ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. 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 работы являлось 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.
Коноваленко Игорь Сергеевич
Шилько Евгений Викторович
Овчаренко Владимир Ефимович
Псахье Сергей Григорьевич
1. Mortensen A., Llorca J. Metal matrix composites // Annual Review of Materials Research. – 2010. – Vol. 40. – P. 243–270. – doi: 10.1146/annurev-matsci-070909-104511.
2. Suryanarayana C., Al-Aqeeli N. Mechanically alloyed nanocomposites // Progress in Materials Science. – 2013. – Vol. 58. – P. 383–502. – doi: 10.1016/j.pmatsci.2012.10.001.
3. Casati R., Vedani M. Metal matrix composites reinforced by nano-particles – a review // Metals. – 2014. – Vol. 4. – P. 65–83. – doi: 10.3390/met4010065.
4. Frazier W.E. Metal additive manufacturing: a review // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2014. – Vol. 23. – P. 1918–1928. – doi: 10.1007/s11665-014-0958-z.
5. Kelbassa I., Wohlers T., Caffrey T. Quo vadis, laser additive manufacturing? // Journal of Laser Applications. – 2012. – Vol. 24. – P. 050101/1–050101/10. – doi: 10.2351/1.4745081.
6. Nanocrystalline TiC reinforced Ti matrix bulk-form nanocomposites by Selective Laser Melting (SLM): densification, growth mechanism and wear behavior / D. Gu, Y.-C. Hagedorn, W. Meiners, K. Wissenbach, R. Poprawe // Composites Science and Technology. – 2011. – Vol. 71. – P. 1612–1620. – doi: 10.1016/j.compscitech.2011.07.010.
7. Microstructure and tensile behavior of hybrid nano-micro SiC reinforced iron matrix composites produced by selective laser melting / B. Song, S. Dong, P. Coddet, Ch. Coddet // Journal of Alloys and Compounds. – 2013. – Vol. 579. – P. 415–421. – doi: 10.1016/j.jallcom.2013.06.087.s.
8. Singh H., Sidhu T.S., Kalsi S.B.S. Cold spray technology: future of coating deposition processes // Fracture and Structural Integrity. – 2012. – Vol. 22. – P. 69–84. – doi: 10.3221/IGF-ESIS.22.08.
9. Cold spray coating: review of material systems and future perspectives / A. Moridi, S.M. Hassani-Gangaraj, M. Guagliano, M. Dao // Surface Engineering. – 2014. – Vol. 36. – P. 369–395. – doi: 10.1179/1743294414Y.0000000270.
10. Sobolev V.V., Guilemany J.M., Nutting J. High velocity oxy-fuel spraying: theory, structure-property relationships and applications / consulting editor: S. Joshi. – David Brown Book Company, 2004. – 397 p. – ISBN 9781902653723.
11. Development of particle-reinforced nanostructured iron-based composite alloys for thermal spraying / T. Lampke, B. Wielage, H. Pokhmurska, C. Rupprecht, S. Schuberth, R. Drehmann, F. Schreiber // Surface and Coating Technology. – 2011. – Vol. 205. – P. 3671–3676. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2011.01.003.
12. Sharma V., Pra-kash U., Kumar B.V.M. Surface composites by friction stir processing: a review // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 224. – P. 117–134. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2015.04.019.
13. Yuvaraj N., Aravindan S., Vipin S. Fabrication of Al5083/B4C surface composite by friction stir processing and its tribological characterization // Journal of Materials research and technology. – 2015. – Vol. 4 (4). – P. 398–410. – doi: 10.1016/j.jmrt.2015.02.006.
14. Упрочнение поверхности и повышение износостойкости металлических материалов при обработке потоками высокотемпературной плазмы / Б.А. Калин, В.Л. Якушин, В.И. Польский, П.С. Джумаев, К.К. Дмитриева, О.В. Емельянова, В.И. Аверин // Физика и химия обработки материалов. – 2010. – № 2. – С. 21–27.
15. Modification of the structural-phase of ferritic-martensitic steels by high-temperature pulsed plasma flows / V.L. Yakushin, A.T. Khein, P.S. Dzhumaev, M.G. Isaenkova, B.A. Kalin, M.V. Leont’eva-Smirnova, I.A. Naumenko, Yu.A. Perlovich, V.I. Pol’skii // Inorganic Materials: Applied Research. – 2013. – Vol. 4, iss. 5. – P. 376–384. – doi: 10.1134/S2075113313050195.
16. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов / К.К. Кадыржанов, Ф.Ф. Комаров, А.Д. Погребняк, В.С. Русаков, Т.Е. Туркебаев. – М.: Изд-во МГУ, 2005. – 634 с. – ISBN 5-211-05153-X.
17. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / под ред. Дж. Поута, Г. Фоти и Д. Джекобсона. – М.: Машиностроение, 1987. – 424 с.
18. Леонтьев П.А., Хан М.Г., Чекалова М.Т. Лазерная поверхностная обработка металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1986. – 142 с.
19. Наномодифицирование сварных соединений при лазерной сварке металлов и сплавов / А.М. Оришич, А.Н. Черепанов, В.Н. Шапеев, Н.Б. Пугачева. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2014. – 252 с. – ISBN 978-5-7692-1379-3.
20. Ovcharenko V.E., Baohai Yu., Psahie S.G. Electron-beam treatment of tungsten-free TiC/NiCr cermet. I: infiuence of subsurface layer microctructure on resistance to wear during cutting of metals // Journal of Materials Science & Technology. – 2005. – Vol. 21, N 3. – P. 427–429.
21. Electron-beam Treatment of Tungsten-free TiC/NiCr cermet II: structural transformation in the subsurface layer / Yu. Baohai, V.E. Ovcharenko, S.G. Psakhie, O.V. Lapshin // Journal of Materials Science & Technology. – 2006. – Vol. 22, N 4. – P. 511–513.
22. Modification of the structural-phase state of the surface layer of a cermet composite under electron beam irradiation in inert gas plasmas / V.E. Ovcharenko, K.V. Ivanov, Yu.F. Ivanov, A.A. Mokhovikov, Yu. Baohai // Russian Physics Journal. – 2017. – Vol. 59 (12). – P. 2114–2121. – doi: 10.1007/s11182-017-1022-x.
23. Формирование многомасштабной структуры в поверхностных слоях и стойкость металлокерамического сплава в условиях механических воздействий / С.Г. Псахье, В.Е. Овчаренко, А.Г. Князева, Е.В. Шилько // Физическая мезомеханика. – 2011. – Т. 14, № 6. – С. 23–34.
24. Nanostructured titanium-based materials for medical implants: modeling and development / L.Jr. Mishnaevsky, E. Levashov, R.Z. Valiev, J. Segurado, I. Sabirov, N. Enikeev, S. Prokoshkin, A.V. Solov’yov, A. Korotitskiy, E. Gutmanas, I. Gotman, E. Rabkin, S. Psakhie, L. Dluhoš, M. Seefeldt, A. Smolin // Materials Science and Engineering R. – 2014. – Vol. 81. – P. 1–19. – doi: 10.1016/j.mser.2014.04.002.
25. Laser clad Zr02-Y203 ceramic/Ni-base alloy composite coatings / Y.T. Pei, J.H. Ouyang, T.C. Lei, Y. Zhou // Ceramics International. – 1995. – Vol. 21. – P. 131–136. – doi: 10.1016/0272-8842(95)95884-K.
26. Formation of c-axis-oriented columnar structures through controlled epitaxial growth of hydroxyapatite / W. Wang, Y. Oaki, Ch. Ohtsuki, T. Nakano, I. Hiroaki // Journal of Asian Ceramic Societies. – 2013. – Vol. 1. – P. 143–148. – doi: 10.1016/j.jascer.2013.03.009.
27. Increased resistance to mechanical shock of metallic materials by metal-ceramic surface coatings / C. Biniuc, B. Istrate, C. Munteanu, L. Dorin // Key Engineering Materials. – 2015. – Vol. 638. – P. 316–321. – doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.638.316.
28. Chiang S.S., Marshall D.B., Evans A.G. A simple method for adhesion measurements // Surfaces and interfaces in ceramic and ceramic-metal systems / ed. by J. Pask, A. Evans. – New York: Springer US, 1981. – P. 603–617. – (Materials science research; vol. 14).
29. Overcoming the limitations of distinct element method for multiscale modeling of materials with multimodal internal structure / E.V. Shilko, S.G. Psakhie, S. Schmauder, V.L. Popov, S.V. Astafurov, A.Yu. Smolin // Computational Materials Science. – 2015. – Vol. 102. – P. 267–285. – doi: 10.1016/j.commatsci.2015.02.026.
