ООО Научно-технический центр

НОВОСИБИРСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
АВИАЦИОНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА
ООО «НовосибНИАТ»
Утверждаю:
Директор
ООО «НовосибНИАТ»
Канд.техн.наук
___________В.Н.Гречко
ОТЧЁТ
ПО ТЕМЕ:
«Проведение предварительных исследований по
управлению пластичностью алюминиевых сплавов»
2009
Содержание
Стр.
Введение ……………………………………………………………………..
1.Состояние вопроса…………………………………………………………
2.Задачи, подлежащие решению…………………………………………….
3.Характер и содержание выполненных задач …………………………….
3.1.Программа проведения исследований …………………………..
3.2. Результаты исследований ………………………………………..
Заключение …………………………………………………………………..
Список использованных источников ………………………………………
2
ВВЕДЕНИЕ
Во всех существующих процессах обработки металлов давлением
формообразование детали осуществляется за счёт необратимых
(пластических) деформаций, упругие деформации исчезают после
прекращения действия силы. Деформация заключается в изменении
равновесных расстояний между частицами твёрдого тела. Силы
взаимодействия между частицами в твердых телах имеют электромагнитную
природу, поэтому нетрудно прийти к выводу, что электрическое воздействие
может эффективно менять характер пластического течения металлов.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
По-видимому, первым описал такой эффект французский физик Дюфор
в 1856 году. Он обнаружил, что прочность медной проволоки после
пропускания электрического тока уменьшается, а железной - увеличивается.
Идея управления механическим поведением твердых тел с помощью
электрических полей очень заманчива и кажется сравнительно просто
реализуемой. Этим объясняется большой интерес, проявленный
исследователями к проблеме электропластического эффекта. В настоящее
время исследованиями электропластичности металлов в нашей стране и за
рубежом занимается множество организаций: Институт физики прочности и
материаловедения СО РАН (г. Томск), Институт проблем сверхпластичности
металлов РАН (г.Уфа), Сибирский государственный индустриальный
университет (г. Новокузнецк), Институт электропластичности материалов
при Московском государственном индустриальном университете, Институт
машиноведения им. А.А.Благонравова РАН (г. Москва), Инновационная
компания «ФИСОНИК», ООО «ЭПДМ» (Электропластическая деформация
металлов) и другие.
Однако оказалось, что существенно повлиять на динамику процесса
пластической деформации позволяет пропускание достаточно мощных
импульсов электрического тока плотностью ~1ГА/м2 (1х109 А/м2).
Приведенная выше необходимая для реализации эффекта плотность
электрического тока объясняет трудности его реализации: такую плотность
тока можно создать только в сравнительно тонких проводниках с размерами
поперечного сечения всего около нескольких кв. миллиметров. Иначе может
не хватить мощности электростанции! Совершенно ясно, что использовать
электропластический эффект при формообразовании крупногабаритных
деталей вряд ли удастся.
Известно также, что наложение поляризующего электрического
потенциала увеличивает скорость низкотемпературной ползучести
технически чистого алюминия. Отмечается, что физика этого явления
изучена недостаточно. Использовать его для крупногабаритных деталей было
бы весьма заманчиво.
3
Другим фактором, влияющим на пластичность, является магнитное
поле. Применение импульсных магнитных полей с временем
деформирования 100…300х10-6 с и токами разряда до 500кА для
формообразования деталей из алюминиевых сплавов достаточно хорошо
известно в отрасли, но ограничено габаритами изделий порядка 500х500 мм.
В настоящее время интенсивно изучается влияние на физикомеханические характеристики металлов слабых магнитных полей.
Используются постоянные, переменные, импульсные и микроволновые поля.
Магнитопластические эффекты проявляются не только во время действия, но
и могут иметь эффект длительного последействия, быть необратимыми или
медленно релаксировать со временем. Имеются данные об уменьшении
предела текучести в ионных кристаллах в магнитном поле 1Т до 2,5 раз(120123). Такое аномально большое влияние слабых магнитных полей ставит
перед исследователями вопрос о природе этого явления. Принципиальной
трудностью является малость сил и энергий, сообщаемых полем любому
структурному элементу в магнитонеупорядоченной среде, вследствие чего
прямое действие не может повлиять на изменение состояние
термодинамически равновесной системы. Кроме того, трудность
интерпретации магнитопластических эффектов обусловлена высокой
сложностью, многостадийностью механизмов пластического течения и
большой «удалённостью» обычно регистрируемых макрооткликов. Между
изменениями состояния электронов (на которые только и может действовать
магнитное поле) и, скажем пределом текучести (или даже подвижностью
отдельных дислокаций) имеется несколько плохо изученных иерархических
уровней динамики дефектной структуры твёрдого тела. Вот далеко не
полный их перечень: изменение спинового и пространственных квантовых
чисел электронов во взаимодействующих дефектах; атомная перестройка в
квазимолекуле, образованной стопором и конкретно взаимодействующим с
ним коротким участком дислокационного ядра; открепление дислокации от
стопора; её движение до следующего крупного стопора; размножение и
взаимодействие движущихся дислокаций; макроскопический отклик
регистрирующего
устройства. Динамика
первых нескольких из
перечисленных стадий, протекающих за очень малые времена (оценочно 10 -12
- 10-6 с), практически не изучена в физике пластичности, но именно на неё
только и может влиять магнитное поле. Для адекватного описания
магнитопластических эффектов необходимо рассмотрение электронных
процессов на новом для физики пластичности электронно-спиновом и даже
спин-ядерном уровне.
