Механические свойства сплава TiNi полученного интенсивной пластической деформацией и последующей термоциклической обработкой

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Формирование условий (1) — (11) является первым этапом построения (а)р -модели комплекса. На втором
этапе переходят к «интегральным» ограничениям [9]. Интегральное ограничение данного вида образуется путем суммирования ограничений этого вида по всем р -вариантам.
При этом суммирование выполняется над теми из ограничений, которые лимитируют потребление сырьевых и управляющих потоков (фигурирующих в опущенных ограничениях (а)р -модели), выпуск товарных продуктов у, и ресурсы времени:
1к) р=Ц (уГ)р *ЕИр = Л& quot-:
р р у р
И (~:)р & lt-ЕЙт)р = Л-
)р V! р
р
XX
ад
& lt- Т-г
где & quot- = 1, • ••, & quot-у-
9 = 1 •••,
г — число дискретных интервалов, используемых
для ремонта подсистемы.
(а)р -модель определяет задачу нахождения оптимального набора режимов подсистем при критерии, который определяется следующим выражением:
ЕЕя
р V
(cv, (Уу)р, (ху)р) =
тах
На рис. 1 показано преобразование технологической схемы производства в схему объекта моделирования. В ходе преобразования на схеме отражают все варианты работы подсистем. В исходной схеме (рис. 1) подсистема 2 имеет два варианта работы, а остальные подсистемы — по одному варианту работы. При этом подсистемы 1 и 3 приобретают собственные варианты работы — те режимы, в которых они будут работать совместно с каждым из вариантов подсистемы 2.
Схема объекта моделирования показана на рис. 2, где индексами, а и Ь обозначены разные варианты.
р у
р т
Рис. 1. Технологическая схема производства
(*,)а & amp-)а (х2з)а (у)а
(1)а -> (2)а -> (3)а
-> -*
(х22)а к (х2з)а
(Х32)а У
(х1)ь --> (х1)Ь (Х23)Ь
(1)ь -> (2)ь -> (3)ь
-> (х122)Ь к -> (х23)Ь (у)ь
(Х32)ь
Рис. 2. Схема объекта моделирования
(а)р -модель для изображенной на рис. 1 схемы объекта имеет вид:
(41 =(«112)» (Х)а ,
(41 =(1 — («пХ,)(*! 1 ,
(4)» = («2з1 [(х112)» +(4)" +(Х32)"] ,
(4)" = (1 — («23)а) [(х112)» + (4)"] ,
= (1 — («У)а М, +(4)а ] ,
(У)а = («У 1 [(41 +(4)» ] ,
(Х 1) а)а ,
(У), У) а *(У)а ,
(«Д ^ («*)а ^ («».
Вариант Ь аналогичен по структуре предыдущему.
Общие ограничения:
(х1)а + (Х)Ь = ~1 = А ,
(У)а +(У)Ь = У ^ В ,
(Х1)а + (х1)Ь -(У)а -(У)Ь = 0-
Если в качестве критерия было принято требование нахождения максимума целевой функции, то применительно к схеме на рис. 2 критерий оптимальности имеет вид: (У) а + (у)ь = тах ¦
Оценка числа вариантов Р комплекса дается формулой:
т
Р = ^ р ¦ (12)
При значении числа вариантов работы подсистемы р = р, где V = 1, …, т, получается соотношение
Р = рт [10]. Следует заметить, что выражение (12) дает верхнюю оценку, полученную из предположения о том, что в каждом варианте комплекса может быть любое из ру состояний V -той подсистемы. Превышение
оценкой (12) реального числа возможных вариантов весьма значительно. Так, если подсистема первичной перегонки нефтезавода работает в трех вариантах и следующая за ней подсистема термокрекинга имеет также три варианта, то каждому из состояний первой подсистемы может соответствовать лишь одно состояние крекинга, и в результате комплекс имеет не девять состояний, а три [11].
Обоснование реальных состояний, учитывающее технологические связи между подсистемами, выполняется в каждом конкретном случае на основании технического анализа объекта. Формула для определения числа вариантов комплекса сохраняет вид (12). При подсчете величины р учитывают лишь те состояния подсистемы, которые совместимы с состояниями связанных с нею подсистем [12, 13].
