь структурних складових в основному металі паропроводів та їх зварних з'єднань на основі аналізу статистичних характеристик розподілу їх фрактальної розмірності. Створено узагальнені методичні основи для обгрунтованого фрактального аналізу границь структурних складових металу зварних зеднань шляхом визначення впливу світлості пікселів зображення (за HSV-моделлю кольору) і масштабу виміру на фрактальну розмірність. Це дозволило отримати універсальне уявлення складності контурів всіх структурних складових досліджуваного зображення мікрошліфа. Таким чином стає можливим обгрунтований вибір порогової величини яскравості кольору для вивчення меж виділення областей основної складової структури – перліту. Підтверджено вплив терміну напрацювання паропроводу на структурні зміни, виражені збільшенням фрактальної розмірності, відповідно складності будови контурів структурних складових. Статистичний аналіз результатів оцінки кількості зерен структурних складових та їх розмірів для мікрошліфів досліджуваного металу, отриманих методом сікучих прямих ліній, дозволив створити науково-обґрунтовану основу для досліджень структурних змін. Встановили, що для оцінки впливу ресурсу паропроводу на структурні зміни доцільно використовувати середньоквадратичні відхилення від середньої кількості зерен та їх розмірів. У четвертому розділі наведено результати досліджень структурно-фазових змін в металі ділянок зони термічного впливу зварних з'єднань паропроводів після тривалого впливу експлуатаційних навантажень в умовах повзучості і малоциклової втоми. Виконано металографічний аналіз структурно-фазових змін в металі шва і в металі ділянок неповної перекристалізації, нормалізації, сплавлення та перегріву ЗТВ. Аналіз виконували на зразках зварних з’єднань з напрацюванням понад 280 тис. год. Встановлено відмінності серед ділянок металу шва, перегріву, нормалізації і неповної перекристалізації шляхом порівняльного аналізу статистичних характеристик розподілу досліджених ознак (кількості структурних елементів, розмірів і відстаней між ними) та фрактального аналізу складності контурів границь зерен структурних складових ЗТВ. Виявлено збільшення неоднорідності досліджених структурних елементів у наступній послідовності: ділянка металу шва, перегріву, нормалізації та неповної перекристалізації. Встановили, що для ділянки неповної перекристалізації є характерною зміна структурної неоднорідності у широкому діапазоні, як від найменших, так і до найбільших відхилень від закону рівномірного розподілу. У п’ятому розділі викладено результати досліджень впливу експлуатаційних навантажень на метал зварних з`єднань паропроводів. Розглянули особливості впливу фізико-хімічних процесів на структурно-фазові зміни, механізми повзучості і втоми, а також на експлуатаційні характеристики, пошкоджуваність і руйнування зварних з’єднань. Оцінили статистичні характеристики досліджених ознак структурно-фазового складу металу після руйнування зварних з’єднань і обґрунтували практичне використання методичних розробок по металографічному аналізу зображень металу. Визначено допустимі значення радіусів пор, в залежності від робочої температури і прогнозованого терміну експлуатації паропроводів що, дозволило доповнити методичну базу для металографічного дослідження структурно-фазового стану металу зварних з’єднань. Одержано статистичні характеристики кількості зерен, їх розмірів і відстаней між ними для зруйнованих зразків зварних з’єднань та визначено тенденції їх змін з ростом терміну експлуатації. Таким чином повноцінно доповнено методичну базу для прогнозування залишкового ресурсу експлуатації зварних з’єднань. Встановлено що потрібно враховувати виявленівідмінності металу шва, ділянок перегріву, нормалізації і неповної перекристалізації ЗТВ як за фрактальною розмірністю, так і за коефіцієнтом варіації досліджених ознак. За результатами металографічного дослідження мікрошліфів зразків методом січних ліній визначено основні ознаки для прогнозування залишкового ресурсу експлуатації зварних з’єднань паропроводів.
