Нанотехнологии и тайны булата

Опубликовано Май 24, 2012 | Опубликовал admin

Нанотехнологии и тайны булата

Важник Л.Н., к.т.н.

Приблизиться к разгадке тайны булата позволяет подход, основанный на использовании новых научных направлений — нанотехнологий, рассматривая явления на уровне приграничных нанообъемов зерен.

Используя теоретические аспекты и природу формирования уникальных эксплуатационных свойств булатной стали, такой подход обеспечил возможность применения методов управления свойствами приграничных нанооъемов зерен конструкционных материалов.

Высокие эксплуатационные качества обеспечивают материалы, обладающие наряду с высокой прочностью также и высокой вязкостью. Получение высокопрочных и вязких сталей позволяют современные методы легирования. Наряду с этим, все большее распространение получают принципиально новые конструкционные материалы – композиты. Согласно профессору Ю.Г.Гуревичу, характерным для композиционного материала является гашение мягкой матрицей трещины, возникающей при разрушении прочного волокна. В этом отношении следует вспомнить такие материалы, как композиты, состоящие из высокоуглеродистых железных волокон в низкоуглеродистой железной матрице эвтектоидного или близкого к нему состава, или композиты типа Индийского вутца, Дамасской стали и Русского булата.

Объяснение природы уникальных свойств булата сегодня основывается на существовании на границе «волокно-матрица промежуточного слоя», с химическим составом, отличающимся от химического состава «волокна-матрицы» и обладающего особыми механическими свойствами. Кроме того, промежуточный слой может выполнять специальные функции, и в процессе эксплуатации и в процессе термомеханической и термической обработок булата. Если учитывать указанное, то даже к «композитам» булат можно отнести лишь условно, так как последний оказывается не просто структурой, состоящей из высокоуглеродистых волокон железа в менее углеродистой матрице, а принципиально новым материалом. Свойства такого материала формируются не только свойствами твердых и вязких составляющих, но и комбинацией их, формирующейся в процессе обработки. До сегодняшнего дня реализовать весь комплекс свойств булатной стали так и не удалось. Разгадать секреты производства булатной стали и природу ее уникальных свойств пытались, и попытки продолжаются до сих пор во всем мире.

Сегодня доказано, что приграничные нанообъемы зерен стали в значительной мере определяют сопротивление материала пластической деформации, которое часто именуется прочностью. При этом предполагается наличие в приграничном слое источника дислокаций, действующего с момента их зарождения до разрушения материала. Место расположения этого источника его физическая сущность являются основными вопросами в понимании природы и механизма зарождения и развития пластической деформации, а также последующего разрушения [1]. В известных работах [2] наибольшие искажения и наибольшая плотность дислокаций подразумеваются на самой граничной поверхности в центре переходной зоны сопрягаемых зерен. Такой подход не позволил решить ряд прикладных вопросов повышения служебных свойств массовых конструкционных сталей. Смещение же акцентов на формирование ряда важных свойств стали в приграничных нанообъемах зерен представляется более логичным и перспективным. В этом случае можно рассматривать дислокации не как случайные единичные явления, а как проявление процессов, формирующих локальные приграничные структуры зерен материала, соответствующие химическому составу и режиму термообработки. Узлы сопряжения структур, имеющих различные параметры кристаллических решеток, можно рассматривать, как постоянно действующие источники концентрации напряжений и дислокаций у границ зерен. Местное напряженное состояние у границ зерен, сформированное в соответствии с предлагаемой физической моделью, адекватно напряженным состояниям металла в местах возникающих фаз, имеющих отличающееся кристаллическое строение от основного металла и являющихся источниками разрушения [3]. С этой точки зрения решающим может быть существование аустенита на границах зерен феррито-перлитных сталей. Обычно это связывается с повышенным содержанием углерода на границах зерен.

Основой методов управления свойствами приграничных нанообьемов зерен является разработанная и экспериментально подтвержденная докт.техн.наук, профессором Моисеенко В.И. новая гипотеза макролокализации пластической деформации (МЛПД), базирующаяся на впервые обнаруженном и изученном явлении формирования химической, структурной и механической неоднородностей приграничных нанообъемов зерен стали с приоритетным влиянием на концентрацию и зернограничные взаимодействия легирующих и примесных элементов меди.

Управление свойствами приграничных нанообъемов зерен конструкционных материалов возможно несколькими путями:

*формированием объемных наноструктур за счет оптимизации химического состава материала и в процессе кристаллизации при изготовлении заготовок, регулируя скорость кристаллизации и диспергируя структуру металла;

*в результате направленного термического воздействия (термообработки) для создания в объеме стали (сплава) наноструктурных образований (выделений);

*фрагментацией структуры методами интенсивной пластической деформации.