В качестве вывода следует отметить, что вследствие изменения характеристик сырья и требований товарного плана возникает необходимость у производственного комплекса с непрерывной технологией перехода от одного варианта работы к другому. Таким образом,
для решения задачи статической оптимизации моделирование комплекса ограничений происходит в два этапа. Для начала рассматривается вариант конкретной подсистемы, а также связи между подсистемами и критерий комплекса. Затем учитываются суммарные ограничения каждого вида по всем вариантам. Оценка числа вариантов работы комплекса общими статистическими методами значительно превышает реальное число возможных вариантов. Таким образом, подобная оценка выполняется в каждом конкретном случае на основании технического анализа объекта.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крянев А. В., Лукин Г. В. Метрический анализ и обработка данных. — М.: Наука, Физматлит, 2010 -279 с.
2. Пиявский С. А. Математическое моделирование при оптимизации сложных систем [Текст]: монография / С.А. Пиявский- Самарский государственный архитектурно-строительный ун-т. — Самара, 2008. — 180 с.
3. Сметанин Д. С. Оптимизация работы систем химико-технологического мониторгинга с помощью технологических алгоритмов / Д.С. Сметанин// Теплоэнергетика. — 2007, № 7. — С. 20−24.
4. Григорьев С. Н. Научно-технические проблемы построения современных технологических систем с числовым программным управлением. [Текст] / С. Н. Григорьев // Мехатроника, автоматизация, управление. 2011, № 4. С. 19−26.
5. Чеканин В. А. Оптимизация решения задачи ортогональной упаковки объектов. [Текст] / В. А. Чеканин, А. В. Чеканин // Прикладная информатика. 2012, № 4. С. 55−62.
6. Мартинов Г. М. Развитие систем управления технологическими объектами и процессами. [Текст] / Г. М. Мартинов // Вестник МГТУ «Станкин». 2008, № 1. С. 74−79.
7. Митрофанов В. Г. Архитектура автоматизированных интегрированных производственных систем. [Текст] /
A.В. Голубева, И. С. Гришин, В. Г. Митрофанов // Вестник МГТУ «Станкин». 2008, № 2. С. 82−86.
8. Митрофанов В. Г. Интегрированные производственные системы. [Текст] / В. Г. Митрофанов // Вестник МГТУ «Станкин». 2008, N1. С. 65−67.
9. Айсагалиев С. А. Об оптимизации управления линейными системами с линейными критериями качества и ограничениями. // Дифференциальные уравнения — 2012. — Т. 48, № 6 — С. 826−838.
10. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика. — М.: Высшая школа, 2003. — 479 с.
11. Мухленов И. П., Авербух А. Я., Тумаркина Е. С., Фурмер И. Э. Ч. 1: Теоретические основы химической технологии. — М.: Альянс, 2009 — 254 с.
12. Митрофанов В. Г. Моделирование задачи проектирования комплекса технических средств АСУ. [Текст] / В. Г. Митрофанов, А. П. Попов // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2009, № 2 (24). С. 172−176.
13. Митрофанов В. Г. Выбор типа модели производственных систем. [Текст] / А. Н. Феофанов,
B.Г. Митрофанов, А. В. Капитанов. // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2011, № 4. С. 96−98.
MODEL FOR OPTIMIZATION DIALING TECHNOLOGICAL OPTIONS OF PRODUCTION COMPLEX WITH A CONTINUOUS PROCESS
© 2013
E.A. Chekanina, graduate student of the chair «Automated systems for information processing and management» Moscow State Technological University «STANKIN», Moscow (Russia)
Keywords: production flows- relative yields- technological scheme- object modeling- chemical engineering complex- linear programming- complex systems- management- Dantzig-Wolfe decomposition method.
Annotation: The article presents the transformation of technological process in the scheme of the object model of the production complex with continuous technology for all cases the subsystems. Are also given data on the evaluation of the options of the complex.
УДК 669. 018. 8
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВА TiNi, ПОЛУЧЕННОГО ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
© 2013
А. А. Чуракова, аспирант, инженер Д. В. Гундеров, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Институт физики молекул и кристаллов Российской академии наук, Уфа (Россия), Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа (Россия)
Ключевые слова: термоциклическая обработка- никелид титана- дифференциальная сканирующая калориметрия.
