Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Научные труды. Вып. 18 (90)

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 623066.01.99
В данном выпуске сборника Научных трудов представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований, выполненных учеными МАТИ, в том числе в содружестве со специалистами других организаций в широком спектре научных направлений, включая научно-исследовательские работы по грантам и ряду научно-технических программ. Ряд статей сборника подготовлен по материалам докладов, рекомендованных к публикации секциями Всероссийской научно-технической конференции «НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ» - НМТ-2010 (ноябрь, 2010 г., МАТИ, Москва). Сборник рассчитан на работников, преподавателей вузов и аспирантов. Может использоваться при переподготовке кадров промышленных предприятий.
Научные труды. Вып. 18 (90) [Электронный ресурс]. - Москва : МАТИ, 2011. - 358 с. ил. - ISBN 978-5-93271-647-2. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/526313 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ 
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО 
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ИДТИ - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
ИМЕНИ К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО»
(МДТИ)

80-летию МАТИ п о с в я щ а е т с я

НАУЧНЫЕ
ТРУДЫ

ВЫПУСК 18 (90)

МОСКВА 2011

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное 
учреждение высшего профессионального образования

«МАТИ - Российский государственный технологический 
университет имени К.Э. Циолковского»
(МАТИ)

80-летиюМАТИ п о с в я щ а е т с я

НАУЧНЫЕ ТРУДЫ

Издание основано в 1940 году

Выпуск 18 (90)

Москва 2011

УДК 621; 669; 681.5; 66; 621.37/39; 681.2; 005; 504; 51; 53; 531/534; 54; 378

Научные труды. Вып. 18 (90). - М.: МАТИ, 2011. - 358 с. ил 

ISBN 978-5-93271-647-2

В данном выпуске сборника Научных трудов представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований, выполненных учеными МАТИ, в том числе в 
содружестве со специалистами других организаций в широком спектре научных направлений, включая научно-исследовательские работы по грантам и ряду научно-технических программ. Ряд статей сборника подготовлен по материалам докладов, 
рекомендованных к публикации секциями Всероссийской научно-технической конференции «НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ» - НМТ-2010 (ноябрь, 2010 г., МАТИ, 
Москва).

Сборник рассчитан на работников, преподавателей вузов и аспирантов. Может 
использоваться при переподготовке кадров промышленных предприятий.

Главный редактор: ректор проф. В.А. Фролов 

Заместитель главного редактора: проф. В.А. Васильев

Редакционная коллегия:

Ответственные 
секретари редколлегии:

заел. проф. МАТИ Бибиков Е.Л., 
чл.-корр. РАН, проф. Васильев В.В., проф. Галкин В.И., 
доц. Голов Р.С., проф. Дмитренко В.П., 
акад. РАН, проф. Ильин А.А., проф. Намазов В.Н., 
проф. Попов В.Г., проф. Суминов И.В., проф. Сухов С.В., 
проф. Уваров В.Н., нач. ОЯ7>/Чивикина Г.И., проф. Юрин В.Н.

Затеева Т.А. , Свиридов Б.Ф.

Научные редакторы: 
проф. Беклемишев Н.Н., проф. Болотин И.С., проф. Ковалев А.П.,
проф. Путятина Л.М., проф. Черняев А.В., проф. Чумадин А.С.

Тел. (495) 915-37-76, факс (495) 915-09-35, электронная почта: onti@tech-atias.ru 
Адрес: 121552 Москва, Оршанская ул., 3, МАТИ

ISBN 978-5-93271-647-2 
© фГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный
технологический университет имени К.Э. Циолковского», 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ

Отличительная черта настоящего выпуска сборника «Научные труды» МА- 
ТИ - часть опубликованных в них статей подготовлены по материалам докладов 
Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» - НМТ-2010, состоявшейся в 
МАТИ в ноябре 2010 года. Это доклады, 
рекомендованные 
секциями 
конференции 
к 
опубликованию 
в 
сборнике «Научные труды» МАТИ. 
Здесь доклады как ученых из МАТИ, 
так и других организаций, принимавших участие в конференции.
НМТ-2010 - крупная научно- 
техническая 
конференция. 
Традиционно проводится с 1993 года, неизменно вызывая большой интерес 
научно- технической общественности страны. На рис. 1 представлены 
некоторые 
количественные 
характеристики последних 7-ми конференций 
НМТ 
(1998, 
2000, 
2002, 
2004, 2006, 2008 и 2010 гг.).
На 19 секциях конференции 
НМТ-2010 представлено около 400 докладов свыше 650 ученых от 120 организаций - вузов, научно-исследовательских институтов РАН, государственных научных центров РФ, научных и научно-производственных организаций из 55 городов 
России со всей России - от Северо-Запада до Дальнего Востока, зарубежных специалистов и 6 зарубежных государств (Азербайджана, Белоруссии, Казахстана, 
Узбекистана, Украины, Швейцарии).
Работа конференции велась по 7 основным направлениям:
I. Материаловедение и технология материалов
II. Проектирование, производство и эксплуатация изделий машиностроения
III. Приборостроение, лазерная техника и информационные технологии
IV. Электронная техника и технология
V. Экономика, экология и гуманитарные науки
VI. Управление качеством и сертификация
VII. Компьютерные технологии в учебном процессе инженерного образования
Помимо материалов докладов конференции НМТ-2010 в данном выпуске 
«Научных трудов» МАТИ представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований, выполненных учеными МАТИ в широком спектре научных направлений, включая научно-исследовательские работы по грантам и ряду научно-технических программ. Некоторые работы выполнены в соавторстве с учеными и специалистами РАН, научно-исследовательских и производственных организаций.
Сборник «Научные труды» МАТИ № 18 (90) содержит 12 тематических разделов, соответствующих многопрофильному характеру нашего университета.

800 

700 

600 

500 

400 
300 

200 

100 
о

В Все доклады 
0 Доклады МАТИ
ШЗ Авторы 
□Организации

Рис. 1. Количественные характеристики 
конференций НМТ

1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

г.
г.
г.
г.

Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского, 2010 г. Вып. 17 (89)
3

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 530.1: 539.434

ФРАКТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭВОЛЮЦИИ СТРУКТУРЫ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА 
НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ ЖС6К В УСЛОВИЯХ ПЕРЕГРЕВА

к. ф.-м.н., с.н.с. М.А. Артамонов

Изучение эволюции структуры жаропрочных сплавов во время их перегрева имеет большое значение для оценки изменения свойств материала во время повышенных температурных 
воздействий. Фрактальный анализ структуры позволяет дать дополнительную информацию о состоянии структуры и получить количественную оценку, которую можно использовать для определения температуры перегрева, при которой находился материал. Особенностью данного метода 
является использование в качестве информации разницы между выявленными значениями максимальной и минимальной фрактальной размерности и значения масштабного уровня, что позволяет оценить - в каких условиях находился материал и до кого уровня были проведены в нем необратимые изменения, снижающие способность материала выдерживать большие температурные 
нагрузки.

The research of the evolution of structure of superalloy has a great important for investigation 
how changes structure in time high temperature. Fractal analysis give possible to receive add information 
about the properties of the structure and receive the quality information which it is possible use for 
identification of the overheating temperature of the material. The specific of this method is use for 
information the different between maximum and minimum fractal dimension and the scale level for 
identification the environmental condition and level of the temperature when properties of the structure 
dramatically decreasing.___________

Лопатки турбин авиационных двигателей, изготавливаемые из жаропрочных 
сплавов, в процессе эксплуатации могут испытывать большие тепловые воздействия. Повышенные температуры могут приводить к разрушению турбинных лопаток. После их разрушения при эксплуатации необходимо достаточно точно определять уровень температуры, при которой происходили разрушения, для того 
чтобы оценить условия работы двигателя и выявить причины разрушения лопаток 

