Фазовый перенос легирующего атома в стали

ки композиции и предопределяет эффективность применения данных материалов для увеличения ресурса деталей и сборочных единиц подъемно-транспортирующих машин, работающих в условиях воздействия абразивной среды и постоянного контакта с органическими средами различной кислотности.

Примеры восстановленных и изготовленных деталей и сборочных единиц представлены на рис. 4 и рис. 5.

Выводы

1. СУБ-процесс экологически безопасен, так как проводится по замкнутому циклу, что исключает попадание токсичных соединений в окружающую среду.

2. Композиционные материалы, модифицированные СУБ-методом, в зависимости от типа и объемного содержания армирующих волокон имеют следующие свойства: усадка при литье под давлением 0,85.. .0,92; износостойкость в парах «композит — сталь 45» 0,3; коэффициент трения без смазочного материала 0,15.0,21; коэффициент трения со смазочными материалами 0,04.0,06; теплостой-

кость по Вика 160.220 °С; степень водопоглоще-ния 10,6.11,4.

3. Результаты производственных испытаний:

• ресурс подшипников поворотных опор транспортеров ТСН-3Б, ТСН-160А и подшипников механизма подъема крановой установки МТА-160К, которые изготовлены и восстановлены c использованием композиционных материалов, модифицированных CVD-методом, в 2.5 раз выше, чем у серийных;

• износ изготовленных из модифицированного углепластика направляющих опор крановых установок МТА- 160К на 75.80 % меньше, чем у аналогичных деталей, изготовленных из композиционного материала VMT «Sipas» (Австрия).

Список литературы

1. Сыркин В.Г. CVD-метод. Химическая парофазная металлизация. — М.: Наука, 2000. — 496 с.

2. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия на-нокластеров, наноструктур и наноматериалов. — М.: Ком-Книга, 2006. — 592 с.

3. Козырев В.В. Металлоорганические соединения в машиностроении и ремонтном производстве. — Тверь: Студия-С, 2003. — 160 с.

УДК 631.3.004.5; 621.664; 621.762.214 П.С. Орлов, канд. техн. наук, доцент

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ярославская государственная сельскохозяйственная академия»

фазовый перенос легирующего атома в стали

Для повышения прочностных характеристик конструкционных материалов кроме традиционных методов цементации применяют ускоренные технологические процессы упрочнения деталей [1], используют цементацию при косвенном воздействии высокотемпературного пламени угольной дуги на обрабатываемый материал. Угольная дуга — мощный источник атомарного и ионизированного углерода, обладающего значительной кинетической энергией. При этом температура цементируемой поверхности не превышает 1300 К, а глубина цементации составляет 0,1.2,0 мм [2]. При воздействии на упрочняемую деталь угольной дугой прямого действия процесс цементации идет непосредственно в контакте с низкотемпературной плазмой дуги обратной полярности, горящей между обрабатываемой деталью и угольным электродом. Интенсивное науглероживание сварного шва при сварке угольной дугой обратной полярности было отмечено в 1882 г. изобретателем электросварки угольной дугой Н.Н. Бенардосом (1842-1905 гг.). Воздейст-

вие на обрабатываемую поверхность электрической угольной дуги, направленно транспортирующей атомарный углерод в ванну расплава, ускоряет процесс науглероживания металла, поскольку диффузия в расплаве протекает на порядки быстрее, чем в твердом теле.

Сложнее объяснить увеличение скорости цементации при воздействии на поверхность упрочняемой детали угольной дугой косвенного действия, когда температура поверхности упрочняемого металла не превышает температуры его плавления ввиду отсутствия прямого контакта между столбом дуги и цементируемой поверхностью. Тем не менее скорость диффузии углерода в металл по сравнению с традиционными методами цементации увеличивается с 0,15 мм/ч до 0,1 мм/с.

Скорость диффузии углерода в железе при традиционных способах цементации в твердом карбюризаторе в значительной степени ограничивается скоростью генерации атомарного углерода, так как процесс ведется при температурах, когда выход ато-

марного углерода реакции диспропорционирования минимален. Но повышение температуры процесса и увеличение концентрации атомарного углерода не могут резко увеличить скорость проникания углерода в металл.