Аннотация: Проведено термоциклирование образцов из никелида титана в исходном крупнозернистом (КЗ) состоянии, в ультрамелкозернистом (УМЗ) состоянии, полученном методом равноканального углового прессования (РКУП), и после сложной деформационной обработки (РКУП и холодная осадка), через интервалы мартен-ситных превращений. Определены температуры мартенситных превращений в сплаве TiNi в исходном состоянии (КЗ, УМЗ) и после последующей термоциклической обработки (ТЦО). Обнаружен эффект более интенсивного относительного повышения микротвердости и прочности TiNi после ТЦО.
ВВЕДЕНИЕ
Сплавы на основе никелида титана (TiNi) относятся к классу функциональных материалов с эффектами памяти формы (ЭПФ), обусловленными термоупругими мартенситными превращениями [1−4]. Эти сплавы широко используются в качестве конструкционных функциональных материалов в технике и медицине. Перспективным направлением повышения служебных свойств различных металлов и сплавов является создание в них нанокристаллического (НК) состояния методами интенсивной пластической деформации (ИПД) [5, 6]. Методами ИПД возможно получение монолитных образцов TiNi в ультрамелкозернистом (УМЗ), НК и аморфизиро-ванном состоянии. Наиболее популярны два метода ИПД. Это интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК) и равноканальное угловое прессование (РКУП). В отличие от большинства других известных материалов с мартенситными превращениями (стали и т. д.), температуры мартенситных превращений в TiNi близки к комнатным, поэтому термоциклирование не приводит к релаксации предварительно сформированных в них НК и УМЗ структур [7, 8]. В литературе представлено ограниченное число исследований по влиянию термоцик-лирования на УМЗ и НК сплавы TiNi [9], а влияние термоциклирования на их механические свойства подробно не исследовано.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили на образцах сплава Ti49,3Ni507 (at. %), российского производства (ЗАО «Промышленный центр МАТЭКС», г. Москва), подвергнутые гомогенизирующей закалке от 800 °C в воде. При комнатной температуре сплав находится в аустенитном состоянии, со структурой B2 (типа CzCl).
Калориметрическое тестирование материала осуществлялось на дифференциальном калориметре Diamond Pyris (Perkin Elmer). Для анализа температур мартен-ситных превращений дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) проводилась на образцах диаметром 4,5 мм, толщиной 0,5 мм в интервале температур от -150 °С до 150 °C. Скорость нагрева и охлаждения со-
ставляла 20 °С/мин. Характеристические температуры мартенситных превращений для данного сплава в состоянии после закалки составляют Ms=-32 °С, Mf=-62 °С, Д,=-29 °С, Af=-5 °С.
Закаленные образцы цилиндрической формы исследуемого сплава размерами 20×110 мм были подвергнуты 8 циклам РКУП на оснастке с углом пересечения каналов 120 ° при температуре 450 °C [6]. После РКУП была проведена дополнительная деформационная обработка — холодная осадка на 30%.
Термоциклическая обработка образцов в различных исходных состояниях осуществлялась путем охлаждения до температуры жидкого азота (-196 °С) и нагрева до 150 °C, что заведомо ниже и выше температур Mк прямого и Aк обратного мартенситного превращений. Число термоциклов «нагрев — охлаждение» составило 20. Время выдержки при температуре нагрева и охлаждения равнялось 3 мин.
Тонкую структуру материала наблюдали в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) JEM-2100 при ускоряющем напряжении 160 и 200 кВ. Фольги для электронно-микроскопических исследований были получены на установке двусторонней электрополировки «ТепиРо1−5» по стандартной методике с помощью электролита 10%НСЮ4 + 90%СН3(СН2)30Н (90% бу-танола). Напряжение составляло 50 В.
Механические испытания на растяжение проводились на разрывной машине конструкции ИФПМ УГА-ТУ, оснащенной измерительно-силовым устройством при точности регистрации усилия 5%. Испытания проводились при комнатной температуре на плоских образцах с рабочей базой 1×0,25×3 мм, со скоростью растяжения 1×10−3с-1. Образцы для испытаний вырезали из заготовок электроискровой резкой.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В исходном КЗ состоянии сплав имеет
при комнатной температуре аустенитную структуру с размером зерна около 45±5 мкм согласно анализу оптической металлографии (рис. 1, а). Оптическая металлография (ОМ) не позволяет прецизионно оценить изменения в структуре после термоцикли-рования (ТЦ) (рис. 1, б). По данным ПЭМ в КЗ состоянии наблюдаются границы зерен, свободные
от дислокаций (рис. 1, в). После термоциклирования не происходит значительных изменений в структуре, однако вблизи границ зерен заметно скопление дислокаций, образовавшихся в процессе фазового наклепа (рис. 1, г).