Підвищення надійності та збільшення ресурсу зварних з'єднань паропроводів і роторів турбін ТЕС
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2023) Касьяненко, Ігор Вікторович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство (13 – Механічна інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, м. Харків, 2023. Роботу виконано на кафедрі «Зварювання» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України. З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» за адресою: 61002, м. Харків, вул. Кирпичова, 2. Об’єкт дослідження: структурні перетворення, структурно-фазовий стан, пошкоджуваність і властивості зварних з’єднань паропроводів зі сталей 12Х1МФ і 15Х1М1Ф, а також роторів зі сталі 25Х2НМФА стосовно збільшення надійності і ресурсу їх напрацювання в умовах повзучості і втоми. Предмет дослідження: вплив фізико-хімічних процесів на структурно-фазові перетворення і формування браковочних структур в металі зварних з’єднань паропроводів, зв’язок структури зварних з’єднань паропроводів і роторів з їх властивостями і пошкоджуваністю. Дисертацію присвячено проведенню комплексних досліджень фізико-хімічних процесів, які відбуваються в металі зварних з’єднань паропроводів із сталей 12Х1МФ і 15Х1М1Ф і забезпечують структурно-фазові зміни. Наведені дослідження проводили стосовно зварних з’єднань паропроводів і роторів турбін, які довготривало працюють в умовах повзучості і втоми, а також підвищених робочих навантажень. Обґрунтували, що структурно-фазові зміни сприяють пошкоджуваності зварних з’єднань, яка відбувається за механізмами повзучості і втоми. 3 Дослідження особливостей проходження структурно-фазових перетворень надало можливість зменшити їх прояв. Наведений прояв зменшили шляхом отримання вихідної структури зварних з’єднань паропроводів і роторів з покращеними якісними характеристиками їх структури. Для такого покращення використовували удосконалені процеси зварювання, показники яких ґрунтуються на результатах моделювання зварювального нагрівання з’єднань, що виготовляються. Встановили залежність надійної експлуатації зварних з’єднань паропроводів і роторів турбін, а також їх ресурсу від структурно-фазового стану металу зварних з’єднань і наявності пошкоджень у вигляді пор повзучості і тріщин втоми. Дослідження проведені за допомогою сучасних методів аналізу структурно-фазового стану і визначення властивостей зварних з’єднань, а також з використанням моделювання зварювального нагрівання з’єднань, що виготовляються. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, поставлена мета та основні задачі дослідження, наведені основні методи дослідження і наукова новизна та сформульовано практичне значення отриманих результатів. У першому розділі на основі вітчизняного і зарубіжного досвіду обґрунтована перспективність дослідження структурно-фазового стану зварних з’єднань паропроводів із теплостійких сталей, які експлуатуються понад 270 тис. год. в умовах повзучості і втоми. У другому розділі подано опис методів, методик, обладнання і матеріалів, що використовувалися в дослідженнях. Наводиться короткий опис удосконаленої технології зварювання і моделювання зварювального нагрівання, використання яких забезпечило отримання зварних з’єднань паропроводів і роторів з покращеною структурою. Для досліджень структури зварних з’єднань використовували методи оптичної і електронної мікроскопії, а також поверхневий мікрозондовий аналіз. Загалом отримані результати структурного аналізу забезпечили оптимізацію умов отримання більш якісних зварних з’єднань паропроводів і роторів. Третій розділ присвячений дослідженню впливу структурно-фазового стану і деформації металу зварних з’єднань паропроводів, які експлуатуються понад 270 тис. год. в умовах повзучості і втоми, на їх пошкоджуваність. Четвертий розділ містить результати досліджень зв’язку структурно-фазового стану довготривало експлуатуємих зварних з’єднань з їх мікропошкоджуваністю в умовах повзучості і втоми. Запропонована шкала визначення залишкового терміну напрацювання зварних з’єднань з наявністю пошкоджуваності їх металу. П’ятий розділ присвячений теоретичному і практичному обґрунтуванню надійності роботи, а також визначенню залишкового ресурсу довготривало працюючих в умовах повзучості і втоми зварних з’єднань паропроводів та роторів турбін ТЕС і АЕС.
