Физические основы технологических процессов в машиностроении

М. А. Скотникова









                ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ





Учебное пособие









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621
ББК 34.4
     С44

Рецензенты:
д. т. н., профессор факультета систем управления и робототехники ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» Мусалимов Виктор Михайлович;
д. т. н., заведующая лабораторией ФГБУН
«Институт проблем машиноведения Российской академии наук» Седакова Елена Борисовна




     Скотникова, М. А.
С44 Физические основы технологических процессов в машиностроении : учебное пособие / М. А. Скотникова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 188с.: ил., табл.
          ISBN978-5-9729-1049-6

     Изложены научно обоснованные технологические разработки, заключающиеся в изучении физических основ новых высокоэффективных технологических процессов изготовления изделий, обеспечивающих повышение качества и надежности их работы, увеличение срока их службы за счет учета структурных и фазовых превращений, как в материале заготовки изделия на этапе его механической обработки, так и в материале готового изделия на этапе его эксплуатации.
     Для студентов машиностроительных специальностей.

УДК621
ББК 34.4






ISBN 978-5-9729-1049-6

                            © Скотникова М. А., 2023
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ПРЕДИСЛОВИЕ



      Сегодня наша промышленность переживает трудности, возникшие на определенном этапе развития экономики. Несовершенные, трудоемкие, неконтролируемые технологические процессы, к сожалению, приводят к получению продукции, которая не может конкурировать с западными аналогами по цене и качеству.
      Сегодня, мы стоим на пути необходимости создания изделий с применением научно-обоснованных, эффективных технологических процессов, которые обеспечат повышение качества и надежности работы деталей машин и конструкций, увеличение их срока эксплуатации. Среди современных высокопроизводительных технологических процессов все более возрастает удельный вес высокоскоростной деформации со скоростью 10⁺².. .10⁺⁶ с⁻¹. В различных областях промышленности используется энергия взрыва и другие методы получения ударных волн для ковки, штамповки, прессования порошков, сварки, резки, упрочнения материалов.
      К сожалению, сегодня отсутствуют систематические исследования структурных и фазовых превращений и связанного с ними перераспределения легирующих элементов при определенных высоких ударных нагрузках и контактных температурах в сплавах. Поэтому, в данной работе изложены научно обоснованные технологические разработки, заключающиеся в изучении физических основ новых высокоэффективных технологических процессов изготовления изделий, обеспечивающих повышение качества и надежности их работы, увеличение срока их службы за счет учета структурных и фазовых превращений, как в материале заготовки изделия на этапе его механической обработки, так и в материале готового изделия на этапе его эксплуатации.


3

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ.............................................................9
1. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛА ДЕТАЛЕЙ МАШИН И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................10
  1.1. Современная классификация структурных уровней исследования...10
  1.2. Современные методы исследования..............................12
     1.2.1. Растровая электронная микроскопия.......................14
     1.2.2. Просвечивающая электронная микроскопия..................17
     1.2.3. Рентгеноструктурный анализ..............................21
     1.2.4. Термический анализ......................................24
     1.2.5. Дилатометрический анализ................................30
     1.2.6. Физические методы контроля качества металлов............32
  1.3. Идеальная кристаллическая структура металлических материалов.40
  1.4. Реальная кристаллическая структура металлических материалов. Дефекты кристаллического строения.............................49
     1.4.1. Точечные дефекты кристаллического строения..............49
     1.4.2. Линейные дефекты кристаллического строения..............51
     1.4.3. Поверхностные дефекты кристаллического строения.........55
     1.4.4. Объемные дефекты кристаллического строения..............56
2. ФИЗИКА ПРОЧНОСТИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ...................57
  2.1. Внутренние напряжения временные и остаточные. Физическая природа............................................57
  2.2. Теоретическая прочность металлических материалов.............58
  2.3. Реальная прочность металлических материалов как совокупная характеристика способов упрочнения с учетом влияния структурных уровней.......................................................60
     2.3.1. Упрочнение, обусловленное силой трения решетки в монокристалле............................................63
     2.3.2. Упрочнение, обусловленное твердорастворным механизмом в монокристалле сплава.....................................64