[1].
Высокая жаропрочность этих сплавов достигается вследствие распада перенасыщенного твердого раствора и выделения из него в процессе старения дисперсных наночастиц интерметаллидной у’- фазы Ni3Al или твердого раствора на 
ее основе Ni3(AITi), рис.1, [2]. Выделяемая фаза изоморфна твердому раствору, 
обладает гранецентрированной кубической решеткой, у’- фаза может находиться 
в состоянии всестороннего сжатия, растяжения или относительного равновесия. С 
изменением температуры это состояние может меняться, т.к. объемный коэффициент расширения у’- фазы значительно меньше, чем твердого раствора. Этим 
достигается упрочняющее воздействие и устойчивость фазы при различных температурах.
В процессе нагрева до высоких температур происходит самоорганизован- 
ная эволюция упрочняющей фазы, когда вместо первой у’-фазы начинает формироваться вторая у’-фаза. В дальнейшем, при повышения температуры происходит 
растворение и второй у’-фазы, и материал теряет свойство сохранять свои прочностные характеристики при высоких температурах. Таким образом, изменения

4
Научные труды, МАТИ, 2011 г. Вып. 18 (90)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Y’-фазы в материале указывает на уровень температуры, при которой находился 
материал.

а) 
б)

Рис. 1. Исходная структура сплава ЖС65К (а) и после перегрева до температуры 1000°С

Многочисленные исследования показывают, что структуры металлов и 
сплавов имеют выраженные фрактальные свойства [3]. Можно предположить, что 
изменения внутренней структуры материала оказывают влияния на фрактальные 
характеристики материала. Изучение этих зависимостей позволяет выявить, при 
каких условиях происходило формирование структуры материала и предсказать 
его самоорганизованную эволюцию в процессе дальнейших температурных воздействий.

Методика проведения исследования

Для анализа был выбран жаропрочный сплав ЖС6К, который наиболее 
широко применяется в авиационной индустрии и для него известны зависимости 
распределения у’- фазы от уровня температуры. Упрочняющая у’ - фаза этого 
сплава после закалки от 1220 °С и старения при 950 °С хорошо различима и 
имеет размер до 1000 А (ЮОпт), как это показано на рис. 1а. Частицы 
упрочняющей у’- фазы имеют форму параллелепипедов, близких по размеру, и 
расположены плотно друг другу.
Нагрев до температуры 1050 °С с выдержкой 10 мин вызывает заметную 
коагуляцию частиц. Они теряют правильную форму и сливаются друг с другом. 
При этом расстояние между ними увеличивается (см. рис. 16). При температуре 
1100 °С с выдержкой 10 мин происходит вторичное выделение у’ - фазы в виде 
сыпи 
в 
промежутках 
между 
более 
крупными 
частицами, 
что 
легко 
идентифицируется по структуре металла. При температуре 1150 °С происходит 
дальнейшее растворение первичных частиц у’- фазы. Вторичные же выделения 
приобретают правильную форму, заметна рядность в их расположении.
Наиболее интенсивное растворение упрочняющей у’- фазы идет при 
температуре 1200 °С. При выдержке 10 мин обеспечивается почти полное 
растворение первичной у’- фазы. Были подготовлены шлифы из сплава ЖС6К. На 
них были получены цифровые фотографии выявленной структуры у’ - фазы, с 
помощью растрового электронного микроскопа EVO-40 фирмы “Карл Цейс” на 
различных масштабных уровнях (увеличения 10000 и 20000 крат). На увеличении 
ЮОООх наблюдается эволюция первой у' - фазы, на увеличении 20000х видны 
изменения не только первой у’ - фазы, но и второй у’ - фазы.