После РКУП в сплаве ИМ формируется УМЗ структура с размером зерен около 200 нм (рис. 1, д). В результате термоциклирования появляется сложный дифракционный контраст, свидетельствующий об увеличении плотности дислокаций. На границах зерен на-
блюдаются контуры экстинции, что косвенно говорит об увеличении плотности дислокаций в границах зерен (рис. 1, е).
РКУП и последующая деформация холодной осадкой приводит к формированию полос деформации, с размером структурных элементов в поперечном сечении 50 нм (рис. 1, ж). Термоциклическая обработка не приводит к значительным изменениям характера структуры, но в отдельных областях заметно увеличение плотности дислокаций (рис. 1, з).
в) г)
ж) з)
Рис. 1. Структура сплава Т149з3Ы1507: а — КЗ, б — КЗ+ТЦ (ОМ), в — КЗ, г — КЗ+ТЦ (ПЭМ), д — РКУП, е — РКУП+ТЦ, ж — РКУП + холодная осадка, з — РКУП + холодная осадка и ТЦ
Таблица 1. Характеристические температурымартенситных превращений
состояние Температура, °C
Мн Мк Ан Ак
закалка (КЗ) -32 -62 -29 -5
закалка (КЗ) + ТЦ -6 -41 -39 -2
РКУП (УМЗ) -23 -47 -11 3
РКУП (УМЗ) + ТЦ 27 -12 -3 32
РКУП + осадка — - - -
РКУП + осадка + ТЦ — - - -
Результаты исследования температур мартенситных превращений, полученных с помощью ДСК, представлены в таблице 1.
Анализ калориметрических данных позволяет сделать вывод о том, что термоциклирование приводит к повышению температур мартенситных превращений в КЗ и УМЗ состояниях- наиболее значительным является повышение температур Mн, Mк в УМЗ состоянии. Заметно повышение температуры Ак, с отрицательных в КЗ и КЗ + ТЦ до положительных в УМЗ и УМЗ + ТЦ. Увеличение температур мартенситных превращений П№ в результате ТЦ — необычное явление, и требует дополнительного исследования и анализа в дальнейшем. В состоянии РКУП + осадка и РКУП + осадка + ТЦ температуры мартенситных превращений методом ДСК определить не удалось. Можно было бы предположить, что в сильно деформированном состоянии РКУП + осадка мартенситные превращения заблокированы. Однако, поскольку ТЦ приводит к росту микротвердости и в этом состоянии, следовательно, в нем также происходят мартенситные превращения, однако, вероятно, в разных областях образца они происходят при разных температурах (имеется спектр температур превращении), в результате отдельные пики превращений при ДСК не определяются.
Микротвердость сплава П49 3№ 507 во всех исследуемых состояниях в результате термоциклирования заметно повышается по сравнению с исходным состоянием. Прирост микротвердости при термоциклировании сложно деформированного состояния несколько выше, чем в УМЗ и КЗ состояниях (таблица 2, рис. 2).
Результаты механических испытаний на растяжение представлены на рис. 3 в виде условных кривых «напряжение-деформация».
В крупнозернистом состоянии предел прочности оВ сплава П49 3№ 507 составляет 820 МПа и при термоцик-
лировании увеличивается за счет фазового наклепа до 900 МПа. На графиках отмечается типичное для КЗ состояния деформационно-индуцированное мартенсит-ное превращение в виде площадки фазовой псевдотекучести. Пластичность в результате термоциклирования уменьшилась с 36 до 31%.
stale
Рис. 2. Графики микротвердости в различных состоя-ни ян: 1 — КЗ, 2 — УМЗ, 3 — РКУП + холодная осадка
Для УМЗ состояния характерны более высокие значения прочности и аналогичные предела фазовой текучести (соответственно 1310 и 450 МПа). Термоцикли-рование незначительно увеличивает прочность УМЗ состояния. В состоянии после РКУП и осадки предел прочности составил 1750 МПа, термоциклированием было достигнуто значение предела прочности в 1910 МПа, с пластичностью в 26%. Стоит отметить, что характер кривых для сложно деформированного состояния отличается от КЗ и УМЗ. На кривых отсутствует площадка фазовой псевдотекучести, что свидетельствует о блокировке деформационно-индуцирован-ного мартенситного превращения.