Підвищення зносостійкості деталей машин переробки твердих корисних копалин шляхом наплавлення самозахисним порошковим дротом
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Трембач, Богдан Олександрович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 "Матеріалознавство" (13 – Механічна інженерія). – Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ; Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Об’єктом дослідження є процес зміцнення та відновлення деталей машин переробки твердих корисних копалин шляхом наплавлення самозахисним порошковим дротом з екзотермічною добавкою. Предметом дослідження є зміцнюючий сплав та зварювально технологічні властивості самозахисного порошкового дроту з екзотермічною добавкою у складі наповнювача, що забезпечує підвищення експлуатаційної стійкості наплавленого металу до абразивного та корозійного зношування. Велика кількість деталей машин переробки твердих корисних копалин працює в умовах абразивного та гідроабразивного зношування, що призводить до втрати їх експлуатаційних характеристик. Найбільш розповсюдженою технологією відновлення таких деталей є електродугове наплавлення. На теперішній час підвищуються вимоги до наплавлених деталей, що експлуатуються в зазначених умовах. В зв’язку з цим виникає необхідність вдосконалення електродних матеріалів для наплавлення, що забезпечує підвищення надійності роботи і ресурс обладнання для переробки твердих корисних копалин. Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-технічної проблеми, а саме розробці зносостійкого сплаву для зміцнення та відновлення робочих поверхонь деталей машин переробки твердих корисних копалин шляхом наплавлювання самозахисного порошкового дроту (СПД) з екзотермічною добавкою CuO – Al у складі наповнювача, що працюють в умовах абразивного та корозійного зношування. В літературних джерелах відсутні дані або недостатньо досліджено вплив екзотермічної добавки CuO – Al, що входить до складу наповнювача порошкового дроту та характер легування наплавленого металу міддю, на вміст та морфологію неметалевих включень, розмір зерна, механічні властивості, фазовий склад, мікроструктуру та трибологічні властивості зміцнюючого шару системи легування Fe C Cr B Ti. Це може стати суттєвим резервом для підвищення терміну експлуатації деталей, що піддаються зношуванню. У першому розділі виконаний аналітичний огляд стану питання й обґрунтовано вибір напряму досліджень. Проведений аналіз сучасного погляду на вимоги, стосовно показників, які характеризують наплавлений метал. Наведено огляд сучасної літератури відносно систем легування металу, що застосовуються для умов експлуатації при абразивному, гідроабразивному та корозійному зношуванні. Використання сталі 110Г13Л пояснюється зміцненням аустеніту при пластичній деформації в процесі роботи. При абразивному зношувані, коли частки металу зрізуються з поверхні, ця сталь поводиться незадовільно, а зносостійкість визначається відношенням твердості зносостійкого сплаву до твердості абразиву та опором мікрорізанню. Для захисту від абразивного зношування доцільно використовувати сплави з високим вмістом зміцнюючих фаз (карбідів, боридів, карбоборидів тощо). Зносостійкість матеріалів для наплавлення суттєво залежить від типу і кількості зміцнюючої фази в сплавах, розміру зерна, фазового складу, мікроструктури вмісту та морфології неметалевих включень. Обґрунтовано, що подальше підвищення зварювально-технологічних властивостей СПД та трибологічних властивостей наплавленого металу можливе за рахунок екзотермічної добавки CuO – Al, яка входить до композиції наповнювача СПД. Другий розділ «Вибір напрямків, методик та обладнання досліджень» присвячено вивченню штатних і оригінальних методик випробувань, що гарантували б достовірність отриманих результатів, та забезпечували відтворюваність отриманих результатів іншими дослідниками. Запропоновані нові методики досліджень, що дозволяють оцінити тепловий вклад екзотермічних добавок ев плавлення СПД та визначити температуру