4

     2.3.3. Дисперсионное упрочнение в монокристалле............66
     2.3.4. Зернограничное упрочнение в поликристалле...........67
     2.3.5. Дислокационное упрочнение в поликристаллах..........69
     2.3.6. Субструктурное упрочнение в поликристалле...........70
3. ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ......................................................72
  3.1. Классификация видов деформации металлических материалов..72
  3.2. Механизмы пластической деформации металлических материалов. Энергия дефекта упаковки материала как критерий выбора механизма пластической деформации........................................73
     3.2.1. Сдвиговой механизм пластической деформации «скольжением».75
     3.2.2. Сдвиговой механизм пластической деформации «двойникованием»...........................................77
     3.2.3. Сдвиговой механизм пластической деформации «фазовым превращением».....................................80
     3.2.4. Ротационный механизм пластической деформации........81
  3.3. Закономерности структурных превращений в материалах с увеличением степени их пластического деформирования.........83
  3.4. Критическая степень пластической деформации. Механизмы зарождения трещин в металлических материалах.............................87
     3.4.1. Механизмы зарождения микротрещин....................88
  3.5. Критический размер зародышевой трещины. Механизмы распространения трещин и классификация видов разрушения металлических материалов......................................91
     3.5.1. Критический размер зародышевой трещины..............91
     3.5.2. Механизмы распространения микротрещин и классификация видов разрушения металлических материалов..................93
  3.6. Способы оценки работы зарождения и распространения трещин в материале изделий по испытаниям на растяжение и ударный изгиб....98
     3.6.1. Оценка работы зарождения и распространения трещин в материале изделий по испытаниям на растяжение.................98
     3.6.2. Оценка работы зарождения и распространения трещин в материале изделий по испытаниям на ударный изгиб..............104
     3.6.3. Модели вязко-хрупкого перехода. Хладноломкость. Оценка неполадок технологического процесса по виду излома.......105
  3.7. Влияние вида напряженного состояния на свойства металлических материалов.....................................................108

5

4. ФОРМИРОВАНИЕ И КОНТРОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ОПЕРАЦИЙ..................................................111
  4.1. Классификация остаточных напряжений................112
  4.2. Факторы, приводящие к возникновению остаточных напряжений.115
     4.2.1. Механический фактор. Формирование и контроль остаточных напряжений в деталях машин, возникающих под действием механической обработки.............................................115
     4.2.2. Тепловой фактор. Термические напряжения, возникающие в сечении заготовок из неполиморфных материалов в результате резкого снижения температуры из высокотемпературной области..117
     4.2.3. Термические напряжения, возникающие по сечению сварного соединения...................................118
     4.2.4. Термические напряжения, возникающие вдоль границ зерен в результате анизотропии теплового расширения в металлах
    с ГПУ-решеткой........................................120
     4.2.5. Остаточные напряжения, возникающие под действием структурно-фазовых превращений. Фазовый наклеп. Мартенситные превращения. Распад пересыщенных твердых растворов по механизму старения..............................................124
    4.2.6. Коррозионные напряжения........................128
  4.3. Микродифракционные методы контроля остаточных напряжений..130
     4.3.1. Качественный контроль напряжений в металле с помощью методов растровой электронной микроскопии.............131
     4.3.2. Контроль микронапряжений в металле с помощью методов просвечивающей электронной микроскопии................132
     4.3.3. Количественный контроль напряжений с помощью рентгеновского метода sin² у/.........................133
5. СТРУКТУРНАЯ И КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ РЕЛАКСАЦИЯ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА
ДЕТАЛЕЙ МАШИН.............................................137
  5.1. Модель фазовых превращений в вакансионно-пересыщенных ОЦК - твердых растворах титановых сплавов...............140
  5.2. Кинетическая диаграмма структурных и фазовых превращений в сплавах титана в зависимости от температуры нагрева...142
    5.2.1. Обсуждение.....................................150
6. ФИЗИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ..........................................152