Научные труды, МАТИ, 2011 г. Вып. 18 (90)
5

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Цифровая фотография представляет собой набор точек - пикселей, где 
каждый пиксель имеет свой цвет, соответствующий определенному уровню 
яркости из диапазона от 0 - черный цвет до 255 - белый цвет.
Проводилось преобразование фотографии в черный-белый формат по 
следующему алгоритму: если уровень яркости пикселя превышает определенный 
уровень, то пикселю присваивалось белый цвет, если ниже - то черный. 
Полученное черно-белое 
изображение анализировалось 
программой,
разработанной 
в 
ГосЦентре 
безопасности 
полетов, 
позволяющей 
получать 
фрактальные характеристики данного изображения. Вычисление фрактальной 
размерности 
проводилось 
по 
белым 
пикселям, 
которые 
соответствуют 
изображению упрочняющей у’ - фазы.
Выходными данными 
программы 
является спектр 
фрактальных
размерностей. По этому спектру можно определить максимальное (Dmax) и 
минимальное (Dmin) значение фрактальной размерности на данном увеличении, 
величину масштабного уровня (R), на котором было получено максимальное 
значение фрактальной размерности.

Результаты выполненного исследования

На увеличении ЮОООх наблюдаются следующие изменения фрактальных 
характеристик структуры материала (см. рис. 2). При повышении температуры до 
1175 °С максимальная фрактальная размерность меняется слабо и равна 
Dmax=1.92. Затем происходит слабое снижение до значения Dmax =1.9 при 
температуре 1200 °С. Минимальная фрактальная размерность меняется сильнее 
и стабильно возрастает от Dmin=1.84 до 1.89 при повышении температуры 
воздействия 
на 
материал. 
Интерес 
представляет 
эволюция 
разницы 
максимальной и минимальной фрактальной размерности (Ddiff= DmaX- Dmin) в 
зависимости от температуры. На рис.2 видно, что при возрастании температуры 
Ddiff стабильно уменьшается.

а) 
т.с° 
6}

Рис. 2. Зависимость Dmax, Dmin (а) и Ddiff (б) от температуры Т

Изменения масштабного уровня максимальной фрактальной размерности 
(Rw) в зависимости от температуры носит немонотонный характер (рис. 3). При 
возрастании температуры до 1050 °С происходит рост Rw с 0.15 мкм до 0.31 мкм. 
Затем происходит резкое падение масштабного уровня до 0.05 мкм.
Для увеличения 20000х изменение разницы между максимальной и минимальной 
фрактальной размерности от температуры носит аналогичный характер, что и для 
увеличения ЮОООх крат. При повышении температуры Ddiff уменьшается:, до тем
6
Научные труды, МАТИ, 2011 г. Вып. 18 (90)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

пературы 1175 °С происходит, как и для увеличения ЮОООх, повышение минимальной фрактальной размерности от 1.8 до 1.88, но при температуре 1200 °С 
происходит падения до 1.86.

Полученные 
зависимости 
указывают на следующее развитие 
процессов в материале во время 
его перегрева. Происходит трансформация из сложной полифрак- 
тальной 
структуры 
материала 
в 
однородный фрактал. Данное развитие ситуации согласовывается с 
представлениями о модификации 
структуры под воздействием агрессивных 
внешних 
факторов, 
приводящих к деградации состояния материала. Эволюция Rw указывает, что при температуре 1050 
°С произошло скачкообразное изменение масштабного уровня размера структурообразующей фазы с 310 нм до 
150 нм размера.
Данная зависимость может использоваться для выявления, в каких условиях находился материал и до кого уровня были проведены в нем необратимые изменения, снижающие способность материала выдерживать большие температурные нагрузки. Эволюция величины масштабного уровня указывают, что переход 
от доминирования первой у’ - фазы к второй у’ - фазы происходит при температуре 1050-1150 °С.

т,с°

Рис.З. Зависимость величины масштабного 
уровня R от температуры.

Литература

1. Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций. Синергетика в инженерных приложениях. - Уфа: Монография, 2003. - 800 с.

