Определение реологических характеристик механолегированного алюминиевого порошка при повышенных температурах

Алгоритм контроля основных пороков реализован на базе программы N1 Vision Builder с применением объектного программирования и подробно описан в статье [4].

Эксперимент показал, что установка АДПС позволяет измерить дефект с точность до 0,1 мм в соответствии с формулами (1) и (2), что позволяет проводить контроль порока в промышленности.

Итоги работы таковы:

смоделирована оптико-электронная установка контроля с учетом универсального освещения;

выделены основные признаки пороков «царапина», «пузырь» и «камень» и на их основе построен алгоритм детектирования;

эксперимент показал, что для выделения порока «пузырь» следует применять набор фильтров Laplace-Median, для порока «царапина» — Laplace-Highlight Details, а для порока «камень» подходит фильтр Median;

для указанных пороков разработаны алгоритмы распознавания на базе N1 Vision Builder.

Проведенное исследование показало, что система АД ПС позволяет осуществлять контроль стекла в соответствии с ГОСТ. При этом использование объектного программирования упрощает реализацию алгоритма контроля и уменьшает скорость нахождения дефекта на изображении.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 111—2001. Стекло листовое. Технические условия [Текст].— М.: Изд-во стандартов, 2001—21 с.

2. Визильтер, Ю.В. Обработка и анализ цифровых изображений с примерами на Labview и IMAQ Vision. [Текст] / Ю.В. Визильтер, С.Ю. Желтов, В.А. Князь, А.Н. Ходарев, A.B. Моржин // М.: ДМК Пресс, 2007.

3. Гонсалес, Р. Цифровая обработка изображений [Текст]: Пер. с англ. / Р.Гонсалес, Р.Вудс //— М.: Техносфера, 2005,— 1072 с.

4. Булатов, В.В. Обобщенный алгоритм выделения пороков стекла [Текст] / В.В. Булатов // Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвуз. сб. Вып. 39,- СПб: Изд-во СЗТУ, 2009,- С. 125-130.

5. Булатов, В.В. Влияние источников света на процесс контроля процесс контроля прозрачных сред техническим зрением [Текст] / В.В. Булатов, A.A. Сарвин //Труды междунар. научно-техн. конф., посвященной 80-летию вуза: Системы и процессы управления и об-

работки информации— СПб.: Изд-во СЗТУ, Институт системного анализа, автоматики и управления, 2010,— С. 109-113.

6. Булатов, В.В. Математические основы обнаружения инородных включений на стекле по монохромному изображению [Текст] / В.В. Булатов, A.A. Сарвин //Труды международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию вуза: Системы и процессы управления и обработки информации,— СПб.: Изд-во СЗТУ, Институт системного анализа, автоматики и управления, 2010,— С. 114—119.

7. Барандов, С.Б. Методика оценки пузырности стекол по монохромному изображению [Текст] / С.Б. Барандов, В.В. Булатов//Труды XI Международной научно-практической конференции молодых ученых, студентов и аспирантов: Анализ и прогнозирование систем управления. I ч,— СПб.: Изд-во СЗТУ, 2010,-С. 42-47.

УДК621.771:620.18

A.M. Болотов, В.Н. Цеменко, С.А. Котов, C.B. Ганин

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНОЛЕГИРОВАННОГО АЛЮМИНИЕВОГО ПОРОШКА ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Метод механического легирования — один из ду можно добиться расширения растворимости

методов порошковой металлургии, который по- легирующих добавок в материале матрицы, осу-

зволяет получать дисперсно-упрочненные и ком- ществить синтез равновесных и метастабильных

позиционные материалы. Благодаря этому мето- кристаллических, а также аморфных фаз.

Метод механического легирования дает возможность получить целый класс новых, обладающих рядом специальных свойств порошковых материалов на основе алюминия, легированного редкоземельными элементами или их оксидами. Пока еще не решена задача получения компактных заготовок из таких порошков, которые относятся к трудно деформируемым и уплотняемым материалам.

Следует отметить, что статические методы уплотнения порошковых материалов, содержащих интерметаллиды высокой твердости, связаны с некоторыми трудностями: холодное прессование не позволяет получать плотные образцы, так как даже при отсутствии в них заметной при микроскопических исследованиях пористости физико-механические свойства этих образцов невысоки; горячее прессование обеспечивает получение плотных заготовок, но протекающие фазовые превращения и укрупнение структуры препятствуют реализации полезных свойств наполнителя. При решении таких задач целесообразно осуществлять предварительное математическое моделирование процессов уплотнения.