Существуют способы ускоренной цементации стали, при которых диффузионного насыщения углеродом металла достигают циклическим нагревом и охлаждением в интервале температур, определяемых точками фазовых переходов. При цементации угольной дугой косвенного действия один и тот же участок поверхности металла периодически подвергается циклическому нагреву и охлаждению в атмосфере с высоким углеродным потенциалом, так как науглероживание металла производится методом сканирования. Очевидно, что и при термоциклиро-вании, и при цементации угольной дугой косвенного действия протекают одни и те же процессы — при каждом цикле нагрева и охлаждения металл претерпевает фазовые превращения.

В общем случае циклическое наложение на цементируемую поверхность высокого градиента скорости изменения температуры, сопровождаемое а ^ у переходами при высоком углеродном потенциале на поверхности детали, вызывает диффузионные потоки углерода, обусловленные:

1) диффузией по градиенту концентрации углерода в соответствии с законом Фика (ддС/ддх), градиентом активности углерода, градиентом химического потенциала, объемным градиентом и термодиффузией (ддТ/ддх), т. е. теплопереносом;

2) фазовым переносом на перемещающейся межфазной границе а ^ у перехода, углубляющегося в материал границы перекристаллизации.

Движущие силы первого диффузионного потока в условиях высокого градиента концентрации углерода и значительного градиента температур не могут обеспечить высокую скорость перемещения атомов внедрения, которая наблюдается в процессе термоциклирования.

Эффективный коэффициент диффузии углерода _0ЭФ при циклическом наложении на цементируемую поверхность высоких градиентов скорости изменения температур, сопровождаемых а у переходами, составляет 0,008 мм2/с [3]. При ускоренных технологических процессах науглероживания стали определяющими условиями служат скорость изменения температуры и цикличность процесса, накладываемые на полиморфные преобразования в стали [4]. Это позволило предложить модель механизма ускоренной цементации стали.

В процессе разработки модели молекулярных связей на примере водорода предположено, что прочностные характеристики материалов определяются диагональными связями кристаллической решетки [5], на основании чего выдвинута гипотеза, что при фазовых переходах в процессе поли-

морфного превращения материал в зоне перестройки кристаллической решетки находится в псевдожидком состоянии.

До температуры 1183 К железо существует в виде a-Fe с объемно центрированной кристаллической решеткой. Выше 1183 К железо имеет гра-нецентрированную кубическую решетку y-Fe. При незначительном переохлаждении стали с температуры 1183 до 980 К полиморфные превращения начинаются через 500...800 с после достижения образцом температуры 980 К, а заканчиваются через 30 000.50 000 с. При дальнейшем охлаждении стали до температуры 820.830 К полиморфные превращения начинаются уже через 3.5 с, а заканчиваются через 13.15 с после достижения Т = 820 К. Аналогичные явления происходят и при повышении температуры.

Первоначально полиморфное преобразование кристаллической решетки a-Fe при нагревании осуществляется сдвиговым путем. Самые длинные (и самые сильные) диагональные связи по граням двух смежных объемно центрированных кубиков a-Fe инициируют колебательный процесс, усиливающийся с повышением температуры. Максимум амплитуды колебательного процесса любого узлового атома направлен вдоль диагоналей граней (вдоль самых длинных связей). Так как связи осуществляются последовательным «опросом» атомов решетки, связь «подтягивает» атомы друг к другу, а в промежутках между «опросами» атомы «разбегаются» вследствие тепловых колебаний и искажений решетки. В результате квадратная грань куба становится ромбом, у которого в данный момент времени отсутствует длинная диагональ. Далеко переместиться вдоль грани атом не может, так как его в данный момент времени «держит» короткая связь, которая не может ни удлиниться, ни укоротиться. Вследствие того, что все связи строго синхронизированы, то по всем боковым граням элементарного объемно-центрированного куба одновременно удлиняются одноименные диагонали. Так как «убежать» вдоль своих граней свободные от связи атомы не могут, они «проворачиваются» длинными диагональными связями и проворачивают «крестовину» коротких центральных связей вокруг своей оси и кубики «складываются». Общая (смежная) грань «про-щелкивает» в своей плоскости на угол 45о, и вместо двух кубиков a-Fe образуется один y-Fe, в боковых гранях которого появляются сдвиговые узловые атомы смежной грани, а объемно-центрированные атомы обоих (объединившихся в один) кубиков уходят в нижнюю и в верхнюю грани, вытесненные из центра элементарного объемно-центрированного куба короткими связями, и образуют один гранецентри-рованный куб [5, 6].

При термоциклировании объемы межкристал-литных пространств [7] периодически изменяются.

