Исследование структурных факторов, обеспечивающих повышение механических свойств поверхностных слоев, модифицированных импульсным электронно-пучковым облучением
| Parent link: | Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты): научно-технический и производственный журнал.— , 1998- Т. 21, № 1.— 2019.— [С. 93-107] |
|---|---|
| Corporate Author: | |
| Other Authors: | , , , |
| Summary: | Заглавие с экрана В настоящее время значительная часть режущих элементов обрабатывающего оборудования производится из композиционных материалов на основе металлической матрицы с дисперсными керамическими включениями. Как правило, такие композиты синтезируют методами порошковой металлургии из смеси порошков с характерным размером частиц от нескольких единиц микрометров до нескольких десятков микрометров. Известно, что механические свойства (прочность, твердость и вязкость разрушения) поверхностных слоев таких композиционных материалов, определяющие ресурс работы всего элемента, существенно уступают свойствам этих же материалов с характерными размерами армирующих керамических частиц десятки-сотни нанометров. Одним из успешных путей решения данной проблемы является модификация структуры поверхностных слоев уже готового композита с микроразмерными керамическими включениями методом высокоэнергетического импульсного электронно-пучкового облучения в плазме инертных газов. В предшествующих работах авторами показано, что такая обработка приводит к многократному измельчению структуры и ее качественному изменению - смене стохастической упаковки частиц на регулярную столбчатую с преимущественной ориентацией керамических элементов по нормали к поверхности. Изменение этих параметров внутренней структуры определяет существенное изменение комплекса механических свойств поверхностных слоев и требует детального параметрического изучения. Целью работыявлялось численное исследование влияния ключевых структурных параметров модифицированного поверхностного слоя, а именно типа упаковки, размеров и неравноосности керамических частиц, на его прочность и вязкость разрушения. Результаты и обсуждение. Проведенный численный анализ показал, что ключевыми факторами, определяющими повышение комплекса механических свойств модифицированных поверхностных слоев, являются упаковка и геометрия керамических включений. Многократное уменьшение размеров включений, изменение их формы от равноосной к существенно неравноосной и регулярная упаковка с преимущественной ориентацией включений по нормали к поверхности приводят к изменению характера распределения напряжений в условиях сжатия (от дисперсного к «каркасному»), усложнению траектории роста трещин и увеличению пути их распространения. Следствием этого является увеличение прочности, предела текучести и коэффициента деформационного упрочнения поверхностных слоев. Показано, что управлением степенью неравноосности керамических включений в поверхностном слое можно добиться баланса таких конкурирующих характеристик, как прочность и вязкость разрушения. Currently, a significant part of the cutting elements of the processing equipment is made of composite materials based on a metal matrix with dispersed ceramic inclusions. As a rule, such compositions are synthesized by powder metallurgy methods from a mixture of powders with a characteristic particle size from a few micrometers to tens of micrometers. Durability of cutting element is determined by the mechanical properties (including strength, hardness and fracture toughness) of thin surface layers of the composite. It is known that mechanical properties of the surface layers of the composites with microscale reinforcing ceramic inclusions are significantly inferior to the properties of these same compositions with characteristic sizes of reinforcing ceramic particles of tens to hundreds of nanometers. One of the successful ways to solve this problem is to modify the structure of the surface layers of synthesized composite with microscopic ceramic inclusions by the method of high-energy pulsed electron-beam irradiation in inert gas plasma. In the previous papers, the authors have shown that such processing leads to qualitative change in the structure of the surface layers, namely, to multiple crushing of original stochastically packed ceramic inclusions, their dissolution and subsequent precipitation in the form of regularly packed columnar particles with the preferential orientation normal to the surface. The change in the parameters of the internal structure determines a significant change in the mechanical properties of the surface layers and requires detailed parametric study. The aim of the work was to numerically study the influence of the key structural parameters, namely, the type of packing, the size and non-equiaxiality of ceramic particles on strength and fracture toughness of the modified surface layers. Results and discussion. The performed numerical analysis has revealed the key factors that determine the increase in the mechanical and tribological properties of modified surface layers of metal-ceramic composites. These are the features of packing and geometrical characteristics of ceramic inclusions. We showed that multiple decrease in the size of inclusions together with a change in their shape from equiaxial to substantially non-equiaxial and regular packing of inclusions with a preferential orientation normal to the surface lead to change in the pattern of stress distribution under compression from dispersed to frame-like as well as to elongation and complication of crack paths. This results in increase in the values of strength, yield stress and strain hardening of the surface layers. We explained that by varying the degree of non-equiaxiality of ceramic inclusions it is possible to achieve a necessary balance of competing mechanical characteristics like strength and fracture toughness. Режим доступа: по договору с организацией-держателем ресурса |
| Published: |
2019
|
| Series: | Материаловедение |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.elibrary.ru/item.asp?id=37114065 |
| Format: | Electronic Book Chapter |
| KOHA link: | https://koha.lib.tpu.ru/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=664286 |