Реальность влияния слабых магнитных полей на механические
свойства материалов подтверждена практическим использованием ЗАО
«Уральский проект» электромагнитной обработки расплава металла
непосредственно в плавильной печи. Волновой генератор «Модулятор
электромагнитный типа МЭМ-1»с потребляемой мощностью 50 Вт позволяет
проводить обработку расплава в объёмах до 60 т. Применение
низкоэнергетической нестационарной
волновой электромагнитной
4
обработки расплава позволяет получить улучшение структуры металла,
повышение прочностных характеристик.
2. ЗАДАЧИ, ПОДЛЕЖАЩИЕ РЕШЕНИЮ
Для реализации цели исследования по управлению пластичностью
алюминиевых сплавов в данной работе предполагается решить следующие
задачи:
Провести экспериментальную проверку влияния нестационарного
электромагнитного
поля
волнового
генератора
«Модулятор
электромагнитный типа МЭМ-1»на прочность алюминиевого сплава Д16.
ХАРАКТЕР И СОДЕРЖАНИЕ ВЫПОЛНЕННЫХ ЗАДАЧ
3.1Программа проведения исследований
Для исследования влияния нестационарного электромагнитного поля
волнового генератора «Модулятор электромагнитный типа МЭМ-1»на
прочность алюминиевого сплава Д16 были выбраны следующие
технологические режимы:
………………………………………………………………………………..
3) Воздействие нестационарного электромагнитного поля на образец, в
процессе плавления материала и изготовления отливки.
……………………………………………………………………………………….
3.1.3 Воздействие нестационарного электромагнитного поля на
образец, в процессе плавления материала и изготовления отливки
Алюминиевый сплав Д16 М загружался в графитовый тигель объёмом
10 см3 и нагревался до температуры 790 оС -+ 5 оС. Процесс нагрева и
выдержки при заданной температуре осуществлялся при воздействии
нестационарного электромагнитного поля волнового генератора «Модулятор
электромагнитный типа МЭМ-1», причем нагрев и выдержка проходили при
разных режимах работы генератора. Разливка производилась в форму из
пористого бетона с плотностью 1г/ см3 . После охлаждения образцы
подвергались отжигу при температуре 480 оС в течение 1 часа. При
испытаниях образцов на растяжение определяли σв и ε. Для всех режимов
определяли спектральный состав образцов с целью проверки гипотезы о
возможности
изменения
природы
химических
элементов
при
электрофизических методах воздействия.
………………………………………………………………………….
5
3.2.3 Результаты испытаний образцов из литья сплава Д16М при статическом
нагружении после обработки нестационарным электромагнитным полем .
Представлены результаты статических испытаний цилиндрических
образцов диаметром 5мм (с записью диаграммы разрушения (рисунок 3) и
значения разрушающего напряжения (таблица 3)), изготовленных
плавлением из плиты сплава Д16М с различной технологической обработкой
Р, кг
300
9
250
7
200
150
2
5
14
100
50
10
0
-0,003
0,007
0,017
0,027
0,037
0,047
Относительная остаточная деформация ε ,%
Рисунок 3 – Диаграммы растяжения цилиндрических образцов
2– образец без обработки
5 – образец после обработки нестационарным электромагнитным полем
– модификатор Sc-Mn-Ni/Cd-Al-Ni
7, 9 – образцы после обработки нестационарным электромагнитным
полем. Плавление -модификатор Al-Cu-Al/Al-Cu-Al. Выдержка –
модификатор Sc-Mg -Zn/ Mg-Si-Ni
10 – образец после обработки нестационарным электромагнитным
полем. Плавление -модификатор Al-Cu-Al/Al-Cu-Al. Выдержка –
модификатор Zn-Mn-Cd /B-Mg-Zn
14 – образец после обработки нестационарным электромагнитным
полем. Плавление - модификатор Al- Cu-Al/Al-Cu-Al. Выдержка –
модификатор Fe-Zr-B/ Fe-Zr-B
Таблица 3
№ образца
1
2
5
7
9
10
14
σ разруш. ,
7,1
8,1
7,3
12,2
12,9
3,7
5,5
кГ/мм2
6
3.2.4 Спектральный анализ образцов
Для части образцов, представленных в подразделе 3.2.3, был проведён
спектральный
анализ
для
выявления
возможного
воздействия
модифицирующих элементов и режимов воздействия нестационарного
электромагнитного поля на изменение состава образцов. Спектральный
анализ проводился на квантометре МФС8 с анализатором МАЭС
(многоканальный анализатор атомно-эмиссионных спектров). Для
возбуждения использовался генератор УГ-4. Результаты количественного
спектрального анализа представлены в таблице 1. Для элементов B и Sc
проводился качественный анализ, по интенсивности спектральных линий.
