Вивчення закономірності контактоутворення в металевих порошкових матеріалах за результатами прецизійних механічних випробувань

Вивчено закономірності контактоутворення в порошковому титані на різних технологічних етапах його отримання за результатами випробувань на чотириточковий вигин. Проаналізовано вплив технологічних та структурних параметрів на еволюцію контакту. Показано, що процес контактоутворення в попередньо ущіль...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2014
Автори:	Подрезов, Ю.М., Назаренко, В.А., Євич, Я.І., Марченко, Н.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України 2014
Назва видання:	Электронная микроскопия и прочность материалов
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114294
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Вивчення закономірності контактоутворення в металевих порошкових матеріалах за результатами прецизійних механічних випробувань / Ю.М. Подрезов, В.А. Назаренко, Я.І. Євич, Н.М. Марченко // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2014. — Вип. 20. — С. 160-171. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-114294
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1142942025-02-09T14:03:21Z Вивчення закономірності контактоутворення в металевих порошкових матеріалах за результатами прецизійних механічних випробувань Изучение закономерности контактообразования в металлических порошковых материалах по результатам прецизионных механических испытаний Studying of the contact formation patterns in metal powder materials based on the results of precision mechanical testing Подрезов, Ю.М. Назаренко, В.А. Євич, Я.І. Марченко, Н.М. Вивчено закономірності контактоутворення в порошковому титані на різних технологічних етапах його отримання за результатами випробувань на чотириточковий вигин. Проаналізовано вплив технологічних та структурних параметрів на еволюцію контакту. Показано, що процес контактоутворення в попередньо ущільнених пресовках здійснюється в дві стадії: на першій відбувається зарощування площинної пори, при цьому контакт росте самоподібно за механізмом об’ємної дифузії, на другій — об’ємне спікання. На цій стадії високопоруваті матеріали збільшують відносний розмір контакту значно більше, ніж більш щільні. Изучены закономерности контактообразования в порошковом титане на разных технологических этапах его получения по результатам испытаний на четырехточечный изгиб. Проанализировано влияние технологических и структурных параметров на эволюцию контакта. Показано, что процесс контактообразования в предварительно уплотненных прессовках осуществляется в две стадии: на первой происходит заращивание плоскостной поры, при этом контакт растет самоподобно по механизму объемной диффузии, на второй — объемное спекание. На этой стадии высокопористые материалы увеличивают относительный размер контакта значительно больше, чем более плотные. This work is aimed to study the contact formation into titanium powder at the different manufacturing stages with a use of four-point bending. The effect of technological and structural parameters on the contact evolution is analyzed. It is shown that contact formation into packed powders occurs in two stages: at the first stage the plane pour overgrowths, it is accompanied by diffusion-driven growth of contact. At the second stage the volume sintering takes place. At this stage the relative size of contact increases more for high pores materials then for materials with lower pore concentration. 2014 Article Вивчення закономірності контактоутворення в металевих порошкових матеріалах за результатами прецизійних механічних випробувань / Ю.М. Подрезов, В.А. Назаренко, Я.І. Євич, Н.М. Марченко // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2014. — Вип. 20. — С. 160-171. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. XXXX-0048 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114294 539.4:621.762 uk Электронная микроскопия и прочность материалов application/pdf Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Вивчено закономірності контактоутворення в порошковому титані на різних технологічних етапах його отримання за результатами випробувань на чотириточковий вигин. Проаналізовано вплив технологічних та структурних параметрів на еволюцію контакту. Показано, що процес контактоутворення в попередньо ущільнених пресовках здійснюється в дві стадії: на першій відбувається зарощування площинної пори, при цьому контакт росте самоподібно за механізмом об’ємної дифузії, на другій — об’ємне спікання. На цій стадії високопоруваті матеріали збільшують відносний розмір контакту значно більше, ніж більш щільні.
format	Article
author	Подрезов, Ю.М. Назаренко, В.А. Євич, Я.І. Марченко, Н.М.
spellingShingle	Подрезов, Ю.М. Назаренко, В.А. Євич, Я.І. Марченко, Н.М. Вивчення закономірності контактоутворення в металевих порошкових матеріалах за результатами прецизійних механічних випробувань Электронная микроскопия и прочность материалов
author_facet	Подрезов, Ю.М. Назаренко, В.А. Євич, Я.І. Марченко, Н.М.