При высоких температурах углерод проникает в увеличившийся объем межэлементного пространства под действием градиентов концентрации (дС/дх), давления (др/дх) и температуры (дТ/дх). При охлаждении объем межэлементного пространства уменьшается, воздействие атома углерода на стенки микрообъема растет, и он буквально запрессовывается в кристаллическую решетку стали. Одновременно при «низких» температурах (порядка 770 К) при цементации в твердом карбюризаторе увеличивается выход атомарного углерода, что благоприятно сказывается на увеличение скорости протекания процесса. Так как это значительно ниже температуры фазового перехода, то в кристаллической решетке интенсивно разрушаются одни связи и создаются другие. В эти моменты в ограниченных объемах металл оказывается в псевдожидком состоянии. В результате охлаждения детали псевдожидкий объем перемещается вглубь, перенося с собой примеси (в том числе и атомы углерода) к сердцевине детали. Псевдожидкое состояние при фазовом переходе облегчает проникание в псевдорасплав атомов углерода. При кристаллизации псевдорасплава в первую очередь кристаллизуется железо, а углерод, как примесь, переносится псевдожидкой волной в глубь детали — в псевдожидком объеме происходят процессы, аналогичные зонной плавке. При нагревании металла до температуры выше температуры фазового перехода процесс полиморфного превращения повторяется. И при охлаждении, и при нагревании волна псевдожидкого металла несет с собой углерод с наружной поверхности стали к сердцевине детали, что и обеспечивает значительную интенсификацию процесса [8].

Аналогичен механизм цементации при высокочастотном разогреве цементируемой детали. Переменное электромагнитное поле вихревыми токами Фуко разогревает поверхность металла. Магнито-стрикция облегчает проникание атомарного углерода в металл. Волна псевдожидкого металла, образующегося в процессе полиморфного превращения, переносит углерод с наружной поверхности детали в металл на всю толщину слоя прогрева. Вторая волна полиморфного превращения прокатывается в нагретом слое при охлаждении детали после прекращения индукционного нагрева. В промежутке между двумя этими волнами происходят: теплоперенос атомарного углерода из холодной внешней среды в разогретый металл, электроперенос и электромагнитный перенос при высокой плотности энергии.

Учитывая особенность твердого кристаллического тела — колебания атомов, получаем зависимость энергии Е от объема молекул Ум:

йЕ / й¥м = -3кЩ 1пю/йКм),

где к — постоянная Больцмана; ю — круговая частота колебаний.

Изменение объема связано с изменением энергии и наличие разнородных по объему атомов в твердом теле приводит к образованию объемного градиента, поэтому необходимо учитывать перенос по градиенту изменения объема [9]: й¥м /йх — вакан-сионный перенос.

При нестационарных процессах цементации скорость определяется градиентами температуры [8]. С учетом этого дифференциальное уравнение массопереноса дт/д£ [10] через площадку Б металлоида внедрения для стационарных и динамических процессов химико-термической обработки стали [11] примет вид

дт

э7

= - Б

дс .др пдТ д Т

— + А— + В— + X-+

дх дх дх дхд1

+ у д^ + с ^ + с ^

дх дх дхд1

БМ,

где А, В, С, Х, У — интегральные коэффициенты; д2Т/(дхд(), д2Ф/(дхд() — скорость изменения соответственно градиентов температуры и магнитного потока, т. е. фазовый и электромагнитный переносы.

Если термоциклирование многократно повторяется при низком углеродном потенциале на поверхности изделия, сопровождаясь фазовыми а ^ у превращениями, то происходит практически полное обезуглероживание поверхностного слоя с выделением в нем феррита [3].

Выводы

В процессе ускоренных методов цементации транспортирование углерода в металл происходит при воздействии на деталь электромагнитных импульсов, длительность которых зависит от геометрических размеров детали и частоты электромагнитного излучения. При этом подвергающаяся химико-термической обработке деталь периодически (циклически) нагревается и охлаждается в оптимальном температурном интервале с выдержками при экстремальных температурах. Тогда время одного полного цикла зависит только от скорости изменения градиентов температуры при нагреве и охлаждении и времени выдержки при экстремальных температурах. Поскольку скорость полиморфных превращений зависит от температуры, то можно с большой точностью управлять процессом термоциклирования, так как волна псевдожидкого металла идет всегда от поверхности металла в глубь. Поэтому всегда можно найти такой температурный интервал, в пределах которого длительность полиморфных преобразований будет приемлемой. Значит можно прервать полиморфные преобразования изменением температуры, что позволяет осуществлять цементацию на необходимую глубину.