2. Беттеридж. У. Жаропрочные сплавы типа нимоник. - М.: Металлургиздат, 1961. 
-381 с.

3. Синергетика и фракталы в материаловедении. / В.С. Иванова, А.С. Баланкин, 
И.Ж. Бунин, А.А. Оксогоев. - М.: Наука, 1994.

УДК 669.295: 621.745.5: 518.5

ОЦЕНКА ПРОТЯЖЕННОСТИ СТРУКТУРНЫХ ЗОН 
В ТИТАНОВЫХ СЛИТКАХ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО ПЕРЕПЛАВА 
МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

к.т.н., доц. А.В. Драницин

Разработана компьютерная модель теплопереноса в слитках из титановых сплавов в процессе вакуумно-дуговой плавки (ВДП). Описана методика расчета протяженности структурных зон 
в титановых слитках после ВДП__________________________________________________________

Научные труды, МАТИ, 2011 г. Вып. 18 (90)
7

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

The computer model of heat transfer in ingots of titanium alloys during vacuum arc melting (VAM) 
is developed. The method of computation of structural zone extent in titanium ingots after VAM is 
explained.

В настоящее время одним из основных методов получения цилиндрических 
слитков из титановых сплавов является вакуумно-дуговой переплав (ВДП) [1]. При 
затвердевании слитков из сплавов, кристаллизующихся в интервале температур, 
всегда имеется область, в которой металл находится одновременно в твердом и 
жидком состоянии. Эту область слитка, ограниченную изотермическими поверхностями с температурой ликвидуса и температурой солидуса принято называть переходной областью [2]. Переходная область играет решающую роль в формировании структуры и свойств слитков [3]. Расположение переходной области в слитке в основном определяется экспериментально. Однако в ряде случаев, в частности при ВДП, измерить опытным путем размеры переходной области чрезвычайно 
трудно. Точное аналитическое определение величины переходной области также 
не может быть выполнено из-за отсутствия задачи Стефана для реальных условий кристаллизации слитка [3].
В крупных слитках из титановых сплавов (диаметром более 430 мм), полученных методом ВДП, можно различить четыре структурные зоны с различным 
типом кристаллизации [3]: 1) периферийная зона с ячеистой структурой; 2) зона с 
ячеисто-дендритной структурой; 3) зона с ориентированными (в направлении теплоотвода) и неориентированными дендритами; 4) осевая зона взвешенных денд- 
ритов. Этот спектр структурных зон обнаруживается в большей части объема 
слитка, исключая литниковую и придонную часть слитка.
Исследования показали [3], что тот или иной тип кристаллизации определяется для сплава данного состава величиной G / vk1/2 (где G и v« - температурный
градиент и линейная скорость кристаллизации в переходной области). Эта величина 
характеризует 
переход 
ячеистого 
фронта 
кристаллизации в ячеисто-дендритный и далее в дендритный. Таким образом, использование данного критерия позволяет оценить протяженность структурных зон в радиальном направлении цилиндрического титанового слитка после ВДП.
Поэтому настоящая работа направлена на решение следующих задач: 1) на базе 
математической модели, описывающей распределение температуры в слитке, и ее 
компьютерной реализации определить расположение переходной области в слитке из 
титанового сплава в процессе ВДП; 2) рассчитать распределение линейной скорости 
кристаллизации по сечению слитка и градиентов температуры на фронте кристаллизации; 3) осуществить прогноз протяженности 
характерных структурных зон в слитке рассматриваемого диаметра, используя экспериментальные 
данные 
о 
протяженности 
структурных зон в слитке другого диаметра. 
Как известно [4], для ВДП титановых

Рис. 1. Расчетная схема процесса 
ВДП:

1 - слиток;
2 - ванна жидкого металла;
3 - кристаллизатор; 4 - поддон;
5 - переплавляемый электрод

8
Научные труды, МАТИ, 2011 г. Вып. 18 (90)