author_sort	Подрезов, Ю.М.
title	Вивчення закономірності контактоутворення в металевих порошкових матеріалах за результатами прецизійних механічних випробувань
title_short	Вивчення закономірності контактоутворення в металевих порошкових матеріалах за результатами прецизійних механічних випробувань
title_full	Вивчення закономірності контактоутворення в металевих порошкових матеріалах за результатами прецизійних механічних випробувань
title_fullStr	Вивчення закономірності контактоутворення в металевих порошкових матеріалах за результатами прецизійних механічних випробувань
title_full_unstemmed	Вивчення закономірності контактоутворення в металевих порошкових матеріалах за результатами прецизійних механічних випробувань
title_sort	вивчення закономірності контактоутворення в металевих порошкових матеріалах за результатами прецизійних механічних випробувань
publisher	Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
publishDate	2014
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/114294
citation_txt	Вивчення закономірності контактоутворення в металевих порошкових матеріалах за результатами прецизійних механічних випробувань / Ю.М. Подрезов, В.А. Назаренко, Я.І. Євич, Н.М. Марченко // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2014. — Вип. 20. — С. 160-171. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.
series	Электронная микроскопия и прочность материалов
work_keys_str_mv	AT podrezovûm vivčennâzakonomírnostíkontaktoutvorennâvmetalevihporoškovihmateríalahzarezulʹtatamiprecizíjnihmehaníčnihviprobuvanʹ AT nazarenkova vivčennâzakonomírnostíkontaktoutvorennâvmetalevihporoškovihmateríalahzarezulʹtatamiprecizíjnihmehaníčnihviprobuvanʹ AT êvičâí vivčennâzakonomírnostíkontaktoutvorennâvmetalevihporoškovihmateríalahzarezulʹtatamiprecizíjnihmehaníčnihviprobuvanʹ AT marčenkonm vivčennâzakonomírnostíkontaktoutvorennâvmetalevihporoškovihmateríalahzarezulʹtatamiprecizíjnihmehaníčnihviprobuvanʹ AT podrezovûm izučeniezakonomernostikontaktoobrazovaniâvmetalličeskihporoškovyhmaterialahporezulʹtatamprecizionnyhmehaničeskihispytanij AT nazarenkova izučeniezakonomernostikontaktoobrazovaniâvmetalličeskihporoškovyhmaterialahporezulʹtatamprecizionnyhmehaničeskihispytanij AT êvičâí izučeniezakonomernostikontaktoobrazovaniâvmetalličeskihporoškovyhmaterialahporezulʹtatamprecizionnyhmehaničeskihispytanij AT marčenkonm izučeniezakonomernostikontaktoobrazovaniâvmetalličeskihporoškovyhmaterialahporezulʹtatamprecizionnyhmehaničeskihispytanij AT podrezovûm studyingofthecontactformationpatternsinmetalpowdermaterialsbasedontheresultsofprecisionmechanicaltesting AT nazarenkova studyingofthecontactformationpatternsinmetalpowdermaterialsbasedontheresultsofprecisionmechanicaltesting AT êvičâí studyingofthecontactformationpatternsinmetalpowdermaterialsbasedontheresultsofprecisionmechanicaltesting AT marčenkonm studyingofthecontactformationpatternsinmetalpowdermaterialsbasedontheresultsofprecisionmechanicaltesting
first_indexed	2025-11-26T15:17:56Z
last_indexed	2025-11-26T15:17:56Z
_version_	1849866616244797440
fulltext	160 УДК 539.4:621.762 Вивчення закономірності контактоутворення в металевих порошкових матеріалах за результатами прецизійних механічних випробувань Ю. М. Подрезов, В. А. Назаренко, Я. І. Євич, Н. М. Марченко Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, Київ, e-mail: nat-mar@ukr.net Вивчено закономірності контактоутворення в порошковому титані на різних технологічних етапах його отримання за результатами випробувань на чотириточковий вигин. Проаналізовано вплив технологічних та структурних параметрів на еволюцію контакту. Показано, що процес контактоутворення в попередньо ущільнених пресовках здійснюється в дві стадії: на першій відбувається зарощування площинної пори, при цьому контакт росте самоподібно за механізмом об’ємної дифузії, на другій — об’ємне спікання. На цій стадії високопоруваті матеріали збільшують відносний розмір контакту значно більше, ніж більш щільні. Ключові слова: чотириточковий вигин, структура, контактоутворення, поруватість, температура спікання. Фізичні уявлення про закономірності формування контакту під