протікання можливої екзотермічної реакції у наповнювачі СПД. Третій розділ "Головні напрямки оптимізації складу самозахисного порошкового дроту" присвячений термодинамічним дослідженням оцінки протікання реакцій у композиції наповнювача порошкового дроту та термодинамічним розрахункам складу фаз за допомогою програмного продукту Thermo. Визначено композицію наповнювача СПД та вміст її легуючих компонентів. Встановлено, що частку екзотермічної добавки СuO Al у складі наповнювача СПД необхідно відповідно обмежувати через її значний вплив на зварювально технологічні характеристики дроту. Вперше проведені комплексні дослідження впливу окремих параметрів режимів наплавлення (швидкість подачі дроту, виліт дроту та напруга на дузі) та кількості екзотермічної добавки (CuO – Al) в осерді наповнювача СПД на показники плавлення, геометрію наплавленого валика, зварювальний струм та ефективну теплову потужність. На підставі аналізу з використанням методики Тагучи та дисперсійного аналізу (ANOVA) обрані оптимальні значення параметрів наплавлення та обґрунтовані межі додавання екзотермічної добавки CuO Al. Четвертий розділ "Дослідження впливу екзотермічної добавки на тепловий стан вилиту самозахисного порошкового дроту" присвячений дослідженню впливу композиції наповнювача СПД на показники плавлення та коефіцієнти засвоєння легуючих елементів. Досліджено вплив композиції наповнювача, а саме кількості екзотермічної добавки (ЕД) до складу наповнювача, співвідношення компонентів СuO/Al та CuO/C на показники плавлення (продуктивність наплавлення, коефіцієнт продуктивності наплавлення, коефіцієнт загальних втрат, коефіцієнт втрат на розбризкування та інше), коефіцієнту відновлення легуючого елементу та коефіцієнт засвоєння легуючих елементів. Експериментально та розрахунками підтверджено легування наплавленого металу міддю, за рахунок протікання екзотермічної реакції шляхом відновлення її з оксиду. На підставі отриманих експериментальних даних побудовані математичні залежності впливу зазначених чинників та обрані їх оптимальні значення, що склали: ЕД = 33..39%, СuO/Al = 3,75…4, СuO/C = 5…5,25. П’ятий розділ «Дослідження механічних та трибологічних властивостей вдосконаленого самозахисного порошкового дроту» присвячений дослідженню і порівнянню порошкового дроту марки СПД 200Х15С1ГРТ, що застосовується при відновленні деталей машин для переробки твердих корисних копалин, з експериментальним порошковим дротом з екзотермічною добавкою СuO – Al в складі наповнювача. Проведені експериментальні дослідження показали, що введення екзотермічної добавки CuО Al до складу наповнювача порошкового дроту знижує розмір зерна наплавленого металу та позитивно впливає на розмір і морфологіє неметалевих включень в наплавленому металі. За рахунок відновлення міді при протіканні екзотермічної реакції відбувається легування наплавленого металу, що чинить позитивний вплив на структуру та механічні властивості. Крім того, легування міддю підвищує опірність до утворення тріщин у верхніх шарах наплавленого металу при багатошаровому наплавлені. Порівняльні трибологічні випробування засвідчили підвищення стійкості до абразивного зношування закріпленим та незакріпленим абразивом у 1,52 та 1,63 разів відповідно, що підтверджується проведеними промисловими випробуваннями в умовах філії "Вільногірський гірничо-металургійний комбінат" (м. Вільногірськ). Зафіксовано підвищення стійкості зубів ковша видубовної машини в 1,5…2 рази. У дисертації наведено нові науково обґрунтовані розробки в області технології, матеріалів для відновного наплавлення зубів крокуючих та кар’єрних екскаваторів, які забезпечують підвищену стійкість до абразивного зношування та якість наплавленого металу, підвищення продуктивності відновлення та економію матеріальних ресурсів за рахунок ведення екзотермічної добавки до складу наповнювача СПД, спрямованих на вирішення важливої науково-технічної проблеми підвищення надійності роботи і терміну експлуатації деталей для переробки твердих корисних копалин.
