ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Лебедєва Наталія Юріївна

УДК 669.017.3:669.35’74

ВПЛИВ ТЕРМІЧНОЇ ОБРОБКИ НА ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВИСОКОДЕМПФІРУВАЛЬНИХ МАРГАНЦЕВО-МІДНИХ СПЛАВІВ

Спеціальність 05.16.01 - Металознавство та термічна обробка металів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Запоріжжя - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України, м. Миколаїв.

Науковий керівник:

Доктор технічних наук, професор Шведов Леонід Іванович

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Луньов Валентин Васильович, Запорізький національний технічний університет (м. Запоріжжя), директор Фізико-технічного інституту

кандидат технічних наук Колобов Герман Олександрович, Запорізька державна інженерна академія (м. Запоріжжя), професор кафедри металургії кольорових металів

Провідна установа:

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН Україні, відділ фізико-хімічних досліджень, м. Київ.

Захист відбудеться " 14 " березня 2006 р. о _13_ год. _30_ хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 17.052.01 при Запорізькому національному технічному університету (ЗНТУ) за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64, ауд. 153.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ЗНТУ за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

Автореферат розісланий "_7_"лютого 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д17.052.01

д.т.н., проф. |

Внуков Ю.М. |

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Створення нових машин, устаткування та споруд із підвищеними техніко-економічними показниками досягається шляхом раціонального вибору матеріалів, підвищенням точності виготовлення деталей і швидкостей їх відносного переміщення. Однією з перешкод отримання їх високих експлуатаційних характеристик є вібрація. Вона прискорює зношування деталей машин, знижує ресурс роботи механізмів, а найчастіше може бути і причиною їх аварійних поломок і руйнувань. Серед ефективних способів зниження рівня вібрації працюючих механізмів є використання деталей із матеріалів з високими показниками демпфірування. До одних із таких матеріалів відносяться марганцево-мідні сплави, що мають хороші демпфірувальні та механічні властивості, високий електроопір, низьку теплопровідність, а деякі і ефект пам’яті форми. Сполучення таких особливих властивостей дає можливість широко застосовувати марганцево-мідні сплави в різних галузях виробництва: машинобудуванні, суднобудуванні, авіабудуванні, приладобудуванні й ін. Дослідженню фазових перетворень і властивостей марганцево-мідних сплавів присвячено багато робот, які дозволили встановити закономірності структурних і фазових перетворень у цих сплавах, вплив їх на зміну фізичних і технологічних властивостей та розробити ряд промислових сплавів, які застосовуються як матеріал високого демпфірування й у пристроях, де використовується ефект пам’яті форми.

Незважаючи на наявні приклади використання таких матеріалів при виготовлені зварних рам фундаментів, корпусів компресорів, шестерень, зубчатих коліс та деяких деталей двигунів, широкого промислового застосування марганцево-мідні сплави в цей час ще не отримали. На наш погляд, це пояснюється тим, що недостатньо вивчено технічно важливі фізичні й технологічні властивості таких сплавів, на основі яких конструктор міг би обґрунтовано робити їх вибір, особливо це стосується багатих на марганець марганцево-мідних сплавів, що зазнають оборотного мартенситного перетворення. Нез'ясованим є й питання, які пов’язані з об’ємними ефектами цього перетворення та природою його неповної оборотності при нагріванні.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Основні результати дисертаційної роботи отримані в рамках НДР „Дослідження процесів вакуумної термообробки високомарганцевих сталей і сплавів” (Держ. реєстр. № 0197U001453) у період з 01.01.1991 р. по 31.12.1994 р.; та НДР „Наукові основи технології з’єднання жаростійких, тугоплавких, керамічних і композиційних матеріалів стосовно газових турбін та енергетичних пристроїв спеціального призначення” (Держ. реєстр. № 0102U005200) у період з 01.01.2002 р. по 31.12.2004 р. (рівень участі здобувача - виконавець).

Мета і завдання досліджень. Основною метою роботи є визначення впливу термічної обробки на фазові перетворення та фізико-механічні властивості легованих марганцево-мідних сплавів з вмістом марганцю 60 і 80 % після лиття, кування, зварювання, встановлення режимів термічної обробки досягнення максимального рівня демпфірування та можливості отримання якісних зварних з’єднань.

Для досягнення мети було поставлено та вирішено наступні задачі:

- дослідити вплив термічної обробки на структуру, демпфірувальну здатність, модуль пружності й твердість марганцево-мідних сплавів;

- встановити вплив температури випробувань на демпфірувальну здатність і модуль пружності марганцево-мідних сплавів;

- дослідити змінення тимчасових напруг, коефіцієнту теплового розширення, електроопору при термоциклуванні зразків марганцево-мідного сплаву, що зазнає при гартуванні оборотне мартенситне перетворення з метою виявлення його особливостей;

- встановити можливість зварювання марганцево-мідних сплавів між собою і з низьковуглецевою сталлю, вплив термічної обробки на властивості зварних з’єднань з метою визначення можливості створення комбінованих конструкцій;

- дослідити вплив температури нагрівання в умовах можливої експлуатації на змінення демпфірувальної здатності і теплове розширення зразків біметалу сталь-марганцево-мідний сплав.

Об’єкт дослідження - марганцево-мідні сплави з вмістом марганцю 60 й 80 %, леговані хромом і нікелем: Г60Д37Х3, Г80Д16Х3Н відповідно.