дією капілярних сил є єдиними для спікання порошинок під дією температури як без попереднього ущільнення, так і з ним. Перший випадок досліджений в багатьох класичних роботах щодо порошкової металургії, зокрема в [1—4]. В цих моделях розглядається перерозподіл речовини під дією капілярних сил за різноманітними механізмами повзучості. Відповід- но, в залежності від дислокаційно-дифузійного механізму переносу маси в полі капілярної сили відбувається зміна розміру контактного перешийку за різними законами від часу або температури спікання. Основна модель, яка застосовується для аналізу формозмін, зазвичай являє собою дві сферичні порошинки, спікання яких веде до зміни геометричних параметрів прикон- тактної зони. Експерименти для перевірки цієї моделі виконуються на сферичному порошку або на дротиках циліндричної форми. В більшості випадків вивчається профіль спечених ділянок [4] або площа поверхні руйнування при дослідженні малопластичних металевих порошків [5, 6]. Дослідження структуроутворення контакту ущільненого пластичного металевого порошкового матеріалу мають деякі відмінності. На стадії компактування під дією зовнішнього прикладеного напруження (зусилля пресування) відбувається формозміна вихідних порошинок з утворенням площинної пори. Якщо для аналізу формоутворення використовувати звичну модель двох сферичних порошинок, то зміну форми та перероз- поділ матеріалу при пресуванні можна оцінити, враховуючи зв’язок між параметрами ущільнення та деформації сферичної порошинки. Розглянемо найпростіший випадок, коли дві порошинки діаметром 1 ущільнюються в прямокутній прес-формі, що в перерізі має квадрат зі © Ю. М. Подрезов, В. А. Назаренко, Я. І. Євич, Н. М. Марченко, 2014 161 а 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 10 20 30 40 Поруватість, % Ра ді ус б 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0 10 20 30 40 Поруватість, % В ис от а Рис. 1. Залежності радіуса сегмента кулі (а) та висоти (б) від поруватості. стороною 1. В початковий момент поруватість системи, обмеженої прес- формою, можна визначити як (1 – 4π/3·8)·100% = 48%. Враховуючи незмінність поперечного перерізу прес-форми під час усадки, зв’язок між зменшенням поруватості та розміру комірки може бути виражений як h h − ⋅π−− =θ 1 83/4)1( . Це рівняння дозволяє визначити зв’язок між висотою сегмента кулі, об’єм якого перерозподіляється в порожнину комірки, та поруватістю ущільненого зразка. З урахуванням зв’язку між висотою сегмента, його радіусом та площею перерізу достатньо визначити площу контактуючих поверхонь та залежності цих параметрів від поруватості. Такі залежності наведені на рис. 1. При стисканні ці площини щільно притискаються одна до одної та передають навантаження, що відповідає зусиллю пресування. При розвантаженні контактоутворення відбувається лише в найбільш сприят- ливих ділянках матеріалу [7], а більша частина площинних пор під дією пружних сил віддаляється одна від одної на певну відстань h, утворюючи щілинну поруватість. Такі щілини добре розрізняються методами оптичної та скануючої мікроскопії (рис. 2). Розмір щілини є важливим параметром, оскільки щілина формує початковий радіус капіляра R (h = 2R). Він залежить від зусилля пресування σпр, модуля пружності матеріалу E та початкового розміру порошинки d: h = σпр d/E. (1) Таким чином, на початковий момент спікання структурний елемент, що приймає участь у формуванні контакту, має специфічний вигляд, який визначається розглянутими особливостями ущільнення. Розміри структурних елементів можна оцінити, враховуючи зазначені геометричні міркування. Ці особливості морфології та структури кон- тактної зони визначають умо- ви формування контакту при спіканні. Процес контакто- утворення складається з залі- Рис. 2. Поверхня міжчастин- кового руйнування пресуванням порошкового титану фракції –0315...+02. 