Структурна інженерія вакуумно-плазмових конденсатів тугоплавких нітридів перехідних металів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Постельник, Ганна Олександрівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство (13 – Механічна інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, Харків, 2021. Об’єктом дослідження є процес формування фазово-структурного стану, та його впливу на механічні властивості та корозійну стійкість вакуумно-дугових покриттів на основі Cr. Предмет дослідження – елементний склад, фазово-структурний стан, субструктура, напружено-деформований стан, механічні властивості та корозійна стійкість вакуумно-дугових PVD покриттів. Дисертацію присвячено проведенню комплексних досліджень в області структурної інженерії вакуумно-дугових одно-, багатошарових та багатоелементних покриттів щодо впливу основних фізико-технологічних параметрів на структурний стан покриттів. Це може стати базою для розвитку основ структурної інженерії багатошарових та багатоелементних нітридних покриттів, для забезпечення надвисокої твердості та функціональних властивостей. Дослідження здійснені за допомогою як класичних, так і принципово нових сучасних методів отримання та моделювання процесів формування покриттів, рентгеноструктурного аналізу, механічних випробувань. У вступі обґрунтовано актуальність задач дослідження, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, поставлена мета та основні задачі дослідження, основні методи дослідження, приведена наукова новизна та сформульоване практичне значення отриманих результатів. У першому розділі на основі вітчизняного та зарубіжного досвіду послідовно показано перспективність удосконалення покриттів на основі нітриду хрому. Проаналізувавши наукові публікації встановлено, що нітриди хрому мають суттєві резерви при практичному втіленні багатошарових покриттів з комбінацією інших елементів та нітридів на їх основі. У основу реалізації експериментів по отриманню покриттів було покладено досвід, згідно з яким показником функціональності покриття (до його практичного застосування в експлуатаційних умовах) є не тільки базові механічні характеристики – твердість та модуль Юнга, але і додаткові показники, такі як субструктурні характеристики, адгезійна міцність, коефіцієнт тертя, корозійна стійкість в умовах електрохімічної корозії. У другому розділі подано опис матеріалів та методики досліджень. Базовою технологією нанесення всіх досліджених покриттів є технологія катодно-дугового осадження. Основними методами дослідження у роботі є рентгенівська дифрактометрія, завдяки якій встановлено фазовий склад, текстурованість, субструктурні характеристики та напружено-деформований стан покриттів. Така інформація дозволяє виявити вплив технологічних факторів на структуру покриття. Дослідження твердості та модуля пружності, у зв’язці з встановленим фазово-структурним станом, дозволяє спрогнозувати показники міцності. Наявність текстурованості дозволяє оцінити рівень її впливу на властивості. Встановлення рівня внутрішніх напружень разом з періодом модуляції покриття дає можливість оцінити рівень тріщиностійкості покриття та його адгезійну міцність, схильність до схоплювання (разом з оцінкою коефіцієнта тертя). Третій розділ присвячений дослідженню впливу технологічних параметрів при формуванні покриттів на фазово-структурний стан та механічні властивості покриттів на основі металевого хрому. За виконанням даного розділу отримані наступні результати: - дослідження морфології показали майже повну відсутність крапельної фази як на поверхні, так і в середині покриття; - рентгеноструктурним аналізом встановлено, що