6

  6.1. Закономерности фазовых превращений в машиностроительных материалах с увеличением скорости их деформирования.......152
  6.2. Закономерности структурных и фазовых превращений в сплавах титана
    при ударном нагружении со скоростью 400.. .600 м/с......156
     6.2.1. Методика и материалы............................156
     6.2.2. Исследование морфологии разрушения металла заготовок после ударного нагружения..............................157
     6.2.3. Микротвердость металла заготовки послеударного нагружения.............................................160
     6.2.4. Структура металла заготовки после ударного нагружения.161
     6.2.5. Заключение......................................162
  6.3. Закономерности структурных и фазовых превращений
    в машиностроительных материалах при высокоскоростной лезвийной обработке...............................................163
     6.3.1. Методика и материалы............................164
     6.3.2. Оценка износа материала инструмента.............165
     6.3.3. Структура металла стружки из сплава АМц.........169
     6.3.4. Структура металла стружки из сплава ВТ23........170
     6.3.5. Структура металла стружки из сплава ХВГ.........171
     6.3.6. Оценка микротвердости материала стружки.........175
     6.3.7. Заключение......................................178
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................180
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК....................................183

7

            СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ



     ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия
     РЭМ - растровая электронная микроскопия
     РСА - рентгеноструктурный анализ
     ГЦК - гранецентрированная кубическая решетка
     ОЦК - объемноцентрированная кубическая решетка ГПУ - гексагональная плотноупакованная решетка ГЦТ - гранецентрированная тетрагональная решетка ОЦТ - объемноцентрированная тетрагональная решетка Б - базис решетки
     К - координационное число р - коэффициент компактности
     П4 - размер тетраэдрической поры
     Пб - размер октаэдрической поры
     ао,2 - предел текучести
     Св - предел прочности
     N - число испытаний
     ВУП - вакуумный универсальный пост
     ЭДУ - энергия дефекта упаковки
     БУГ - больше угловые границы
     МУГ - мало угловые границы
     ГО - гексагональная ось
     МП - мартенситное превращение
     ОМП - обратимое мартенситное превращение
     ХТО - химико-термическая обработка
     ЗГП - зона Гинье - Престона
     МР - микрорасслоение
     РЛ - рентгеновский луч

8

            ВВЕДЕНИЕ



     В настоящее время наша промышленность переживает трудности на определенном этапе развития экономики. Несовершенные, трудоемкие, неконтролируемые технологические процессы, к сожалению, приводят к получению продукции, не способной конкурировать с западными аналогами по цене и качеству.
     Для повышения конкурентоспособности необходимо создавать изделия при помощи технологических процессов, обеспечивающих повышение качества и надежности работы деталей машин и конструкций, увеличение их срока эксплуатации. Среди современных высокопроизводительных технологических процессов все больше возрастает удельный вес высокоскоростной деформации (10⁺²...10⁺⁶ с⁻¹). В различных областях промышленности используется метод взрыва и другие для получения ударных волн для ковки, штамповки, прессования порошков, сварки, резки, упрочнения материалов.
     В современном машиностроении отсутствуют систематические исследования структурных и фазовых превращений и связанного с ними перераспределения легирующих элементов при определенных высоких ударных нагрузках и контактных температурах в сплавах.
     В данном пособии изложены научно обоснованные разработки для изучения физических основ технологических процессов изготовления изделий, обеспечивающих повышение качества и надежности их работы, увеличение срока их службы за счет структурных и фазовых превращений.