Предметом досліджень є зміна структури, демпфірувальної здатності, модуля пружності, твердості під впливом термічної обробки, об’ємні та теплові ефекти мартенситного перетворення, зварюваність.

Методи дослідження. Визначення демпфірувальних властивостей проводили за методом вільних згасаючих коливань; об’ємні ефекти фазових перетворень визначали за методикою нагрівання-охолодження жорстко закріпленого зразка, що була модернізована стосовно даних сплавів; коефіцієнт лінійного розширення визначали за методикою нагрівання дротового зразка у вакуумі; дослідження структури проводили з використанням оптичного та растрового електронного мікроскопів; дослідження фазового стану сплавів виконували рентгеноструктурним і рентгеноспектральними методами; визначення механічних характеристик проводили за стандартними методиками.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Розширено уявлення про особливості протікання оборотного мартенситного перетворення у високомарганцевих марганцево-мідних сплавах. Визначено об’ємні й теплові ефекти цього перетворення. Встановлено, що пряме мартенситне перетворення супроводжується лінійним збільшенням розмірів сплаву на 0,14 %, це приблизно в п’ять разів менше, ніж збільшення розмірів при мартенситному перетворенні у сталях.

2. Вперше встановлено закономірності зміни коефіцієнта лінійного розширення при нагріванні-охолодженні марганцево-мідного сплаву з 80 % марганцю, які дозволили виявити ефект інварності, що призводить до неповної оборотності термопружного мартенситного перетворення: утворення в процесі зворотного мартенситного перетворення -фази з більшим значенням коефіцієнта лінійного розширення призводить до зриву когерентності на міжфазній границі та припинення перетворення.

3. Встановлено закономірності впливу термічної обробки й нагрівання на демпфірувальну здатність, модуль пружності та структуру марганцево-мідних сплавів із вмістом марганцю 60 і 80 %, що дозволяє визначити режими термічної обробки цих сплавів, які забезпечують максимальне демпфірування і задовільні показники механічних властивостей.

Практичне значення роботи полягає в наступному:

Встановлено можливість отримання зварних з’єднань із марганцево-мідних сплавів аргонодуговим зварюванням вольфрамовим електродом без присадки рівноміцних з основним металом і високим рівнем демпфірування, а також зварних з’єднань цих сплавів із низьковуглецевими сталями, що дозволяє використати їх при виготовленні зварених конструкцій.

Отримано біметал сталь-марганцево-мідний сплав з високою демпфірувальною здатністю і стабільністю розмірів при нагріванні до 140 °С, застосування якого можливе в різних конструкціях для демпфірування коливань.

Матеріали дисертаційної роботи розглянуто в ряді відділів науково-промислового комплексу газотурбинобудування. Науково-практичне значення одержаних результатів підтверджується актом про перспективу впровадження марганцево-мідних сплавів в якості вібродемпфірувальних опор і деяких деталей газотурбінних двигунів.

Особистий внесок автора полягає у розробці установки для дослідження демпфірувальних властивостей металів; модернізації методик дослідження об’ємних ефектів фазових перетворень і коефіцієнта лінійного розширення; проведенні експериментальних досліджень: щодо впливу термічної обробки на демпфірувальну здатність, модуль пружності, твердість; впливу нагрівання на зміну демпфірувальної здатності, модуля пружності, коефіцієнта лінійного розширення і електроопору; щодо зміни тимчасових напруг при нагріванні-охолодженні жорстко закріплених зразків; металографічних досліджень мікрошліфів марганцево-мідних сплавів і їх зварних з’єднань на оптичному мікроскопі, мікротвердомірі; у проведенні обробки й аналізу результатів. Основні результати, які включено у дисертацію, отримані автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертації були розглянуті й обговорювалися на: науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Національного університету кораблебудування з 1992 по 2004 рр.; V науково-технічній конференції "Нові конструкційні сталі та сплави і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів", Запоріжжя, 1992 р.; Міжнародному науково-практичному симпозіумі "Проблеми суднобудування: стан, ідеї, рішення", Миколаїв, 1997 р.; Міжнародній науково-технічній конференції "Нові науково-технічні досягнення в галузі зварювання та споріднених технологій", Миколаїв, 1999 р.; VIII Міжнародній науково-технічній конференції "Нові конструкційні сталі та сплави і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів", Запоріжжя, 2000 р.; Міжнародній конференції "Кораблебудування: освіта, наука, виробництво", Миколаїв, 2002 р.; XI Міжнародній науково-технічній конференції "Нові конструкційні сталі та сплави і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів", Запоріжжя, 2003 р.

Публікації. Основні положення дисертації викладені у 11 наукових публікаціях (п’ять з них у фахових виданнях)

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Загальний обсяг дисертації становить 155 сторінок. Дисертація вміщує 58 рисунків, 3 таблиці, список використаних джерел з 104 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі розглянуто актуальність теми дисертації, мету та завдання досліджень, наукову новизну і практичну цінність роботи.

Перший розділ присвячено аналізу найбільш значущих робот з наукової проблеми та вибору напрямку досліджень. Вивченню властивостей і фазових перетворень марганцево-мідних сплавів присвячені роботи, які виконано під керівництвом Ю.К.Фавстова, Є.З.Винтайкина, В.В.Матвієва, А.Є.Вайнермана, Т.О.Чернишової та ін.