В задачах математического моделирования процессов уплотнения при повышенных температурах обычно порошковый материал представляют как пористый с уже образовавшимися связями между частицами порошка. В этом случае допускается возможность использования эллиптического условия пластичности. Представление пористого тела в виде полидисперсной среды с порами позволяет рассчитать пределы текучести при пластическом сдвиге (х5) и гидростатическом сжатии (рв зависимости от относительной плотности пористого материала (р) при известном пределе текучести компактного (матричного) материала [1].

В случае с механически легированными материалами оксидные пленки и интерметаллид-ные фазы могут препятствовать образованию прочных связей между частицами в отличие от порошков металлов. Опыт показал, что образующиеся при спекании рассматриваемых материалов связи на границе раздела между частицами — хрупкие, что свидетельствует о том, что данная связь образована не металлом, а его оксидной пленкой.

Для определения реологических характеристик такого материала следует рассматривать его какнеспеченный порошковый материал, одна-

Металлургия и материаловедение

ко при этом необходимо учесть изменение механических характеристик при повышении температуры.

В отличие от пористого материала, механические характеристики которого удается вычислить с той или иной степенью приближения, для неспеченного материала необходимо использовать экспериментальные методы.

Экспериментальное построение кривых предельного состояния порошковых материалов определенной плотности в осях «гидростатическое сжатие (первый инвариант тензора напряжений —р) — интенсивность касательных напряжений (второй инвариант девиатора — 9)» возможно по точкам, которые должны соответствовать различным схемам нагружения [2]. При наличии стандартного испытательного оборудования удается реализовать 5 схем нагружения. На рис. 1 представлена геометрическая интерпретация эллиптического условия текучести для порошковых материалов и точки, соответствующие различным схемам нагружения: одноосному растяжению (точка У), сдвигу (точка 2), одноосному сжатию (точка 3), сжатию в закрытой матрице (точка 4) и гидростатическому сжатию (точка 5).

Для корректного описания процессов деформирования порошковых материалов принципиальное значение имеет та часть кривой предельного состояния, которая относится к области уплотнения. Эта часть определяется точками одноосного сжатия, сжатия в закрытой матрице и гидростатического сжатия.

Рис. 1. Геометрическая интерпретация эллиптического условия текучести порошковых материалов:

Р! — предел текучести при гидростатическом сжатии; тл. — предел текучести при пластическом сдвиге; с — предел уплотнения

Рис. 2 Оснастка для обработки образцов диаметром 19 мм: а — схема и б — общий вид перед испытанием;

1 — зажим, 2— пуансон, 3 — матрица, 4— образец, 5 — трубка для термопары

на с матрицей, которая разогревалась прямым пропусканием тока через захваты.

На рис. 3 представлена рабочая камера испытательного комплекса с установленной в нее дополнительной оснасткой. Рабочая камера соединена с вакуумной системой, обеспечивающей разряжение не менее Ы0-4 мм. рт. ст. Для записи усилий, создаваемых со стороны пуансонов, использовались тензодатчики, а для записи деформаций — датчики перемещения траверсы.

Первой задачей было установление зависимости относительной плотности от температуры прессования при фиксированной нагрузке , чтобы определить рабочую температуру горячей деформации исследуемого порошкового материала.

После достижения в камере высокого вакуума на пуансоны подавалось усилие 20 кН (68 МПа) (усилие подпрессовки), которое поддерживалось постоянным до конца эксперимента. Нагрев образца (диаметром 19 мм) осуществлялся прямым пропусканием электрического тока через матрицу со скоростью нагрева 0,5 °С/с до температуры 580 °С. При повышении температуры происходит увеличение пластичности порошкового материала и под действием приложенной нагрузки он начинает уплотняться. На рис. 4 приведена зависимость плотности образца от температуры прессования. Необходимо заметить, что линия графика имеет перегибы в точках около 340 и 420 °С. Интервал между ними является зоной фазовых превращений [3]. На основании данного факта была выбрана рабочая температура процесса уплотнения — 300 °С.

Следующая серия опытов производилась при температуре 300 °С. Целью этого эксперимента было построение зависимости плотности

Если учесть те процессы обработки давлением, которым могут подвергаться исследуемые порошковые материалы, — прессование, прокатка, экструзия, РКУ-прессование, выбор схемы напряженного состояния — соответствующий прессованию в закрытой матрице, следует считать приемлемым.