В нашем случае практическое осуществление получил путь формирования определенных объемных наноструктур на стадии кристаллизации, регулируя скорость кристаллизации и диспергируя структуру металла, что в промышленных условиях можно достичь, используя электрошлаковое литье (ЭШЛ) или специальные макрохолодильники, одновременно позволяющие получить необходимую плотность металла без его горячей деформации [4]. При получении крупногабаритных отливок сложной формы методами обычного литья диспергирование структуры, химическую и структурную однородность при кристаллизации целесообразно повышать за счет легирования элементами, являющимися центрами кристаллизации: ванадием, молибденом и их соединениями с азотом и углеродом [5]. Вышеназванные новые подходы к управлению внутренней концентрацией напряжений и устранению локализации пластической деформации в локальных нанообъемах под нагрузкой использованы для повышения равнопрочности деталей наравне с конструкторскими и технологическими методами снижения концентрации напряжений в деталях. Путем управления зернограничной концентрацией в нанооъемах зерен и взаимодействием элементов, в первую очередь — медью и углеродом, на стадиях кристаллизации металла и цементации деталей впервые в мире осуществлено решение проблемы резкого увеличения пробега карьерных самосвалов при ограничении габаритов и веса зубчатых передач.

В качестве базового металла использовался металл электрошлакового литья (ЭШЛ), как химически однородный и технологически доступный для малосерийного автомобилестроительного производства. Исследования структуры, надежности и долговечности зубчатых колес, изготовленных из литой недеформированной заготовки ЭШЛ, показали, что при мелкодисперсной структуре литой заготовки механическая и структурная однородность цементированного слоя в зубчатых колесах, а также их долговечность выше, чем в таких же колесах из проката (рисунки 2,3) [6],[7],[8].

Дополнительное повышение сопротивления усталости за счет стабильности свойств деталей с литой структурой составляет около18-20%. При этом изменяется разрушение от напряжений изгиба и качественно: очаг разрушения при напряжениях, близких к пределу выносливости, смещается под поверхность (рисунок 4).

Полученный эффект объясняется влиянием на предел выносливости нового фактора. Этим фактором является пониженная склонность к локализации пластической деформации (ЛПД), впервые обнаруженная и объясненная в литых сталях электрошлаковой технологии [9],[10],[11].

Литература

1. Моисеенко В. И., Мариев П. Л. Основы структурной равнопрочности стали и элементов крупногабаритных деталей машин. Мн.: Ин-т техн. кибернетики НАН Беларуси, 1999.

2. Рыбин В. В. Большие пластические деформации и разрушение металлов.М.,1986.

3. Моисеенко В. И., Мариев П. Л., Важник Л. И. О локализации пластической деформации в сталях//ДАН БССР. 1989. № 7. С. 625627.

4. Электрошлаковый металл/Под ред. Б. Е. Патона, Б. И. Медовара.Киев,1981.

5. Мариев П. Л. Повышение конструкционной равнопрочности крупногабаритных деталей и сварных узлов карьерных самосвалов.Мн.: Ин-т техн. кибернетики НАН Беларуси, 2001.

6. Важник Л.Н. Повышение сопротивления усталости цементированных зубчатых колес смещением очага разрушения под поверхность//Вестник машиностроения. 1987. № 9. С. 611.

7. Берестнев О.В., Моисеенко В.И., Важник Л.Н. Свойства цементованных слоев зубьев зубчатых колес из сталей электрошлакового переплава // Вестник машиностроения. 1989. № 11. С. 57 – 61.

8. Высоконапряженные зубчатые колеса из электрошлаковых сталей в машиностроении / Б.И. Медовар, О.В. Берестнев, В.И. Моисеенко, Л.Н. Важник, Н.П. Ревуцкий // Проблемы спец.электрометаллургии. – 1987. — № 4. – С. 30-35.

9. Моисеенко В.И. // Проблемы специальной электрометаллургии. Киев, 1983. № 18. С. 42 – 44.

10. Моисеенко В.И., Важник Л.Н. Гомогенность пластической деформации стали и сопротивление усталости зубьев зубчатых колес. Тез.докл. научн.-техн.конф.- Севастополь, 1986.

11. Моисеенко В.И., Кошелев С.В., Ларионов В.В. // Изв. АН СССР. Металлы. 1976. № 3. С. 181 – 184.