Основною відміною цих сплавів від інших демпфірувальних сплавів є унікальне сполучення високої демпфірувальної здатності з задовільним комплексом механічних характеристик. Міцність і пластичність марганцево-мідних сплавів приблизно такі ж, як у середньовуглецевих сталей після покращення: в = 500... 600 МПа; 0,2 = 250...300 МПа; = 20… 30 %.

Традиційно високодемпфірувальні марганцево-мідні сплави отримують індукційною плавкою в середовищі аргону. Як вихідні матеріали використовуються електролітичний марганець і катодна мідь. Марганець має ряд специфічних особливостей, які ускладнюють отримання злитків і виливків зі сплавів на його основі. Сюди відноситься велика хімічна активність розплаву при високих температурах, висока пружність пари марганцю близько температури плавлення сплавів, велика об’ємна усадка та схильність до утворення усадочної пористості. Крім того, не виключається забруднення розплаву матеріалом футерування печі та не забезпечується мікрощільність виливка. З метою зниження вмісту газів і домішок сірки та фосфору в ІЕЗ ім Є.О. Патона розроблено й реалізовано технологію електрошлакового рафінування (ЕШР) електролітичного марганцю. Подальший розвиток технології ЕШР дозволив застосовувати її також і для отримання високодемпфірувальних сплавів на марганцево-мідній основі.

Проаналізовано особливості структурного стану після різних видів термічної обробки. В реальних умовах структура марганцево-мідних сплавів істотно відрізняється від рівноважної внаслідок дуже повільного протікання фазових перетворень. При гартуванні високомарганцевих сплавів з області -твердого розчину відбувається перетворення г.ц.к. ґратки в г.ц.т. по мартенситному механізму. В процесі мартенситного перетворення утворюються мікродвійники з великою рухливістю, що забезпечує високий рівень розсіювання енергії механічних коливань. Крім того, спостерігається рух міжфазових границь матриця-мартенсит, мартенсит-матриця, границь двійників у голках мартенситу, переорієнтація голок. У сплавах із вмістом марганцю менше 80 % гартування не призводить до появи тетрагональності ґратки. При наступному старінні відбуваються процеси мікророзшарування на області, збіднені й збагачені марганцем, і при наступному охолодженні останні зазнають перетворення по мартенситному механізму. Мартенситне перетворення в марганцево-мідних сплавах супроводжується одночасним переходом з парамагнітного стану в антиферомагнітне. Результати дилатометричних досліджень мартенситного перетворення в марганцево-мідних сплавах виявилися досить суперечливими. В одних працях стверджується, що мартенситне перетворення відбувається без зміни об’єму металу, а в інших відзначається помітне збільшення об’єму при прямому перетворенні й зменшення об’єму при зворотному.

Проаналізовано дані щодо впливу легуючих елементів на властивості марганцево-мідних сплавів. Розглянуто питання зварюваності цих сплавів.

У цілому аналіз літературних даних дозволив визначити та сформулювати основні завдання досліджень, що включають закономірності впливу термічної обробки і нагрівання на демпфірувальну здатність, модуль пружності, коефіцієнт лінійного розширення і електроопір марганцево-мідних сплавів, особливості протікання мартенситного перетворення та можливість отримання якісних зварних з’єднань.

У другому розділі представлені дані з досліджуваних сплавів і методики досліджень. На підставі аналізу літературних даних як об’єкт досліджень обрані два сплави – Г80Д16Х3Н, що містить 80,0 ваг. % Mn, 16,0 ваг. % Cu, 3,0 ваг. % Cr, 1,0 ваг. % Ni, та 60Г37Д3Х, що містить 60,0 ваг. % Mn, 37,0 ваг. % Cu, 3,0 ваг. % Cr. Сплави було отримано плавкою в індукційній печі з використанням електролітичного марганцю та катодної міді.

У даній роботі для визначення демпфірувальної здатності був обраний метод вільних затухаючих коливань, що є найбільш простим і надійним. На основі віброграм були визначені наступні характеристики демпфірувальної здатності: логарифмічний декремент згасаючих вільних коливань , % та відносне розсіювання енергії або коефіцієнт розсіювання , %. Також по віброграмах розраховувався модуль нормальної пружності і напруга, що виникає у зразку в місці жорсткого закріплення.

Для даної методики дослідження демпфірувальних властивостей в умовах дії напруг, близьких до допустимих, було спроектовано та виготовлено спеціальну установку. Ця установка дозволяє проводити нагрівання зразків для дослідження температурної залежності демпфірувальної здатності і модуля пружності.

Коефіцієнт лінійного розширення визначався за методикою нагрівання дротового зразка електричним струмом у вакуумі.

Для дослідження структурних перетворень і термодеформаційних процесів у досліджуваних сплавах використано методику нагрівання-охолодження жорстко закріпленого зразка, яка була модернізована стосовно дослідження марганцево-мідних сплавів додаванням вузлів для диференціального термічного аналізу та відносної зміни електричного опору. Для захисту зразка від навколишнього середовища передбачено спеціальну камеру. Регулювання швидкості охолодження найбільш просто здійснити в трубчастих тонкостінних зразках. Шляхом пропущення через трубчастий зразок нейтральних газів під різним тиском або рідин легко досягаються будь-які режими прискореного охолодження у порівнянні з охолодженням на повітрі.