Исследование процесса уплотнения в закрытой матрице осуществлялось на комплексе С1ееЫе 3800, для чего была изготовлена специальная оснастка (рис. 2). Предварительно ском-пактированный образец 4 находится в матрице 3. В качестве изолятора, исключающего протекание электрического тока через образец при нагревании, выступало покрытие нитрида бора, наносимое непосредственно на пуансоны и на внутреннюю сторону матрицы. Для контроля температуры к образцу через керамическую трубку 5 подводилась термопара. Со стороны пунсонов 2, закрепленных в медных зажимах У, создавалось необходимое усилие прессования. Нагрев образца осуществлялся посредством теплообме-

Рис. 3. Камера модуля комплекса С1ееЫе 3800, подготовленная для проведения испытания

4

Металлургия и материаловедение^

Относительная плотность

Температура, °С

Рис. 4. Зависимость относительной плотности от температуры прессования

уансон

Образец

Основание

Рис. 5. Оснастка для проведения опытов на сжатие

/ >

20е / /

/ ту"

Л

Рис. 6. Зависимость предела текучести при гидростатическом сжатии р5 от относительной плотности материала р

0,68 0,72 0,76 0,8

Рис. 7. Зависимость предела текучести при пластическом сдвиге xf от относительной плотности материала р

0,68 0,72 0,76 0,8 Р

Рис. 8. Зависимость предела уплотнения с

р

от давления прессования при заданной температуре. После достижения вакуума образец нагревался прямым пропусканием тока через матрицу со скоростью нагрева 0,5 °С/с до температуры 300 °С. Задавалась скорость перемещения захватов 0,1 мм/мин. В ходе опыта фиксировалось перемещение захватов и усилие прессования в определенные моменты времени.

Следующей задачей было получение зависимости предела текучести при одноосном сжатии от относительной плотности образцов.

В отличие от нагрева образцов в закрытой матрице, нагрев образцов для проведения данного эксперимента на комплексе С1ееЫе 3800 возможен только за счет прямого пропускания тока через образец. Этот факт может существенно повлиять на результаты эксперимента. Поэтому испытания проводились на испытательной машине Р-10. Для этого была разработана и изготовлена специальная оснастка (рис. 5). Образцы для испытания диаметром 16 мм и высотой 20 мм получали холодным прессованием в закрытой матрице. Оснастка вместе с образцом выдерживалась в течении 30 минут в камерной печи, нагретой до 300 °С. После этого она помещалась в испытательную машину, работающую в режиме сжатия. Разрушение образцов происходило при достижении деформации около 1 %.

Полученные экспериментальные данные были обработаны следующим образом: при одноосном нагружении сжимающее напряжение — = >/Зт,

а среднее напряжение — а0 = . Для этого вида нагружений в соответствии с эллиптическим ус-

ловием текучести т = т5, -а0 = с. Для нагружения в замкнутой матрице производилась оценка т и а0. Среднее напряжение (—а0) в рамках допустимой погрешности принималось равным

Дополнительно к испытаниям при температуре 300 °С были проведены аналогичные испытания образцов из исследуемого материала при нормальной температуре. На рис. 6—8 приведены зависимости соответствующих характеристик от относительной плотности как для нормальных условий, так и для повышенной температуры. Из зависимостей видно, что повышение температуры пластической деформации до 300 °С существенно снижает значения реологических характеристик порошкового материала в исследованном интервале плотностей.

Таким образом в настоящей работе была отработана методика проведения механических испытаний при повышенных температурах с использованием комплекса для физического моделирования С1ееЫе 3800 и испытательной машины Р-10. Получены реологические характеристики механически легированной порошковой композиции на основе алюминия при повышенных температурах, которые могут быть использованы для проведения математического моделирования различных технологических процессов деформирования исследованного порошкового материала.

Работа выполнена при финансовой поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» Министерства образования и науки РФ (грант № 2.1.2/6955).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Руде кой, А. И. Моделирование пластического деформирования пористого материала в металлической оболочке [Текст] / А.И. Рудской, Ю.И. Рыбин, В.Н. Цеменко//Научно-технические ведомости СПбГПУ,- 2007. № 3(51).- С. 26-31.

2. Цеменко, В.Н. Процессы порошковой металлургии. Теория и физические основы уплотнения порошковых материалов [Текст] /

В.Н. Цеменко.— СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2005,- 116 с.

3. Котов, С.А. Влияние термической обработки на свойства механически легированных материалов на основе алюминия [Текст] / В.Д. Андреева, C.B. Ганин [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. 2007. № 12(630).- С. 25-29