9

            1. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ


        1.1. Современная классификация структурных уровней исследования

    На современном этапе, в условиях стремительного развития техники, исследователям все чаще приходится наблюдать и правильно объяснять явления, происходящие в машиностроительных материалах не только на макро-, но и на микро-, субмикро- и атомном уровнях (рис. 1.1). Этому также способствуют визуальный осмотр, оптические приборы, в частности высоко-вольтные растровые (РЭМ) и просвечивающие (ПЭМ) электронные микроскопы с высокой разрешающей способностью, вплоть до 0,001 мкм [1].


а)

б)

в)

Рис. 1.1, а, б, г. Изображения строения материала гидротурбины: а — на макроуровне; б — на микроуровне; в—д — на субмикроуровне

10

Рис. 1.1, г, д, ж. Изображения строения материала гидротурбины: г — в режиме микродифракции (электронограмма); д — в режиме темнопольного изображения (д). ж — на атомном уровне;
*300 (б); *24 000 (в, г); *82 000 (д)

     Механические свойства металлов и сплавов, а также работоспособность деталей машин и конструкций находятся в прямой зависимости от их внутреннего строения: размера и формы кристаллов (зерен), химического состава, пространственного расположения атомов (кристаллической решетки), электронного их состояния и др. Все перечисленные аспекты строения металлов непосредственно входят в понятие «структура». Рассматривая данное понятие, всегда следует учитывать уровень (макро-, мезо-, микро-, субмикро-, нано- и атомный), а также методы, с помощью которых структура может быть исследована (визуальный контроль, оптическая металлография, методы рентгеновской дифракции (РСА) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ)) (рис. 1.2).


Рис. 1.2. Строение материала изделия на разных структурных уровнях: а — размер изделия в целом (макроуровень);
б — размер отдельных зерен (микроуровень);
в — размер структур внутри зерна (субмикроуровень)

11

     Рассмотрим каждый структурный уровень.
     На макроуровне (увеличение до 30 крат), изучая структуру невооруженным глазом или с помощью лупы, можно выявить размеры и форму изделия в целом, а также размер крупных кристаллов (зерен), обнаружить трещины, химическую неоднородность (макроликвацию), полосчатость структуры и т. д.
     На мезоуровне (увеличение до 100 крат) при больших скоростях и степенях пластической деформации наблюдается ее локализация и формируются мезообъемы размером 100.600 мкм.
     На макроуровне (увеличение до 1000 крат), изучая структуру с помощью оптического микроскопа, можно определить шероховатость поверхности, размеры и форму зерен, из которых состоит материал любого изделия, форму инородных включений и микропустот, следы пластической деформации (двойников, линий скольжения).
     На субмикроуровне (увеличение до 50 000 крат), изучая кристаллическую структуру металлов и сплавов с помощью микродифракционных методов (РСА и ПЭМ), можно получить информацию о внутреннем строении отдельных зерен. Действительно, не каждое зерно совершенно по составу и обладает множеством дефектов кристаллического строения. Именно благодаря этим дефектам, сохраняя свое кристаллическое строение, металл изменяет свою геометрию и форму, и таким образом происходит пластическая деформация.
     На наноуровне (увеличение до 200 000 крат), изучая структуры материалов размером 0,001.0,1 мкм или 1.100 нм с помощью силовых и просвечивающих электронных микроскопов, можно получить обширную информацию о строении тонких поверхностных и внутренних пленок с особыми свойствами.
     На атомном уровне, изучая строение отдельных атомов и их комплексов с помощью метода автоионной микроскопии, эффекта Мессбауэра, можно получить информацию о строении отдельных атомов металла и о его элементарной решетке, оценить силы межатомного взаимодействия.