Металографічні дослідження проводили на мікроскопах МІМ-7, електронно-зондовому мікроаналізаторі САМЕВАХ SX50 (виробництво фірми САМЕLА, Франція). Рентгеноспектральний аналіз робили на установці РЭММА-102, рентгеноструктурний – на дифрактометрі рентгенівському ДРОН-4-07. Твердість визначалася за методом Віккерса на приладі ТПП-10 при навантаженні 100 Н. Для оцінки механічних властивостей марганцево-мідних сплавів використовували стандартні методи.

У третьому розділі наведені результати досліджень щодо впливу термічної обробки на структуру, демпфірувальну здатність, модуль пружності та твердість марганцево-мідних сплавів Г80Д16Х3Н і Г60Д37Х3, а також вплив температури випробувань на демпфірувальну здатність і модуль пружності. Сплави досліджувалися в стані після прокатки та кування.

Після виплавки зі зливків виготовлялися прутки діаметром 30 мм. Рентгеноструктурним аналізом сплаву Г80Д16Х3Н встановлено, що подальше кування призводить до появи нової текстури. Площини {111} стають паралельними поверхням пластини, тоді, як в вихідних прутках в цьому напрямку такими кристалографічними площинами були переважно площини {200}. Для з’ясування впливу термічної обробки на структурні зміни були виконані рентгеноструктурні та електронно-мікроскопічні дослідження зразків після гартування та старіння при температурах, де спостерігаються істотні зміни демпфірувальних властивостей. На дифрактограмих зразку сплаву Г80Д16Х3Н після старіння при 575 °С протягом 2-х годин спостерігається явно виражений пік поблизу відбиття від площини (200) марганцево-мідного сплаву, що є відбиттям від площини (033) -Mn. В сплаві Г60Д37Х3 в процесі старіння підсилюються процеси мікророзшарування, і при наступному охолодженні його до кімнатної температури відбувається перетворення гранецентрованої кубічної ґратки у тетрагональну по мартенситному механізму, про що свідчить розширення відбиттів від площин типу {200} і поява незначного виступу в районі відбиття від площини (033) -Mn. Дані рентгеноструктурного аналізу добре підтверджуються результатами електронно-мікроскопічних досліджень, які наведено на рис. 1.

Вплив температури старіння на демпфірувальну здатність представлено на рис 2, а. Максимум демпфірувальної здатності сплаву Г80Д16ХЗН спостерігається після гартування з температури 850 єС, а також після старіння при температурі 415 °С ( = 30 %). У сплаві Г60Д37Х3 в кованому стану після гартування з 850 °С з витримкою 15 хвилин максимальний рівень демпфірування досягається старінням при температурі 365 °С ( =  %). Гартування з цієї ж температури з витримкою 1 годину призводить до підвищення температури старіння, після якого спостерігається максимальна демпфірувальна здатність, до 450 °С. Це пояснюється отриманням більш гомогенезованої структури при збільшені тривалості витримки, наслідком чого є підвищення температури розшарування г-розчину.

В сплаві з вмістом марганцю 80 % спостерігаються два максимуми на кривій залежності модуля пружності від температури старіння (рис. 2, б). Для сплаву з вмістом марганцю 60 % підвищення температури старіння призводить до зростання модуля пружності, який набуває свого максимального значення після старіння при температурі 575 єС.

Структурні зміни при старінні також істотно впливають на інші механічні властивості марганцево-мідних сплавів. У загартованому стані марганцево-мідні сплави характеризуються найменшою твердістю. У результаті старіння твердість збільшується з підвищенням температури і, пройшовши через максимум, знижується. Режим старіння, що відповідає досягненню максимального модуля пружності, збігається з режимом старіння отримання максимальної твердості.

Нагрівання призводить до зниження демпфірувальної здатності марганцево-мідних сплавів, що обумовлено протіканням зворотного мартенситного перетворення .

Дослідження температурної залежності модуля нормальної пружності показало, що спостерігається провал у температурному інтервалі зворотного мартенситного перетворення, який обумовлений переходом антиферомагнітної тетрагональної t-фази в парамагнітну кубічну -фазу ( рис. 3). Подібний ефект спостерігається в залізомарганцевих сплавах з вмістом марганцю від 14 до 38 %. Антиферомагнітне перетворення в залізомарганцевому аустеніті викликає аномалії модуля пружності сплавів поблизу точки Нееля і появу магнітного згасання. Аномалія модуля пружності полягає в появі Е-ефекту: лінійний ріст Е зі зниженням температури змінюється при магнітному перетворенні різким падінням. У міру зниження вмісту марганцю у сплавах Е-ефект Fe-Mn аустеніту збільшується. Наявність такого ефекту в марганцево-мідних сплавах свідчить про можливе існування в них й інших аномалій, що відносяться до зміни коефіцієнта теплового розширення та електроопору, які спостерігаються в залізомарганцевих сплавах з антиферомагнітним перетворенням. Однозначної відповіді щодо існування цих ефектів, судячи з огляду, виконаному в розд. 1, немає. Це зажадало проведення подальших досліджень зміни ряду фізичних властивостей марганцево-мідних сплавів у температурному інтервалі мартенситного перетворення.

Четвертий розділ присвячений дослідженню мартенситного перетворення в сплаві Г80Д16Х3Н, тому що літературні дані з питання об’ємних ефектів даного перетворення в марганцево-мідних сплавах виявилися неоднозначними.

Жорстко закріплені зразки сплаву Г80Д16Х3Н нагрівалися до різних температур й охолоджувалися на повітрі. При цьому швидкість охолодження в інтервалі температур перед мартенситним перетворенням (300...50 °С) залежно від температури нагрівання 185...950 °С змінювалася від 1,8 до 2,5 °С/с. Зміна тимчасових напруг при нагріванні-охолодженні представлена на рис. 4.

Охолодження після нагрівання до 430 °С чітко виділяє ефект зміни об’єму, пов’язаний із фазовим перетворенням. На кривій зміни напруг ріст розтягувальних напруг нижче 200 °С припиняється, потім вони зменшуються приблизно на 40 МПа і при охолодженні нижче 100 °С знову зростають.

Це вказує на протікання у досліджуваному сплаві мартенситного перетворення, що супроводжується збільшенням об’єму. Нове нагрівання після такої термічної обробки вже виявляє об’ємний ефект стискання в інтервалі температур 100...140 °С, де розтягувальні напруги в зразку збільшуються від 80 до 105 МПа. Такий ефект можна пояснити протіканням зворотного мартенситного перетворення. Подальше підвищення температури призводить до монотонного зниження тимчасових напруг, які при температурі 450 °С досягають границі текучості сплаву, рівної 150 МПа. При подальшому нагріванні зразка до 540 °С на кривій зміни напруг реєструється температурна залежність його границі текучості. Охолодження зразка з цієї температури внаслідок скорочення його довжини зменшує величину напруг стиску, переводить їх в область розтягувальних напруг, які після плавного росту до 200 °С починають зменшуватися за рахунок збільшення об’єму при мартенситному перетворенні. Подальше підвищення температури нагрівання до 630 °С при термоциклуванні зразка викликає лише невелику зміну температурного інтервалу мартенситних перетворень. Крім того, трохи знижується й значення границі текучості при високих температурах. Високотемпературне нагрівання до 950 °С цього ж зразку призводить до зниження границі текучості при високих температурах у порівнянні з попереднім нагріванням.

Вплив швидкості охолодження на фазові перетворення в цьому сплаві вивчали шляхом примусової зміни режиму охолодження продувкою через трубчастий зразок вуглекислого газу під тиском близько 3 надлишкових атмосфер. Зразок у жорстко закріпленому стані нагрівався до 1000 °С, охолоджувався на повітрі до 650 °С, після чого продувався під тиском СО2. Прискорене охолодження зі швидкістю 23 °С/с в інтервалі температур 300...150 °С не змінює значень границі текучості сплаву при температурах 650...200 °С, а також температурний інтервал мартенситного перетворення, але впливає на повноту цього перетворення. Збільшення швидкості охолодження зменшує кількість утвореного мартенситу.

На основі експериментальних даних проведено розрахунки і встановлено, що мартенситне перетворення в марганцево-мідному сплаві Г80Д16Х3Н супроводжується лінійним збільшенням розмірів на 0,14 %, що приблизно в п’ять разів менше, ніж при мартенситному перетворенні в низьковуглецевих сталях.

При нагріванні-охолодженні жорстко закріпленого зразка сплаву Г60Д37Х3 об’ємних ефектів, які пов’язані з мартенситним перетворенням, не виявлено. Досягнення розшарування на області збагачені і збідненні на марганець, достатні для протікання мартенситного перетворення в цьому сплаві потребує дифузії на великі відстані. Для їх утворення потрібна тривала витримка в процесі старіння.

З метою з’ясування природи зміни властивостей у марганцево-мідних сплавах були виконані дослідження температурної залежності коефіцієнта лінійного розширення і питомого електроопору. В інтервалі температур 20...105 °С коефіцієнт теплового розширення у сплаві Г80Д16Х3Н змінюється від 12,5·10–6 до 14·10–6 1/°С (рис. 5). Подальше підвищення температури приводить до різкого його зростання. При температурі 170 °С, коли майже завершується процес зворотного мартенситного перетворення, величина коефіцієнта лінійного розширення досягає 29·10–6 1/°С. Наступне підвищення температури зразку призводить до монотонного збільшення , і при температурі 400 °С величина його досягає 33·10–6 1/°С. Такий характер зміни коефіцієнта теплового розширення характерний для інварних залізонікелевих і залізомарганцевих сплавів з антиферомагнітним перетворенням. Питомий електроопір у температурному інтервалі від кімнатної до закінчення зворотного мартенситного перетворення підвищується також інтенсивніше, ніж при більш високих температурах. Практично лінійна температурна залежність спостерігається в температурних інтервалах 20...170 °С і 200...500 °С, що характеризується двома температурними коефіцієнтами зростання питомого електроопору: 0,0026 і 0,00027 1/°С. Таким чином, зворотне мартенситне перетворення супроводжується майже стрибкоподібним збільшенням коефіцієнта лінійного розширення та швидким наростанням електроопору. Коефіцієнти температурного зростання питомого електроопору до і в процесі зворотного мартенситного перетворення майже на порядок більші, ніж в області існування -твердого розчину.

Таким чином, зворотне мартенситне перетворення супроводжується майже стрибкоподібним збільшенням коефіцієнта лінійного розширення та швидким наростанням електроопору. Коефіцієнти температурного зростання питомого електроопору до і в процесі зворотного мартенситного перетворення майже на порядок більші, ніж в області існування -твердого розчину. Виходячи з цього, неповноту зворотного мартенситного перетворення можна пояснити таким чином, що пряме мартенситне перетворення, супроводжуєме збільшенням об’єму, відбувається при різкому зменшенні . Це сприяє релаксації внутрішніх пружних структурних напруг та ініціює утворення мартенситу. Зворотне ж мартенситне перетворення, що супроводжується зменшенням об’єму, відбувається при різкому зростанні . Це призводить до збільшення внутрішніх структурних напруг і зриву когерентності між фазних границь. Зазначений ефект порушує умову протікання термопружного перетворення для частки мартенситу, яка залишилася. Побічно це підтверджується і нахилом лінійних ділянок зміни тимчасових напруг у процесі нагрівання жорстко закріпленого зразка до стрибка напруг при зворотному перетворенні і після. Однак слід зазначити, що на кут нахилу лінії тимчасових напруг від температури до стрибка напруг може впливати також і можливе протікання зворотного мартенситного перетворення в цьому інтервалі температур.

Результати дослідження впливу температури на зміну швидкості нагрівання й електроопору в сплаві Г80Д16Х3Н дозволили оцінити тепловий ефект при зворотному мартенситному перетворенні, значення якого при нагріванні до температури 140 °С близько 5 Дж/см3. Загальна ж кількість поглиненого тепла в інтервалі 120...175 °С становить 12,5 Дж/см3.

У п’ятому розділі наведено результати металографічних досліджень зварних з’єднань марганцево-мідних сплавів Г60Д37Х3 і Г80Д16Х3Н між собою та з низьковуглецевою сталлю Ст3 та результати досліджень демпфірувальної здатності біметалу сталь - марганцево-мідний сплав.

Зварні з’єднання зі сплаву Г60Д37Х3 були отримані аргонодуговим зварюванням вольфрамовим електродом без присадки за режимом Ісв = 150 А, Uд = 12 В. Металографічним аналізом поперечного мікрошліфу тріщин та інших дефектів не виявлено. Метал шва має дендритну будову. Внаслідок дендритної ліквації в кристалітах спостерігаються ділянки збагачені та збіднені марганцем. В зоні термічного впливу (ЗТВ) на межі сплавлення спостерігаються ділянки підплавлення, які виникають в місцях що збагачені міддю. Твердість основного металу складає 1400 МПа. В ЗТВ твердість плавно знижується до її рівня в металі шва - 1000 МПа. Це зниження зумовлено фіксацією при охолодженні по зварювальному термічному циклу високотемпературної г-фази. Такий стан металу шва призводить до зниження демпфірувальних властивостей. Підняти рівень демпфірування представляється можливим за рахунок термічної обробки, яка складається з гартування та подальшого старіння. Зварні з’єднання гартувалися з температури 800 єС і подальше підлягали старінню при температурі 450 єС протягом двох годин. Твердість металу шва після гартування не змінюється, твердість основного металу зменшується до її рівня в металі шва. Старіння призводить до перерозподілу елементів у сплаві і утворенню тетрагональної гt-фази і можливо б-твердого розчину зі складною кубічною граткою. Твердість металу шва і ЗТВ складає 1500 МПа. Старіння безпосередньо після зварювання ще більше підвищує твердість металу шва і основного металу, яка відповідно дорівнює 1550 і 2000 МПа.

Для дослідження структурних змін при зварюванні в сплаві Г80Д16Х3Н проводили зварювання пластин сплаву після кування і гартування. Зварні з’єднання були отримані двопрохідним аргонодуговим зварюванням вольфрамовим електродом без присадки за режимом Ісв = 100 А, Uд = 10 В. Металографічним аналізом поперечного мікрошліфу тріщин та інших дефектів не виявлено. Мікроструктура основного металу є дрібнозернистою внаслідок кування з ділянками збагаченими та збідненими марганцем. Гартування з 850 °С майже не змінює мікроструктуру. Метал шву має дендритну будову з помітною неоднорідністю за хімічним складом. В металі шва першого проходу спостерігаються більш чіткі границі зерен за рахунок процесів сегрегації, які спричинені термічним циклом другого проходу. Структура ЗТВ більш крупнозерниста в порівнянні зі структурою основного металу і металу шва. Твердість основного металу складає 1650 МПа. В ЗТВ спостерігається зниження твердості до 1020 МПа з подальшим різким її підвищенням при переході в метал шва до рівня твердості основного металу. Під впливом термічного циклу зварювання виникає знеміцнення ЗТВ, що аналогічно гартуванню, але с більш високої температури.

Використання марганцево-мідних сплавів в якості вібродемпфірувальних елементів різних конструкцій ставить задачу отримання зварних з’єднань цих сплавів зі сталями. Основними труднощами, які виникають при зварюванні різнорідних металів, є різниця в структурі, коефіцієнтах лінійного розширення, тепло - і електропровідності. Найбільш важливий вплив на зварюваність різнорідних матеріалів оказує взаємна розчинність металів, як в рідкому так і в твердому станах, а також можливість виникнення крихких інтерметалічних сполук. Якісну оцінку зварюваності марганцево-мідних сплавів зі сталлю було проаналізовано за діаграмами стану систем Fe-Mn і Fe-Cu.

Для дослідження структурних змін при зварюванні сплавів Г60Д37Х3 і Г80Д16Х3Н зі сталлю Ст3 проводилось аргонодугове зварювання без присадки за вищеприведеним режимом при зварюванні сплаву Г80Д16Х3Н. При металографічному аналізі тріщин та інших дефектів не виявлено. Для зварного з’єднання сплаву Г60Д37Х3 зі сталлю досліджено вплив термічної обробки на структуру і твердість металу шва та ЗТВ, яка складалась з гартування після зварювання, старіння після зварювання, а також гартування після зварювання з подальшим старінням.

Для дослідження демпфірувальної здатності біметалу був обраний сплав з вмістом марганцю 80 %, що зазнає при гартуванні термопружне мартенситне перетворення і має більш високий рівень демпфірування, який спостерігається як після гартування, так і після старіння. При температурах нижче температур зворотного мартенситного перетворення він має практично однаковий коефіцієнт лінійного розширення зі сталлю.

Біметалічна пластина була виготовлена контактним зварюванням з перекриттям точок по всієї поверхні. Досліджено вплив температури нагрівання на демпфірувальну здатність зразків біметалу в стані після гартування з 900 °С (рис. 6). Залежність демпфірувальної здатності біметалічної пластини аналогічна зміненню демпфірувальних властивостей марганцево-мідних сплавів. Було встановлено, що модуль пружності при нагріванні біметалічної пластини плавно зростає з 1,13·105 МПа при температурі 20 °С до максимального значення 1,39·105 МПа при температурі близько 170 °С, після чого знов зменшується. При нагріванні пластини спостерігався прогин в сторону сталі, що пояснюється різницею коефіцієнтів лінійного розширення сталі та марганцево-мідного сплаву (рис. 7). Встановлено, що при підвищені температури від 20 до 140 °С величина прогину незначна і складає 0,8 мм. Це пояснюється тим, що до температури початку зворотного мартенситного перетворення розширення марганцево-мідного сплаву і сталі приблизно однакові. Подальше нагрівання, внаслідок різкого зростання коефіцієнта лінійного розширення марганцево-мідного сплаву при незначній його зміні для сталі, призводить до збільшення швидкості прогину біметалічної пластини. Це також є побічним підтвердженням різкого зростання коефіцієнта лінійного розширення сплаву Г80Д16Х3Н після завершення фазового перетворення.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На основі проведеного огляду та аналізу літератури показано, що властивості марганцево-мідних сплавів вивчено недостатньо, внаслідок чого є дуже обмеженим їх застосування в якості конструкційних матеріалів для різних галузей промисловості.

2. Досліджено вплив термічної обробки на демпфірувальну здатність, модуль пружності й твердість марганцево-мідних сплавів. Встановлено режими термічної обробки, які дозволяють отримати максимальний рівень демпфірування. Для сплаву з вмістом марганцю 60 % встановлено, що збільшення часу витримки при температурі гартування призводить до підвищення температури старіння, після якого демпфірувальна здатність максимальна. Показано, що нагрівання призводить до зниження демпфірувальної здатності. Виявлено аномальну поведінку модуля нормальної пружності при нагріванні, що характерно для сплавів з антиферомагнітним перетворенням, яка проявляється в різкому падінні модуля пружності в інтервалі температур зворотного мартенситного перетворення.

3. Встановлено вплив температури нагрівання зі швидкістю 65 С/с і охолодження на повітрі зі швидкістю приблизно 2 С/с на величину об’ємних змін при прямому і зворотному термопружному мартенситному перетворенні в марганцево-мідному сплаві з вмістом марганцю 80 %. Пряме перетворення супроводжується збільшенням лінійних розмірів сплаву на 0,14 %, що приблизно в п’ять разів менше, ніж збільшення розмірів при мартенситному перетворенні в сталях. Встановлено, що зворотне мартенситне перетворення відбувається неповністю. Збільшення на порядок швидкості охолодження не впливає на температурний інтервал мартенситного перетворення, але зменшує кількість утвореного мартенситу.

4. Встановлено, що при нагріванні в інтервалі температур зворотного мартенситного перетворення у сплаві з вмістом марганцю 80 % відбувається майже стрибкоподібна зміна коефіцієнта лінійного розширення від 14·10–6 до 29·10–6 1/°С, що дозволяє встановити причину неповної зворотності мартенситного перетворення: утворення г-фази з більшим значенням коефіцієнта лінійного розширення в процесі нагрівання при зворотному мартенситному перетворені призводить до зриву когерентності міжфазних границь, а отож до припинення перетворення. При прямому перетворені ефект прямо протилежний. Характер зміни питомого електроопору і його температурного коефіцієнта являється таким же, як і в інших сплавах з антиферомагнітним перетворенням.

5. Встановлено, що сплави Г80Д16Х3Н і Г60Д37Х3 мають задовільну зварюваність при їх аргонодуговому зварюванні, а також задовільну зварюваність з низьковуглецевими сталями.

6. Показано доцільність промислового використання біметалічних зварних з’єднань високомарганцевих марганцево-мідних сплавів з низьковуглецевими сталями. Біметал сталь Ст.3–Г80Д16Х3Н є хорошим вібропоглинальним конструкційним матеріалом і має достатню стабільність розмірів при нагріванні до температури зворотного мартенситного перетворення 140 °С.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО У РОБОТАХ:

1.