Полученные результаты (микротвердость, механические испытания на растяжение) позволяют сделать вывод о том, что термоциклирование положительно влияет на механические свойства сплава Ti49,3Ni50,7. Наблюдается повышение предела прочности с сохранением высоких показателей относительного удлинения в различных состояниях.
Таблица 2. Данные микротвердос ти сплава Tl^^ jNljp, —
Состояние Исходное ТЦ
закалка (КЗ) 2695±70 2905±70
РКУП (УМЗ) 3550±90 3790±80
РКУП + осадка 4860±120 5400±150
Рис. 3. Условные кривые «напряжение-деформация» сплава, а — КЗ: 1 — исходное, 2 — исходное + ТЦ- б — УМЗ: 1 — исходное, 2 — исходное + ТЦ- в — РКУП + холодная осадка: 1 — исходное, 2 — исходное + ТЦ
ВЫВОДЫ
1. В сплаве П49 3№ 507 РКУП, РКУП и холодная осадка и последующее термоциклирование позволяют повысить прочность материала за счет накопления дефектов в процессе многократных мартенситных превращений. Данные измерения микротвердости и результаты исследования структуры коррелируют с результатами механических испытаний.
2. Термоциклирование приводит к повышению температур мартенситных превращений.
Работа выполнена в рамках государственного контракта № 11. 519. 11. 3016 Федеральной целевой программы и государственного контракта РФФИ № 12−02−31 367.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хачин, В.Н., Пушин, В.Г., Кондратьев, В. В. Никелид титана, структура и свойства. М.: Наука, 1992. 161 с.
2. Журавлев, В. Н. Сплавы с термомеханической памятью и их применение в медицине / В. Н. Журавлев, В. Г. Пушин. — Екатеринбург: УрО РАН, 2000. 151с.
3. Pushin, V.G. et al. // Ultrafine grained materials III, TMS, Charlotte: NC, USA. 2004, pp. 481−486.
4. Гюнтер В. Э. и др. Медицинские материалы и им-плантаты с памятью формы. Томск, Издательство Томского Университета 1998 г. 486 с.
5. Valiev, R.Z. // Progr. Mater. Sci. 45 (2000). P. 103−189.
6. Валиев, Р.З., Александров, И. В. Объемные наност-руктурные металлические материалы: получение, структура и свойства, М.: Академкнига, 2007, 398 с.
7. Valiev, R.Z. // J. Metastable and nanostructured mater. 2005. V. 24−25. P. 7−12.
8. Gunderov, D.V., Churakova, A.A. // Book of abstract Congress on nanotechnologies / BNM& amp-ATBNM, 2011, p. 182−183.
9. Бабичева, Р.И., Мулюков, Х.Я. // Письма о материалах, 2011, Т. 1. С. 156−161.
THE MECHANICAL PROPERTIES OF ALLOY TiNi OBTAINED BY SEVERE PLASTIC DEFORMATION
AND SUBSEQUENT THERMALCYCLE TREATMENT
© 2013
A.A. Churakova, postgraduate student, engineer D. V. Gunderov, doctor of physical and mathematical sciences, senior researcher Institute of Molecule and Crystal Physics Ufa Research Center of Russian Academy of Sciences, Ufa (Russia)
Ufa State Aviation Technical University, Ufa (Russia)
Keywords: thermocyclic treatment- TiNi- differential scanning calorimetry.
Annotation: The thermocycling of samples of nickel-titanium in the initial coarse-grained (CG) state and in the ultrafine (UFG) state, obtained by equal channel angular pressing, and after a complicated deformation treatment, through intervals of martensitic transformations was conducted. Identified the temperatures of martensitic transformations in TiNi alloy in the initial state (CG, UFG) and after subsequent TCT. The effect of a more intense relative increase of microhardness and strength UFG TiNi after thermocycling treatment was found out, and showed an increased dislocation density in UFG TiNi after TCT.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой