Підвищення втомного ресурсу силуміну електронно-пучковим обробленням

В. Є. Громов$^{1}$, Х. В. Аксьонова$^{1}$, С. В. Коновалов$^{1}$, Ю. Ф. Іванов$^{2,3}$

$^1$Сибірський державний індустріальний університет, вул. Кірова, 42, 654007 Новокузнецьк, РФ
$^2$Інститут сильноточної електроніки СВ РАН, просп. Академічний, 2/3, 634055, Томськ, РФ
$^3$Національний дослідницький Томський політехнічний університет, просп. Академічний, 2/3, 634055, Томськ, РФ

Отримана: 27.04.2015. Завантажити: PDF

В теперішній час у різних галузях промисловости все більшої популярности набувають вироби з алюмінійових стопів. Однак порівняно низькі міцнісні властивості силуміну істотно звужують сферу його застосування. Силуміни практично не зміцнюються термічним обробленням через малу відмінність за розчинністю Кремнію при високій і низькій температурах. Тому найважливішою методою поліпшення їхніх механічних властивостей є модифікування. Здійснено оброблення силуміну евтектичного складу високоінтенсивним імпульсним електронним пучком за різних режимів. Виконано багатоциклові утомні випробування та виявлено режим опромінення, що уможливив підвищити утомну довговічність матеріялу більш ніж у 3,5 рази. Методами сканувальної та просвітлювальної електронної дифракційної мікроскопії проведено дослідження структурно-фазових станів і дефектної субструктури силуміну, підданого утомним багатоцикловим випробуванням до руйнування. Показано, що в режимі часткового розтоплення поверхні опроміненням процес модифікації поверхні супроводжується формуванням численних мікропор, розташованих вздовж межі поділу платівка–матриця, і мікротріщин, розташованих у платівках силіцію. У режимі стійкого топлення (товщина розтопленого шару змінюється в межах до 20 мкм) формується мультимодальна структура (зерна розмірами у 30–50 мкм з розташованими на межах частинками силіцію розмірами до 10 мкм; субзеренна структура у вигляді осередків кристалізації розмірами від 100 нм до 250 нм). Виявлено, що джерелами утомних мікротріщин є платівки силіцію мікронних і субмікронних розмірів, що не розчинилися при електронно-пучковому обробленні. Обговорено можливі причини підвищення утомного ресурсу силуміну електронно-пучковим обробленням. Показано, що основними причинами збільшення утомної довговічности силуміну є: значне збільшення критичної довжини тріщини, коефіцієнта безпеки, зниження середньої віддалі між утомними борозенками (пробіг тріщини за цикл навантаження), формування мультимодальної багатофазної субмікро- і нанорозмірної структури. Вивчено трибологічні та міцнісні властивості поверхні силуміну після електронно-пучкового оброблення й утомних випробувань і виявлено зниження твердости, збільшення швидкости зношування та коефіцієнта тертя з ростом числа циклів до руйнування. Обговорено можливі причини погіршення міцнісних і трибологічних властивостей поверхневих шарів силуміну.

Ключові слова: силумін, структура, утома, електронний пучок, коміркова кристалізація.

PACS: 61.72.-y,61.80.Bg,62.20.me,62.20.Qp,68.37.Lp,81.40.Np,81.40.Pq,81.70.Bt

Citation: V. E. Gromov, K. V. Aksyonova, S. V. Konovalov, and Yu. F. Ivanov, Increase of a Fatigue Life of a Silumin by Electron-Beam Processing, Usp. Fiz. Met., 16, No. 4: 265—297 (2015) (in Russian), doi: 10.15407/ufm.16.04.265