Список литературы

1. Полевой С.Н., Евдокимов В.Д. Упрочнение машиностроительных материалов. — М.: Машиностроение, 1994. — 496 с.

2. Можайский М. Закалка без печей // Изобретатель и рационализатор. — 1981. — № 8. — С. 23.

3. Сверхбыстрое перераспределение углерода в цементованных слоях стальных изделий / В.А. Ильинский, А.А. Жуков, Л.В. Костылева, В.А. Локтионова // Металлы. — 1999. — № 3. — С. 48-50.

4. Орлов П.С. Математическая модель динамических процессов энергосберегающих технологий восстановления деталей сельскохозяйственной техники методом цементации стали // Труды 3-й международной научно-технической конференции. — М.: ВИЭСХ, 2003. — Ч. 2. — С. 304-309.

5. Гусев В.П., Орлов П.С., Земсков А.А. Описание структур бериллия // Физическая мысль России. — 2003. — № 1. — С. 101-104.

6. Орлов П.С. Уточненная модель кристаллической решетки твердого тела // Труды ХХХ1Х Уральского семинара: Механика и процессы управления. — Екатеринбург.: УрО РАН, 2004. — Т. 1. — С. 137-144.

7. Орлов П.С. Физическая модель транспорта атомов металлоида внедрения в сталь // Труды Международного форума по проблемам науки, техники и образования. — М.: АН о Земле, 2004. — Т. 2. — С. 151-153.

8. Орлов П.С. Фазовый перенос атомов внедрения в стали при термоциклировании / Материалы Всероссийской научно-практической конференции. — Саратов: СГАУ, 2006. — С. 44-47.

9. Мечев В.В. К вопросу о диффузии в твердых телах // Металлы. — 2000. — № 2. — С. 40-43.

10. Фромм Е., Гебхарт Е. Газы и углерод в металлах / Пер. с нем. — М.: Металлургия, 1980. — 781 с.

11. Орлов П.С. Резервы снижения энергоемкости процесса цементации стали // Вестник МГАУ «Агроинжене-рия». — 2007. — № 2 (22). — С. 114-116.

УДК 631.3

А.Г. Пастухов, канд.техн.наук, доцент

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородская государственная сельскохозяйственная академия»

совершенствование методов испытаний агрегатов трансмиссий сельскохозяйственной техники

Используемая в настоящее время сельскохозяйственная техника имеет уровень амортизации более 60 %, поэтому основной причиной выхода ее из строя является снижение усталостной прочности металлов и материалов. В этой связи в Стратегии машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010 г. определены научные проблемы и направления исследований в области сельскохозяйственной техники (СХТ), среди которых — существенный подъем качественного уровня элементно-агрегатной базы техники, что позволит снизить издержки на поддержание работоспособности машин и обеспечить конкурентоспособность отечественной продукции. Следовательно, исследования обеспечивающие достижение, прогнозируемых в Стратегии результатов, являются значимыми и актуальными.

Вследствие трудоемкости и высокой относительной стоимости выполнения натурных экспериментов основная задача планирования испытаний на усталость и долговечность состоит в получении необходимой точности оценок при определенном объеме выборки. В этих случаях применяют методы исследования и оценки систем моделированием условий экспериментов путем статистических испытаний на основе метода Монте-Карло.

В работе [1] и других на ЭВМ реализован статистический эксперимент по оптимизации испытаний на усталость деталей из среднеуглеродистых конструкционных сталей. В результате разработана инженерная методика расчета оптимального объема испытаний стальных деталей в области многоцикловой усталости.

В.О. Свещинский дал характеристику применения метода численного эксперимента на основе имитационного моделирования при проектировании двигателей внутреннего сгорания по работам, проводимым фирмами «ФИАТ», «Пежо», «Рено» и др. [2]. В работах показано, что численный эксперимент, являясь конечной целью моделирования, приобретает все большее значение, а в ряде случаев практически полностью заменяет эксперимент физический.

Таким образом, исследования процессов работоспособности технических систем с проведением численного эксперимента, проводимые методом статистического моделирования обладают достоверностью и могут быть эффективным инструментом научного познания многофакторных явлений, возникающих при исследовании долговечности агрегатов СХТ.

Цель работы — разработка методики исследования долговечности агрегатов трансмиссий сельскохозяйственной техники с учетом влияния конст-