30. Modeling mechanical behaviors of composites with various ratios of matrix-inclusion properties using movable cellular automaton method / A.Yu. Smolin, E.V. Shilko, S.V. Astafurov, S.G. Psakhie // Defence Technology. – 2015. – Vol. 11. – P. 18–34. – doi: 10.1016/j.dt.2014.08.005.
31. Potyondy D.O., Cundall P.A. A bonded-particle model for rock // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. – 2004. – Vol. 41. – P. 1329–1364. – doi: 10.1016/j.ijrmms.2004.09.011.
32. Bicanic N. Discrete element methods // Encyclopedia of computational mechanics / ed. by E. Stein, R. De Borst, T.J.R. Hughes. – 2nd ed. – John Wiley & Sons, Ltd, 2017. – P. 1–38. – doi: 10.1002/9781119176817.ecm2006.
33. Petersen K.E. Silicon as a mechanical material // Proceedings of the IEEE. – 1982. – Vol. 70, N 5. – P. 420–457.
34. Dudova N., Kaibyshev R., Valitov V. Short-range ordering and the abnormal mechanical properties of a Ni-20% Cr alloy // The Physics of Metals and Metallography. – 2010. – Vol. 08 (6). – P. 625–633. – doi: 10.1134/S0031918X0912014X.
35. Alejano L.R., Bobet A. Drucker–Prager criterion // Rock Mechanics and Rock Engineering. – 2012. – Vol. 45 (6). – P. 995–999. – doi: 10.1007/s00603-012-0278-2.
36. Park K., Paulino G.H. Cohesive zone models: a critical review on traction-separation relationships across fracture surfaces // Applied Mechanics Reviews. – 2011. – Vol. 64. – P. 060802/1–060802/20. – doi: 10.1115/1.4023110.
37. Geubelle P.H., Baylor J.S. Impact-induced delamination of composites: a 2D simulation // Composites Part B: Engineering. – 1998. – Vol. 29. – P. 589–602. – doi: 10.1016/S1359-8368(98)00013-4.
38. Influence of features of interphase boundaries on mechanical properties and fracture pattern in metal-ceramic composites / S. Psakhie, V. Ovcharenko, Yu. Baohai, A. Mokhovikov // Journal of Materials Science and Technology. – 2013. – Vol. 29. – P. 1025–1034. – doi: 10.1016/j.jmst.2013.08.002.
39. A numerical study of plastic strain localization and fracture in Al/SiC metal matrix composite / S.V. Smirnov, A.V. Konovalov, M.V. Myasnikova, Yu.V. Khalevitsky, A.S. Smirnov, A.S. Igumnov // Physical Mesomechanics. – 2018. – Vol. 21 (4). – P. 305–313. – doi: 10.1134/S1029959918040045.
40. Mishnaevsky L. Nanostructured interfaces for enhancing mechanical properties of composites: computational micromechanical studies // Composites Part B: Engineering. – 2015. – Vol. 68. – P. 75–84. – doi: 10.1016/j.compositesb.2014.08.029.
41. Shinohara K. Relationship between work-hardening exponent and load dependence of Vickers hardness in copper // Journal of Materials Science. – 1993. – Vol. 28. – P. 5325–5329.
42. Lan H., Venkatesh T.A. On the relationships between hardness and the elastic and plastic properties of isotropic power-law hardening materials // Philosophical Magazine. – 2014. – Vol. 94, N 1. – P. 35–55. – doi: 10.1080/14786435.2013.839889.
Работа выполнена в рамках программы фундаментальных исследований Российской академии наук на 2013–2020 гг. (приоритетное направление III.23).
Исследование структурных факторов, обеспечивающих повышение механических свойств поверхностных слоев, модифицированных импульсным электронно-пучковым облучением / И.С. Коноваленко, Е.В. Шилько, В.Е. Овчаренко, С.Г. Псахье // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 1. – С. 93–107. – doi:10.17212/1994-6309-2019- 21.1-93-107.
Konovalenko I.S., Shilko E.V., Ovcharenko V.E., Psakhie S.G. Investigation of structural factors that increase the mechanical properties of surface layers modified by pulsed electro-beam irradiation. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2019, vol. 21, no. 1, pp. 93–107. doi:10.17212/1994-6309-2019-21.1-93-107. (In Russian).
