Влияние обратной связи на структуру и механические свойства углепластиков на основе фенилона

промышленное использование имеющегося в наличии технологического возврата.

Применение предварительной термовременной обработки в комплексе с дополнительным легированием еще более расширяет диапазон возможного кратного использования отходов дорогостоящих никелевых сплавов.

Управляемая направленная кристаллизация данных сплавов существенно увеличивает однородность материала, улучшает комплекс физико-механических свойств как при комнатных, так и при высоких температурах, а следовательно, повышает эксплуатационные свойства изготавливаемых отливок.

Перечень ссылок

1. Еланский Г.Н. Строение и свойства металлических расплавов: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Металлургия, 1991. - 160 с.

2. Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов: Учеб. Посо-

бие для вузов. - Л.: Машиностроение, 1976. - 216 с.

3. Свойства жаропрочных никелевых сплавов после ВТОР/ Клочихин В.В., Жеманюк П.Д., Цивирко Э.И., Наумик В.В. // Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудуванш. - 2000, №1. - С. 41-46.

4. Процессы кристаллизации, структура и свойства отливок из никелевых жаропрочных сплавов / Цивирко Э.И., Жеманюк П.Д., Клочихин В.В., Наумик В.В., Лунев В.В. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2001, №10. - С. 13-17.

5. Влияние модификаторов на склонность жаропрочного сплава к образованию ТПУ фаз / Кудин В.В., Цивирко Э.И., Наумик В.В., Лысенко Н.А., Жеманюк П.Д. // Новi ма-терiали i технологи в металурги та машинобудуванш. -2003, №2. - С. 20-25.

6. Об'емна та спрямована кристалiзацiя нкелевих сплавiв / Е.1. Цивiрко, В.В. Клочихш, О.Г. Коломойцев, В.В. Наумик // Металознавство та обробка мета™. - 2000, №3. -С. 5-11.

Одержано 19.09.2007

До^джено принципову можливiсть використання eidxodie жаромщних ткелевих cmaeie. Показано позитивний вплив термочасовог обробки. Керована спрямована кристалiзацiя суттево покращувала комплекс фiзико-механiчних та експлуатацшних властивостей отриманого лиття.

The principal possibility of nickel-base superalloys waist application was studied. Positive influence of thermal-time treatment was shown. Controlled directional crystallization essentially improves complex of physical, mechanical and exploitation properties.

УДК 669.017

Канд. техн. наук А. И. Буря1, Г. В. Козлов1, И. В. Рула1, д-р техн. наук Л. Р. Вишняков2

1 Государственный аграрный университет, г. Днепропетровск

2 Институт проблем материаловедения НАН Украины, г. Киев

ВЛИЯНИЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕПЛАСТИКОВ НА ОСНОВЕ

ФЕНИЛОНА

Полученные результаты позволили выяснить структурный смысл эффекта обратной связи для углепластиков на основе фенилона и продемонстрировать его влияние на прочность этих материалов. Снижение параметра обратной связи может привести к существенному росту макроскопической прочности углепластиков.

Как показано в работе [1], структура углепластиков, полученных с помощью технологии предварительного смешения компонентов во вращающемся электромагнитном поле, является синергетической системой. Это выражается в поведении ее основных характеристик как функции продолжительности смешения V. при малых t (< 120 с) наблюдается периодическое (упорядоченное) поведение, близкое к синусоидальному с удвоением периода, а затем реализуется

переход к хаотическому поведению [1]. Как известно [2], одной из основных особенностей синергетичес-ких систем является наличие в них обратной связи. Структурный смысл обратной связи для рассматриваемых углепластиков выражается соотношением [1]:

Ф™ = 0,74 -Фмф,

где ф0 и фмф - относительные доли областей локального

© А. И. Буря, Г. В. Козлов, И. В. Рула, Л. Р. Вишняков, 2008

порядка (кластеров) и межфазных областей, соответственно, т.е. плотноупакованных областей структуры.

Отметим, что константа 0,74 в соотношении (1) равна максимально возможной относительной доле плотноупакованных областей композита согласно концепции термического кластера [3].

Таким образом, физический смысл эффекта обратной связи в рассматриваемых углепластиках предельно прост: увеличение фмф приводит к снижению фл и наоборот. Поэтому целью настоящей работы является выяснение степени влияния обратной связи в структуре углепластиков на основе фенилона на их механические свойства характеристики, в частности на напряжение разрушения (прочность).

В качестве полимерного связующего использован ароматический полиамид - фенилон [4], а в качестве наполнителя - углеродное волокно (УВ) диаметром 7^9 мкм и длиной 3 мм. Композит готовили «сухим» способом, включающим смешение композитов во вращающемся электромагнитном поле. Для этого в реактор загружали порошкообразный полимер, УВ и неравноосные ферромагнитные частицы длиной 40 мм. Далее реактор помещали в расточку генератора электромагнитного аппарата. Под воздействием вращающегося электромагнитного поля ферромагнитные частицы начинают вращаться, сталкиваясь между собой, в результате чего УВ равномерно (хаотически) распределяются в полимерной матрице. В результате соударений частицы истираются и продукты износа попадают в композицию. Для удаления ферромагнитных частиц после смешения использовали два метода: магнитной и механической сепарации.

Образцы для исследования механических свойств готовили методом горячего прессования при температуре 603 К и давлении 55 МПа. Испытания на сжатие выполнены на машине БР-100 при температуре 293 К.

Удельную теплоемкость определяли на приборе ИТ-С-400 согласно ГОСТ 23630.1-79.

Сначала мы дадим краткое описание методики расчета параметров фл и фмф в соотношении (1), которые будут нужны при дальнейших оценках. Величина фрактальной (Хаусдорфовой) размерности структуры углепластиков определена из уравнения [5]:

= 2

где V - коэффициент Пуассона, величину которого можно рассчитывать по результатам механических испытаний с помощью соотношения [6]:

1 - 2у

Е 6

где <т - предел текучести, Е - модуль упругости.

Далее определяется величина ф с использованием уравнения [7]:

йг = 3 - 6(-

фк

-У

В уравнении (4) £ - площадь поперечного сечения макромолекулы, Сю - характеристическое отношение, которое является показателем статической гибкости полимерной цепи [8]. Для фенилона £ = 17,8А2 [10], С = 3 [10]. Величину фмф можно рассчитать из следующего уравнения [11]:

ф мф

=!

ас;

где АС; и АС; - величины скачка теплоемкости при

постоянном давлении у температуры стеклования для композита и матричного полимера, соответственно.

В работе [12] было показано, что управляющим параметром при формовании структуры углепластиков (точнее, их межфазных областей) является фактор ориентации волокон п. Тогда параметр обратной связи X можно рассчитать из уравнения Пуанкаре [2]:

п+1 =Х(1 _пи К

где индексы п, п+1, ... обозначают последовательные промежутки продолжительности t смешения композитов во вращающемся электромагнитном поле (^ = 5 с, t2 = 10 с, и т.д.), а величины п приняты по данным работы [12].

На рис. 1. приведена зависимость ф ( X), из которой следует рост ф по мере усиления обратной связи, выражаемого увеличением X. Такая картина полностью соответствует соотношению (1): увеличением Хприводит к «перекачке» полимерного материала из межфазных областей в объемную полимерную матрицу и, как следствие, повышению доли областей локального порядка в ней. Иначе говоря, в самых общих терминах, изменение степени обратной связи приводит к изменению структуры полимерной матрицы. Естественно ожидать, что указанное изменение структуры вызовет вариацию свойств полимерной матрицы, в ча-

м

стности, ее прочности < , которую можно определить из уравнения [13]:

< м = 0,14(--

; 2 МаБ£ С

)

где Ыа - число Авогадро, 10 - длина скелетной связи основной цепи (для фенилона 10= 1,25А [10]).

Как следует из данных рис. 2, где приведена зависимость <м (X), изменение уровня обратной связи действительно существенно сказывается на прочности полимерной матрицы: рост X от 0,67 до 2,27, т.е., примерно в три раза, приводит к увеличению стмр примерно в 2,7 раз, от 78 до 218 МПа. Отметим характерную особенность линейной корреляции ст м (X): она проходит через начало координат, а это означает, что в случае отсутствия обратной связи полимерная матрица будет иметь нулевую прочность.

Рис. 1. Зависимость относительной доли кластеров фкл

от параметра обратной связи X для углепластиков на основе фенилона, полученных с применением магнитной (1) и механической (2) сепарации.

СГр, МПа

200

100

ДДД

Д-1 • -2

1

Рис. 2. Зависимость прочности объемной полимерной матрицы ст мм от параметра обратной связи X для углепластиков на основе фенилона. Обозначения те же, что и на рис. 1.

Исходя из изложенных выше наблюдений, следует предположить, что происходящая в силу наличия обратной связи «перекачка» материала из межфазных областей в объемную полимерную матрицу изменяет прочность межфазных областей ст а, а также определяет взаимосвязь напряжений стмр и ста. Величину ста можно рассчитать из уравнения (7) с заменой фл на Фмф и полагая для межфазных областей Сю = 9 [1]. На рис. 3 приведено соотношение между прочностями

объемной полимерной матрицы стм и межфазных областей ста, из которого следует снижение ст м по мере роста ст а и наоборот. Такая взаимосвязь ожидалась в силу эффекта обратной связи и его структурного выражения: «перекачки» полимерного материала из одной плотноупакованной структурной компоненты углепластиков в другую.

Как хорошо известно [14, 15], свойства межфазных областей в значительной степени определяют свойства полимерных композитов как конструкционных материалов. Данные рис. 4, на котором приведена зависимость экспериментально определенной мак-

роскопической прочности углепластиков стр от ста, наглядно демонстрирует эту зависимость: увеличение ста от 35 до 125 МПа приводит к росту стр от ~300 до ~ 400 МПа. Таким образом, сочетание рис. 1^4 позволяет проследить влияние структурных изменений углепластиков, происходящих из-за наличия обратной связи, на их механические свойства: усиление обратной связи (повышение X) приводит к увеличению относительной доли кластеров фл в объемной полимерной матрице (рис. 1), росту ее прочности стм (рис. 2), уменьшению прочности межфазных областей ст а (рис. 3) и в конечном итоге к снижению макроскопической прочности композита стр (рис. 4). Практический вывод из сказанного выше очевиден: для повышения прочности углепластиков следует снижать параметр обратной связи. Так, из данных рис. 2^4 следует два предельных случая: при X = 0 ст м = 0, ст а = 180 МПа и ст р = 440 МПа, а при X = 2,4 стм = 240 МПа, ст а = 28 МПа и ст р = 290 МПа, т.е., наблюдается снижение ст р примерно в полтора раза при увеличении X от 0 до 2,4.

ст", МПа

200

100

Д-1 • - 2

Д Д ДДД

• А

50

100

а., МПа

Рис. 3. Соотношение между прочностями объемной

полимерной матрицы ст яр и межфазных областей ста для

углепластиков на основе фенилона. Обозначения те же, что и на рис. 1.

400 -

350

300 -

Рис. 4. Зависимость макроскопической прочности ст от межфазных областей ста для углепластиков на основе фенилона. Обозначения те же, что и на рис. 1.

С учетом сказанного выше возникает вопрос, каким образом можно целенаправленно регулировать параметр обратной связи. Ответ на этот вопрос дает график рис. 5, где приведена зависимость X от управляющего параметра межфазных областей п. Поскольку следует ожидать некоторого запаздывания (реакции, см. уравнение (6)) X по сравнению с п, то на рис. 5 эта зависимость дана как Xn+1(nn). Из данных рис. 5 следует, что снизить величину X можно увеличением фактора ориентации волокон п. Так, для указанного выше увеличения <; от 290 до 440 МПа или снижения X от

0 до 2,40 требуется повышение п от 0,1 до 0,55, что в общем является достижимым результатом.

Хп+1

о 0,1 0,2 0,3 г|п

Рис. 5. Зависимость параметра обратной связи X+ от фактора ориентации волокон nn для углепластиков на основе фенилона. Величина X взята с запаздыванием на один интервал времени по сравнению с п. Обозначения те же, что и на рис. 1.

Таким образом, полученные в настоящей работе результаты позволили выяснить структурный смысл эффекта обратной связи для углепластиков на основе фенилона и продемонстрировать его влияние на прочность этих материалов. Снижение параметра обратной связи может привести к существенному росту макроскопической прочности углепластиков.

Контролировать величину этого параметра можно изменением фактора ориентации волокон, который является управляющим параметром для межфазных областей.

Перечень ссылок

1. Буря А.И., Козлов Г.В. Синергетика структуры полимерных композитов, формируемой во вращающемся электромагнитном поле: Материалы научно-практической

конференции 21-28 февраля 2004. - Р. н/Д: Из-во Рост. Ун-та, 2004. - C. 56-58.

2. Иванова В.С., Кузеев И.Р., Закирничная М.М. Синергетика и фракталы. Универсальность механического поведения материалов. - Уфа. - Изд-во УГНТУ - 1998. -366 с.

3. Козлов Г.В., Липатов Ю.С. Описание структуры полимерной матрицы дисперсно-наполненных полимерных композитов как термического кластера: критические индексы. Механика композитных материалов. - 2003. -Т. 39. - №1. - С. 89-96.