(Здобувачем проведено металографічні дослідження зварних з’єднань марганцево-мідного сплаву з вмістом марганцю 60 %.)

2.

(Здобувачем розроблено установку для дослідження демпфірувальної здатності металів.)

3.

4. Лебедева Н.Ю. Исследование свариваемости высокодемпфирующего марганцево-медного сплава Г80Д15Х3Н2 // Зб. наук. пр. УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2002. – № (382). – С. 72-77.

5. Лебедева Н.Ю. Исследование особенностей мартенситного превращения в марганцево-медных сплавах // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2003. - № 4 (390) - С. 34 - 43.

6. Шведов Л.И., Лебедева Н.Ю. Исследование физических свойств марганцево-медного сплава Г80Д16Х3Н при нагреве в вакууме // Технология судостроения и сварочного производства: Сб. науч. тр. – Николаев: УГМТУ, 1996. – С. 49 - 52.

(Здобувачем отримано експериментальні данні і встановлено закономірності температурної зміни коефіцієнту лінійного розширення.)

7. Шведов Л.И., Лебедева Н.Ю. Демпфирующий композит сталь-марганец-медь и особенности его сварки // V Научно-техническая конференция "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий". Тезисы докладов. – Запорожье, 1992. – С. 98.

8. Лебедева Н.Ю. Демпфирующие свойства марганцево-медных сплавов // VIII Международная научно-техническая конференция "Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий". Тезисы докладов. – Запорожье, 2000. – С. 109-112.

9. Лебедева Н.Ю. Высокодемпфирующие марганцево-медные сплавы // Міжнародна конференція "Кораблебудування: освіта, наука, виробництво". Матеріали конференції. Том 2. – Миколаїв, 2002. – С. 113.

10. Лебедева Н.Ю. Сварка высокодемпфирующего марганцево-медного сплава с 80% марганца // Современные сварочные и родственные технологии и их роль в развитии производства. Материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых научных работников. – Николаев: УГМТУ, 2003. – С. 18-19.

11. Лебедева Н.Ю. Исследование особенностей мартенситного превращения в марганцево-медных сплавах // Нові конструкційні сталі та сплави і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Зб. наук. пр. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2003. – С. 150-152.

АНОТАЦІЯ

Лебедєва Н.Ю. Вплив термічної обробки на фізико-механічні властивості високодемпфірувальних марганцево-мідних сплавів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 - „ Металознавство та термічна обробка металів”. - Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню демпфірувальних і деяких фізико-механічних властивостей сплавів на марганцево-мідній основі. У роботі показано вплив термічної обробки та нагрівання на демпфірувальну здатність, модуль пружності й твердість досліджуваних сплавів. Досліджено особливості протікання зворотного мартенситного перетворення в марганцево-мідному сплаві з 80 % марганцю. Встановлено, що пряме перетворення супроводжується збільшенням об’єму сплаву на 0,14 %, а зворотне перетворення відбувається у неповному обсязі. Виявлено ефект інварності, що дозволяє пояснити неповноту зворотного мартенситного перетворення. Показано можливість отримання якісних зварних з’єднань марганцево-мідних сплавів як між собою, так і з низьковуглецевими сталями. Доведена доцільність використання біметалічних зварних з’єднань високомарганцевих марганцево-мідних сплавів з низьковуглецевими сталями як матеріал вібропоглинальних конструкцій.

Ключові слова: марганцево-мідний сплав, демпфірувальна здатність, термічна обробка, структура, мартенситне перетворення, тимчасові напруги.

АННОТАЦИЯ

Лебедева Н.Ю. Влияние термической обработки на физико-механические свойства высокодемпфирующих марганцево-медных сплавов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - „Металловедение и термическая обработка”. - Запорожский национальный технический университет, Запорожье, 2005.

Диссертация посвящена исследованию структуры, физико-механических свойств и особенностей протекания мартенситного превращения в сплавах на марганцево-медной основе. Показано влияние термической обработки на структуру, демпфирующую способность, модуль упругости и твердость исследуемых сплавов. Определены режимы термической обработки, позволяющие получить максимальный уровень демпфирования и удовлетворительные показатели механических свойств. Установлено, что нагрев приводит к снижению демпфирующей способности. Обнаружено аномальное поведение модуля нормальной упругости при нагреве, которое заключается в резком падении его значений в интервале температур обратного мартенситного превращения.

Проведены исследования изменения временных напряжений при нагреве-охлаждении жестко закрепленных образцов, которые позволили установить особенности протекания обратимого мартенситного превращения в марганцево-медном сплаве содержанием марганца 80 %. Установлено, что прямое превращение сопровождается увеличением объема сплава на 0,14 %, а обратное превращение происходит в неполном объеме. Увеличение на порядок скорости охлаждения после высокотемпературного нагрева, по сравнению с охлаждением на воздухе, оказывает влияние на полноту прямого мартенситного превращения, несколько снижая долю образуемого мартенсита.

Исследованиями температурной зависимости коэффициента линейного расширения установлено, что в интервале температур обратного мартенситного превращения происходит его скачкообразное увеличение от 1410 до 2910 1/ С. Это позволило объяснить неполноту обратного мартенситного превращения: образование -фазы с большим значением коэффициента линейного расширения в процессе нагрева при обратном превращении мартенсита приводит к срыву когерентности межфазных границ и возможности обратимости мартенситного превращения. При прямом превращении эффект прямо противоположный.