        1.2. Современные методы исследования

     Растровые электронные микроскопы (РЭМ) формируют изображение объекта при сканировании его поверхности электронным зондом. Просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) позволяют получать светлопольное (см. рис. 1.1, в) или темнопольное (см. рис. 1.1, д) изображения строения тонких металлических фольг в результате прохождения насквозь или дифракции электронов от ряда параллельных кристаллографических атомных плоскостей с одного и того же участка объекта. Таким образом, сопоставляя дифракционные картины (электронограммы) (см. рис. 1.1, г) от выделенных участков с их 12

изображениями (см. рис. 1.1, д), можно исследовать структурные и кристаллографические особенности строения материалов изделий в машиностроении [1,2, 7-10].
     Конструктивно различные виды высоковольтных микроскопов разрабатываются с учетом физики и геометрии результирующих излучений (рис. 1.3), возникающих при взаимодействии ускоренного пучка электронов 1 с исследуемым материалом образца 2 [3]. При этом образуются электроны: упруго отраженные 3, вторичные 4, прошедшие 10, ожеэлектроны 8. Формируется рентгеновское излучение 7, катодолюминесценция 6. В образце возникает ток поглощенных электронов 5 и наведенный ток 9.


Рис. 1.3. Эффекты, возникающие при взаимодействии пучка электронов с веществом: 1 - электронный пучок; 2 - образец;
3 - упруго отраженные электроны; 4 - вторичные электроны;
5 - ток поглощенных электронов; 6 - катодолюминесценция;
7 - рентгеновское излучение; 8 - ожеэлектроны; 9 - наведенный ток;
10 - прошедшие электроны

      На рис. 1.3 показана облучаемая поверхность, в каждой ее точке происходит взаимодействие электронного пучка 1 с веществом, в результате чего возникают следующие эффекты: образуются отраженные электроны 3, вторичные электроны 4, рентгеновское излучение 7 и др. Эти эффекты являются основой для получения разнообразной информации: о рельефе поверхности образца 2, расположенного в камере для образцов 9, химическом составе и кристаллографической ориентации 13

объемов, прилегающих к поверхности. Электроны, испускаемые веществом различного рода излучения, улавливаются специальными датчиками, и после их усиления используются для управления яркостью электронно-лучевой трубки, на экране которой формируется изображение. При этом каждой точке на поверхности образца соответствует определенная точка на экране электронно-лучевой трубки. Яркость каждой точки на экране определяется интенсивностью сигнала из соответствующей точки образца. Интенсивность сигналов изменяется при сканировании электронным зондом по поверхности образца. Данный процесс обеспечивает контраст в изображении разных участков поверхности на экране электронно-лучевой трубки.
     На рис. 1.3 одна часть электронов после взаимодействия с веществом насквозь проходит через образец (тонкий слой материала толщиной менее 2000 А) без изменения своего направления или отражается от параллельных плоскостей атомов по закону Вульфа - Брэгга [1]. Обработку информации, которую несут прошедшие насквозь лучи, выполняют просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ).
     Другая часть электронов отражается от поверхности образца: упруго (через отраженные электроны 3) или неупруго (через вторичные электроны 4). Обработку информации, которую несут эти лучи, выполняют растровые электронные микроскопы (РЭМ).

    1.2.1. Растровая электронная микроскопия

     Суть метода РЭМ состоит в том, что поверхность массивного образца облучается тонко сфокусированным (диаметром от 5 до 10 нм) пучком электронов, так называемым электронным зондом. Пучок электронов совершает возвратнопоступательное движение, сканирует по линии или развертывается в растр -совокупность близкорасположенных параллельных линий, вдоль которых пучок электронов проходит выбранный для исследования участок поверхности [4-6, 11-13].
     Принципиальная схема РЭМ показана на рис. 1.4. На ней представлены следующие системы: электронно-оптическая система 1-10, предназначенная для формирования электронного зонда и его сканирования по поверхности образца 14; система, формирующая изображение 11 -18. РЭМ снабжен вакуумной автоматизированной системой и устройствами точной механики (шлюзы, держатели образцов и пр.). Основная область применения РЭМ - анализ рельефа поверхности, в частности изломов (фрактография). Преимущества РЭМ по сравнению с другими микроскопами здесь наиболее очевидны. Высокая разрешаю


14