4. Фенилон - термостойкий ароматический полиамид / Соколов Л.Б., Кузнецов Г.А., Герасимов В.Д., Фоменко Л.Н., Кудим Т.В., Савинов В.М., Саенко А.Д., Гудимов М.М., Хруслова Н.В., Бейдер Э.Л., Трофимович А.Н., Приходько О.Г. // Пластические массы. - 1967. - №9. -С. 21-23.

5. Баланкин А.С. Синергетика деформируемого тела. - М.: Изд-во Министерства Обороны СССР. - 1991. - 404 с.

6. Козлов Г.В., Сандитов Д.С. Ангармонические эффекты и физико-механические свойства полимеров. - Новосибирск. - Наука. - 1994. - 261 с.

7. Козлов Г.В., Новиков В.У Синергетика и фрактальный анализ сетчатых полимеров. - М.: Классика, 1998. - 112 с.

8. Будтов В.П. Физическая химия растворов полимеров, СПб., Химия. - 1992. - 384 с.

9. Aharoni S.M., Correlations between chain parameters and failure characteristics of polymers below their glass transition temperature. Macromolecules. - 1985. - v.18. -№ 12. - Р. 2624-2630.

10. Aharoni S.M. On entanglements of flexible and rodlike polymers. Macromolecules.- 1983. - v. 16. - № 9. - Р. 17221728.

11. Липатов Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров. - М.: Химия, 1977. - 304 с.

12. Буря А.И., Козлов Г.В., Казаков М.Е. Описание формирования структуры углепластиков в рамках синергетики твердого тела: Материалы XXIV ежегодной международной конференции 31 мая-4 июня 2004. - Ялта, Крым. - С. 246-248.

13. Новиков В.У., Козлов Г.В., Липатов Ю.С. Исследование межфазного слоя в наполненных полимерах с использованием концепции фракталов. - Пласт. массы. -2003. - № 10.- C. 4-8.

14. Новиков В.У., Козлов Г.В., Бурьян О.Ю. Фрактальный подход к межфазному слою в наполненных полимерах. Механика композитных материалов. - 2000. - т. 36. -№ 1. - C. 3-32.

15. Козлов Г.В., Яновский Ю.Г., Липатов Ю.С. Фрактальный анализ структуры и свойств межфазных слоев в дисперсно-наполненных полимерных композитах.-Механика композиционных материалов и конструкций. -2002. - т. 8. - № 1. - C. 111-149.

Одержано 20.09.2007

Отримат результати дозволили з 'ясувати структурний 3Micm ефекту зворотного зв 'язку для вуглепластитв на основi фетлону i продемонструвати його вплив на мiцнiсть цих матерiалiв. Зниження параметра зворотного зв 'язку може привести до iстотного зростання макроскопiчноi мiцностi вуглепластиюв.

The obtained results allowed to find out structural sense of feed-back effect for carbon plastics on the basis of phenilon and show its influence on durability of these materials. The decline offeed-back parameter can result in substantial growth of macroscopic durability of carbon plastics.

УДК 621.74:669.018.44

Ю. В. Самойлов, д-р техн. наук Э. И. Цивирко, канд. техн. наук В. Е. Самойлов, канд. техн. наук В. В. Кудин

Национальный технический университет, г. Запорожье

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ РАСПЛАВА И СТРУКТУРА

НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

В работе исследовано поверхностное натяжение никеля методом «лежащей капли». В качестве легирующих элементов использованы Ta, Zr, Сг, Т, Со, W и ЫЬ. Приведены результаты влияния поверхностного натяжения расплава на макро- и микроструктуру никеля.

Введение

Физико-механические и служебные характеристики литых деталей в значительной степени зависят от размеров и расположения макро- и микрозерен металлической матрицы сплавов. Согласно термодинамической теории кристаллизации, на параметры структуры сплавов существенно влияет поверхностное натяжение расплава [1], управляя которым, можно заметно улучшить качественные характеристики отливок, что является в настоящее время вполне актуальным.

В настоящем исследовании изучали влияние поверхностного натяжения расплава на макро - и микроструктуру никеля, легированного различными элементами.

Методика исследований

Навеска электролитического никеля массой 1,0-1,5 г размещалась на электрокорундовой подложке в спе-

циальной установке (рис. 1) для определения поверхностного натяжения жидкого метала методом «лежащей капли». Навеска никеля расплавлялась в атмосфере очищенного аргона (рис. 2) при различных температурах (табл. 1), а геометрические параметры капли фиксировались фотокамерой. Полученные параметры капли позволяли получить следующие данные: поверхностное натяжение на границе металл - газ (< ) и краевой угол смачивания (6).