Цитована література (50)  
  1. Г. Б. Строганов, В. А. Ротенберг, Г. Б. Гершман, Сплавы алюминия с кремнием (Москва: Металлургия: 1977).
  2. В. С. Золоторевский, Н. А. Белов, Металловедение литейных алюминиевых сплавов (Москва: МИСИС: 2005).
  3. Дж. Поут, Г. Фоти, Д. Джекобсона, Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками (Москва: Машиностроение: 1987). Crossref
  4. А. П. Ласковнев, Ю. Ф. Иванов, Е. А. Петрикова, Н. Н. Коваль, В. В. Углов, Н. Н. Черенда, Н. В. Бибик, В. М. Асташинский, Модификация структуры и свойств эвтектического силумина электронно-ионно-плазменной обработкой (Минск: Белорусская наука: 2013).
  5. Y. Hao, B. Gao, G. F. Tu, H. Cao, S. Z. Hao, and C. Dong, Appl. Surf. Sci., 258, No. 6: 2052 (2012). Crossref
  6. Y. Hao, B. Gao, G. F. Tu, S. W. Li, C. Dong, and Z. G. Zhang, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B, 269: 1499 (2011). Crossref
  7. C. Dong, A. Wu, S. Hao, J. Zou, Z. Liu, P. Zhong, A. Zhang, T. Xu, J. Chen, J. Xu, Q. Liu, and Z. Zhou, Surf. Coat. Tech., 163–164: 620 (2003). Crossref
  8. Y. Hao, B. Gao, G. F. Tu, S.W. Li, S. Z. Hao, and C. Dong, Appl. Surf. Sci., 257, No. 9: 3913 (2011). Crossref
  9. S. Hao, P. Wu, J. Zou, T. Grosdidier, and C. Dong, Appl. Surf. Sci., 253, No. 12: 5349 (2007). Crossref
  10. Q. F. Guan, H. Zou, G. T. Zou, A. M. Wu, S. Z. Hao, J. X. Zou, Y. Qin, C. Ding, and Q. Y. Zhang, Surf. Coat. Tech., 196, Nos. 1–3: 145 (2005). Crossref
  11. Ю. Ф. Иванов, Н. Н. Коваль, Низкоэнергетические электронные пучки субмиллисекундной длительности: получение и некоторые аспекты применения в области материаловедения, Структура и свойства перспективных материалов (Томск: Изд-во НТЛ: 2007).
  12. V. E. Gromov, Yu. F. Ivanov, S. V. Vorobiev, and S. V. Konovalov, Fatigue of Steels Modified by High Intensity Electron Beams (Cambridge: Cambridge International Science Publishing Ltd: 2015).
  13. В. В. Сизов, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, С. В. Воробьёв, С. В. Коновалов, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, 55, № 10: 56 (2012).
  14. В. В. Сизов, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, С. В. Воробьёв, С. В. Коновалов, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, 55, № 6: 35 (2012).
  15. В. В. Сизов, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, С. В. Воробьёв, С. В. Коновалов, Фунд. пробл. современного материаловедения, 9, № 2: 136 (2012).
  16. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, В. В. Сизов, С. В. Воробьёв, В. И. Базайкин, Пробл. чёр. металлургии и материаловедения, № 1: 66 (2012).
  17. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, В. В. Сизов, С. В. Воробьёв, А. Ф. Софрошенков, Фунд. пробл. современного материаловедения, 8, № 4: 131 (2011).
  18. С. В. Воробьёв, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, В. В. Сизов, А. Ф. Софрошенков, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, 55, № 4: 151 (2012).
  19. В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, В. В. Сизов, С. В. Воробьёв, С. В. Коновалов, Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, № 1: 99 (2013).
  20. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, В. В. Сизов, С. В. Воробьёв, С. В. Коновалов, Физ. мезомеханика, 16, № 1: 85 (2013).
  21. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, В. В. Сизов, С. В. Воробьёв, С. В. Коновалов, Материаловедение, № 4: 34 (2013).
  22. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Д. А. Бессонов, С. В. Воробьёв, А. Д. Тересов, Н. Н. Коваль, С. В. Коновалов, Фунд. пробл. современного материаловедения, 8, № 3: 28 (2011).
  23. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, С. В. Воробьёв, Д. А. Бессонов, Ю. А. Колубаева, С. В. Коновалов, Физ. мезомеханика, 14, № 6: 111 (2011).
  24. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Д. А. Бессонов, С. В. Воробьёв, С. В. Коновалов, Деформация и разрушение материалов, № 12: 19 (2011).