збільшення тиску азотної атмосфери від 2·10⁻⁵ Торр до 4,8·10⁻³ Торр призводить до зміни фазового складу Cr → β-Сr₂N → Cr + β-Сr₂N → CrN; - розрахунок субструктурних характеристик показав, що розмір ОКР знаходиться у нанодіапазоні (6…10 нм), а додаткова імпульсна стимуляція (-1200 В) призводить до збільшення розмірів ОКР на 4…24 %; - найбільше значення твердості для CrN покриттів складає 32 ГПа при PN₂ = 7,5·10⁻⁴ Торр та формуванні β-Сr₂N з переважною орієнтацією росту кристалітів [100] β-Сr₂N. Дана структура дозволяє знизити коефіцієнт тертя до 0,32 в системі "нітрид хрому - сталь" і до 0,12 в системі "нітрид хрому - алмаз". Четвертий розділ містить результати експериментальних досліджень багатошарових вакуумно-плазмових конденсатів нітридів перехідних металів. Створення наноструктурованих багатошарових конструкцій дозволяє отримати підвищені механічні властивості, такі як висока твердість, зносостійкість та корозійна стійкість. В даному розділі розглянуто три найбільш перспективні системи покриттів CrN/ZrN, CrN/MoN та CrN/Cu, з різною теплотою утворення нітридів та практичним застосуванням. Результати дослідження дозволили отримати наступні дані: - показано, що багатошарові покриття мають високу планарність шарів та незначну кількість крапельної складової в середині шарів; - рентгеноструктурним аналізом для багатошарового покриття CrN/ZrN показано формування двофазного стану, який з підвищенням потенціалу зсуву від -70 В до -150 В призводить до появи та збільшення β-Сr₂N фази; - встановлено, що при товщині шарів менше 50 нм подача Ub = -150 В призводить до зростання мікродеформації в шарах CrN при бомбардуванні їх іонами Zr з великим атомним радіусом та вагою, а в шарах ZrN спостерігається релаксація деформації; - показано, що високі значення твердості 41 ГПа в системі CrN/ZrN досягаються при товщині окремих шарів 50 нм, 𝑃𝑁₂= 1,2·10⁻³ Торр, Ub = -150 В; - для багатошарових покриттів CrN/MoN показано формування двофазного стану на основі ГЦК кристалічної решітки структурного типу NaCl; - встановлено, що збільшення потенціалу зсуву призводить до зменшення текстурованості, рівня мікродеформації і, як наслідок, зменшення мікротвердості від 38 ГПа до 25 ГПа; - встановлено, що коефіцієнт тертя багатошарових покриттів CrN/MoN становить 0,42…0,48 при навантаженнях близько 190 Н; - отримані дані корозійної стійкості показали, що нанесення багатошарового покриття CrN/Cu (з нанотовщинними шарами ≈ 8 нм при 𝑃𝑁₂= 5·10⁻⁴ Торр, Ub = -200 В) товщиною близько 10 мкм здатне захищати поверхню деталі в середовищі утворення хлорид-іонів протягом року. П’ятий розділ присвячений дослідженню багатоелементних вакуумно-плазмових одно- та багатошарових конденсатів нітридів перехідних металів. Одношарові багатоелементні покриття складаються з елементів, що мають найменшу (FeCoNiCuAlCrV) та найбільшу (TiCrZrAlNbV, TiCrAlNbSi) ентальпії утворення нітридів. Порівняно з традиційними матеріалами багатоелементні покриття володіють значно вищими функціональними властивостями: висока температурна стійкість, міцність, висока пластичність і в’язкість руйнування. Дослідження даного розділу дозволили одержати наступні результати: - показано, що для системи (FeCoNiCuAlCrV)N твердість 38 ГПа досягається при відносно низькому потенціалі зсуву -40 В; - встановлено, що високі показники твердості забезпечуються при Ub = -110 В: для системи (TiCrZrAlNbV)N твердість складає 44 ГПа, а для (TiCrAlNbSi)N – 38,5 ГПа; - результати дослідження морфології показали, що для багатошарових багатоелементних покриттів TiAlSiN/CrN, TiSi/TiAlCrYN, TiAl/TiAlCrYN спостерігається значна кількість крапельної фази.