Таблица 1 - Влияние температуры на поверхностные характеристики никеля

t, °С 0, град ^ ж. г, мДж/м2 Аа, мДж/м2 Ак, мДж/м2

1450 146 2337 400 4674

1480 144 1467 280 2934

1510 137 1134 305 2268

1540 121 1053 511 2106

1 - баллон с аргоном;

2 - редуктор;

3 - трехходовой кран;

4 - дросель;

5 - печь с восстановленной медью;

6 - моностат;

7 - печь с палладиевым катализатором; 8-9 - колонки з силикагелем и цеолитом;

10 - двухходовой кран;

11 - реометр;

12 - колба;

13 - проекционная лампа;

14 - линза;

15 - стойка крепления печи;

16 - капля;

17 - печь из кварцевого стекла;

18 - индуктор;

19 - подложка;

20 - стойка крепления камеры;

21 - фотокамера

Рис. 1. Схема установки для определения поверхностного натяжения жидкого метала методом «лежащей капли»

© Ю. В. Самойлов, Э. И. Цивирко, В. Е. Самойлов, В. В. Кудин, 2008

Рис. 2. Параметры взаимодействия капли жидкого металла с окружающей средой:

d1 - максимальный диаметр капли; к - расстояние от максимального диаметра до вершины капли; 6 - краевой угол смачивания

Используя уравнение Дюпре (1) и закон Юнга для спокойно лежащей капли на твердой подложке (2), рассчитывали поверхностное натяжение между жидким металлом и твердой подложкой (ст ) (3).

Аа Ож. г. + От. г.

Аа Ож. г.

(1 + tos0);

°ж. т. = От. г. - Ож. г. с°50'

Установлено, что температура нагрева жидкой капли никеля заметно влияет на краевой угол смачивания и стабильное состояние капли на подложке. В дальнейших экспериментах поддерживалась температура (1510±5) °С, что исключало взаимодействие металла с подложкой.

В полученные капли электролитического никеля вводились такие легирующие элементы: тантал, цирконий, хром, титан, кобальт, вольфрам и ниобий. Введение легирующих элементов в никель осуществлялось по следующей технологии (рис. 3): расчетное количество легирующего элемента размещалось на подложке, сверху ложилась готовая капля никеля, комплекс двух металлов расплавлялся и выдерживался при температуре (1510±5) °С до полного растворения легирующего элемента в никеле. Геометрические параметры капли фиксировали фотокамерой для последующего определения поверхностных характеристик (табл. 2).

Из полученных затвердевших капель изготавливали металлографические шлифы, на которых изучали макро - и микроструктуру, измеряли микротвердость на микротвердомере «Micromet» фирмы «Buehler» при нагрузке 0,1 Н.

Макроструктуру металла выявляли с помощью тра-вителя , состоящего из 80 % HCl и 20 % H2O2. Микроструктуру - в реактиве Марбле.

Средние размеры макро- и микрозерен определяли методом секущих.

Рис. 3. Схема размещения образца и легирующей присадки на подложке:

1 - никелевый образец; 2 - легирующая присадка; 3 -подложка из А^03

Таблица 2 - Влияние легирующих элементов на поверхностные характеристики никеля, легированного различными элементами

Химический элемент Массовая доля легирующего элемента, % 0, град ож. г., мДж/м2 От. г., мДж/м2 Ож. т., мДж/м2

- - 137 1134 619 1753

Ta 2,34 125 1241 671 1912

Zr 2,23 136 854 585 1439

Cr 2,17 136 922 672 1594

Ti 2,23 137 867 633 1500

Co 2,33 135 918 764 1683

W 4,87 135 1233 643 1876

Nb 4,33 119 848 636 1484

Обсуждение полученных результатов

Заметно уменьшили краевой угол смачивания никеля такие элементы, как тантал и ниобий (табл. 2). Остальные легирующие элементы практически не изменяли краевой угол смачивания. В то же время легирующие элементы существенно изменили поверхностные параметры жидкого никеля. Тантал и вольфрам увеличили поверхностное натяжение никеля, а цирконий, хром, титан и ниобий - снизили (табл. 2). Влияние кобальта на поверхностное натяжение никеля было минимальным.

Легирование никеля исследуемыми элементами изменяло средние размеры макрозерна (табл. 3). Существенное измельчение макрозерна произошло при легировании никеля цирконием, титаном, а укрупнение - при легировании танталом и вольфрамом.

о

ж. т