Таблица 1
РЕЗУЛЬТАТЫ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВА Д16М
№
Cu
Mg
Mn
Обр.
Треб.
3,8-
1,2-
Химический состав в %
0,3- <0,5 <0,5 <0,3 <0,1
ГОСТ
4,9
1,8
0
4,28
1,32
Fe
Si
Zn
Ti
Ni
Cd
Zr
Разупоряд
при плавке
Упоряд.
при
выдержке
<0,1
0,9
0,62
0,34
0,27
0,15
0,038
0,035
0,0081
0,0048
Исходный
материал
Д16М
(не плавился)
Без эл.маг
.Обработки
1
3,6
1,4
0,53
0,3
0,33
0,19
0,036
0,036
0,0098
0,0049
6
3,52
1,3
0,52
0,3
0,42
0,19
0,037
0,032
0,0114
0,0042
Sc-Mn- Ni
Cd-Al-Ni
9
3,72
1,35
0,52
0,32
0,45
0,19
0,033
0,035
0,0108
0,0033
Al-Cu-Al
Al-Cu-Al
Sc-Mg-Zn
Mg-Si-Ni
10
3,94
1,3
0,53
0,3
0,45
0,18
0,034
0,04
0,0086
0,0043
Al-Cu-Al
Al-Cu-Al
Zn-Mn-Cd
B-Mg-Zr
13
4
1,24
0,57
0,37
0,45
0,17
0,036
0,037
0,009
0,004
Al-Cu-Al
Al-Cu-Al
Fe-Zr-B
Fe-Zr-B
*) Примечание: для B, Sc проводился качественный анализ по интенсивности спектральных линий.
Содержание элементов -на уровне шумов эталона без B и Sc.
**)Для хим. Состава должно выполняться требование: сумма Fe + Ni не более 0,5; сумма прочих
примесей не более 0,1; каждая примесь не более 0,05%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведённая экспериментальная проверка влияния нестационарного
электромагнитного
поля
волнового
генератора
«Модулятор
7
электромагнитный типа МЭМ-1»на прочность алюминиевого сплава Д16Т
позволяет сделать следующие выводы:
……………………………………………………………………………….
3.Выбор материала Д16М для изготовления образцов литьём следует
признать неудачным из-за большого количества брака:
образец №1- волосяная трещина у галтели;
№2 – разломился при установке в захват;
№3 – разломился при точении ;
№6 - волосяная трещина;
№11 - волосяная трещина;
№12 - волосяная трещина;
№13 – разломился при клеймении отливки;
№15 – разломился при точении.
На разломе образцов №5 и №10 видны следы раздела поверхностей,
образовавшихся при литье. Чистота поверхности после токарной обработки
не соответствует требованиям 7класса.
4.Диаграммы испытаний образцов, изготовленных литьём с обработкой
нестационарным электромагнитным полем, отличаются от диаграммы
контрольного образца №2, кривая которого идёт более полого. Этот факт
можно считать результатом воздействия нестационарного электромагнитного
поля на алюминиевый сплав Д16М. Наиболее заметно это выявилось для
образцов №7 и №9 (эти образцы подвергались одинаковому воздействию
нестационарного электромагнитного поля ).
5.Спектральный анализ показал, что содержание элементов во всех
образцах соответствует требованиям к сплаву Д16 по ГОСТ.
Наиболее заметно меняется процентное содержание меди. Уменьшение
содержания Cu после выплавки для всех образцов по сравнению с исходным
материалом (плита толщиной 13 мм), включая образец без обработки
нестационарным электромагнитным полем, могло произойти за счёт
окисления и образования шлака.
Подобная картина просматривается и для Mn.
Более тугоплавкие элементы Ni и Ti имеют небольшой разброс, по
видимому, в пределах точности.
Для образца №13 увеличение содержания Fe соответствует режиму
воздействия с использованием этого же элемента и воздействие может быть
причиной увеличения.
Для Mg влияние обработки нестационарным электромагнитным полем
не превышает изменения состава без обработки.
Для Si, Zn и Cd минимальное содержание, а для Zr максимальное - в
исходном образце.
Качественный анализ показал отсутствие Sc и B в образцах.
6.Необходимо провести исследование влияния нестационарного
электромагнитного поля на прочность алюминиевого сплава в более
широком диапазоне изменения технологических факторов.
8