  25. Д. А. Бессонов, С. В. Воробьёв, Ю. Ф. Иванов, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, 54, № 10: 48 (2011).
  26. С. В. Воробьёв, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Д. А. Бессонов, Н. Н. Коваль, А. Д. Тересов, Физика и химия обработки материалов, № 4: 97 (2012).
  27. Д. А. Бессонов, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, В. Я. Целлермаер, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, 55, № 2: 44 (2012).
  28. Д. А. Бессонов, С. В. Воробьёв, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, Наноинженерия, № 3: 20 (2013).
  29. В. Е. Громов, В. А. Гришунин, Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов, Проблемы чёрной металлургии и материаловедения, № 3: 23 (2012).
  30. В. Е. Громов, В. А. Гришунин, Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов, Проблемы чёрной металлургии и материаловедения, № 4: 49 (2012).
  31. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, В. А. Гришунин, А. Д. Тересов, С. В. Коновалов, Физ. мезомеханика, 16, № 2: 47 (2013).
  32. В. А. Гришунин, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, К. В. Волков, С. В. Коновалов, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, 56, № 11: 58 (2013).
  33. В. А. Гришунин, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, А. Б. Юрьев, С. В. Воробьёв, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, 56, № 2: 51 (2013).
  34. Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, В. А. Гришунин, С. В. Коновалов, Вопросы материаловедения, № 1(73): 20 (2013).
  35. В. А. Гришунин, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, А. Д. Тересов, С. В. Коновалов, Перспективные материалы, № 6: 75 (2013).
  36. В. А. Гришунин, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, А. Д. Тересов, С. В. Коновалов, Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, № 10: 82 (2013).
  37. В. Е. Громов, В. А. Гришунин, С. В. Райков, Ю. Ф. Иванов, С. В. Коновалов, Деформация и разрушение материалов, № 6: 37 (2013).
  38. В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, В. А. Гришунин, С. В. Райков, С. В. Коновалов, Успехи физ. мет., 14, № 1: 67 (2013). Crossref
  39. В. А. Гришунин, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, Ю. А. Денисова, Электронно-пучковая модификация структуры и свойств стали (Новокузнецк: Изд-во «Полиграфист»: 2012).
  40. К. В. Волков, В. Е. Громов, Ю. Ф. Иванов, В. А. Гришунин, Повышение усталостной выносливости рельсовой стали электронно-пучковой обработкой (Новокузнецк: Изд-во «Интер-Кузбасс»: 2013).
  41. Ю. Ф. Иванов, К. В. Алсараева, В. Е. Громов, Е. А. Петрикова, А. Д. Тересов, А. В. Ткаченко, Фунд. пробл. современного материаловедения, 11, № 3: 281 (2014).
  42. О. В. Соснин, В. Е. Громов, Э. В. Козлов, Ю. Ф. Иванов, Усталость сталей при импульсном токовом воздействии (Новокузнецк: Изд-во СибГИУ: 2004).
  43. В. С. Иванова, А. А. Шанявский, Количественная фрактография. Усталостное разрушение (Челябинск: Металлургия: 1988).
  44. В. Ф. Терентьев, Усталость металлических материалов (Москва: Наука: 2002).
  45. С. Коцаньда, Усталостное разрушение металлов (Москва: Металлургия: 1976) (пер. с польск.).
  46. О. В. Соснин, Ю. Ф. Иванов, В. В. Целлермаер, Д. В. Лычагин, В. Е. Громов, Э. В. Козлов, Физ. мезомеханика, 6, № 3: 91 (2003).
  47. О. В. Соснин, Ю. Ф. Иванов, В. Е. Громов, Э. В. Козлов, В. В. Целлермаер, Изв. ВУЗов. Чёр. металлургия, № 12: 27 (2003).
  48. Фрактография и атлас фрактограмм (Ред. Дж. Феллоуз) (Москва: Металлургия: 1982).
  49. Л. Энгель, Г. Клингеле, Растровая электронная микроскопия. Разрушение (Москва: Металлургия: 1986).
  50. А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский, Физические величины: Справочник (Москва: Энергоатомиздат: 1991).
Цитується (2)
  1. V. V. Kurylyak and G. I. Khimicheva, Usp. Fiz. Met. 18, 155 (2017).
  2. V. E. Kormyshev, V. E. Gromov, Yu. F. Ivanov and S. V. Konovalov, Usp. Fiz. Met. 18, 111 (2017).