162 ковування площинної пори та наступного об’ємного спікання. При цьому необхідно взяти до уваги, що процеси дифузії, які визначають спікання ущільнених порошків, відбуваються в деформованому тілі за наявності великої кількості дефектів дислокаційної природи. Експериментальне дослідження еволюції контакту в цьому випадку значно складніше, ніж у разі недеформованих порошків, через малий розмір структурних елементів, що визначають процес структуро- утворення, і складну форму реальних порошинок. Це утруднює, а у випадку порошків складної форми унеможливлює вивчення профілю контакту. Тому для дослідження контактоутворення використано принципи фізико-механічного аналізу, що базуються на зв’язку між розміром контакту та відносною електропровідністю або відносним модулем пружності порошкового тіла на різних стадіях спікання. Зв’язок електропровідності і розміру контактного перешийка встановлено в роботі [8]. Введено поняття коефіцієнта зв’язності , )()(2 )(2 SPSSSS SSS Z υυ + υ= (2) де Sυ(SS) — площа поверхні контакту метал—метал в одиничному об’ємі (досконалий контакт); Sυ(SP) — площа поверхні контакту метал—пора в одиничному об’ємі. Фактично коефіцієнт зв’язності встановлює співвідношення між кон- тактною поверхнею частинок і їхньою початковою поверхнею. В роботі [7] експериментально показано, що існує пряма залежність між коефіцієнтом зв’язності і відносною електропровідністю поруватого тіла: ./ 0λλ=Z (3) Цей вираз є відправним для побудови наступної напівемпіричної моделі. Позначимо πх2 — площу контакту між сферичними частинками радіуса а, що утворився в результаті спікання; nυ — число частинок в одиничному об’ємі; mυ — загальне число контактів в одиничному об’ємі. Оскільки кожен контакт між частинками усуває дві поверхні матеріал—пора, можна записати )24()(2 )(2 222 2 xmanxm xmZ π−π+π π = νυυ ν , (4) або 2 2 4 )/(2 a xnmZ π π = νν . (5) Величину 2mυ /nυ можна визначити як координаційне число частинок Nc в тривимірному просторі: Nc = 2mυ/ nυ. (6) Тоді 2)/)(4/( axNZ c= . (7) Об’єднавши (3) і (7), отримаємо .)/)(4/(/ 2 0 axNc=λλ (8) Рівняння (8) достатньо добре узгоджується з експериментальними даними, отриманими на спечених сферичних кульках, для яких геометричні розміри х, а та координаційне число N встановлються з металографічних досліджень. 163 Слід зазначити, що в порошкових матеріалах конструкційного призначення якість контакту визначає здатність пористого тіла витримувати зовнішні навантаження. Тому при аналізі закономірностей контактоутворення логічно використовувати механічні характеристики поруватого тіла. Якщо електроопір чи електропровідність асоціюються із здатністю поруватого тіла передавати електричний сигнал, то у випадку механічного навантаження така ж асоціація виникає у зв’язку з можливістю поруватого тіла передавати навантаження або пружну хвилю. В цьому сенсі серед механічних характеристик найбільш вживаним є модуль пружності. На відміну від границь міцності та плинності, ця характеристика не є чутливою до структури твердої фази, але змінюється в широких межах в залежності від поруватості та архітектоніки порового простору. В моделі Жерно [9] на основі експериментальних даних відносний модуль визначається рівнянням (8), яке уточнюється додатковим множником 1 – θ: ).1()/)(4/(/ 2 0 θ−= axNЕЕ c (9) Автор не пояснює фізичні причини цього уточнення, але виходить з того, що відносне значення модуля пружності при даній поруватості повинне бути нижче відносного значення електроопору. Співставлення рівняннь (8) і (9) показало, що при малих та середніх поруватостях ця різниця нівелюється. Таким чином, зміна відносного модуля або віднос- ного електроопору характеризує зміну площі контакту в залежності від умов контактоутворення. Метою даного дослідження є вивчення закономірностей зміни фізико- механічних властивостей пресовок з титанового порошку при спіканні і використання отриманих результатів для аналізу контактоутворення залеж- но від температури спікання, поруватості і розміру частинок. За питомою електропровідністю визначали якість електричного контакту, за відносним модулем пружності — якість механічного контакту. Для прикладу в табл. 1 представлено узагальнювальні дані для фракції –05...+0315. Проведено порівняльний аналіз процесу контактоутворення пресовок, що знаходяться в різних структурних станах. Аналогічні таблиці отримано для інших досліджених фракцій. Аналіз результатів, наведених у табл. 1, показав, що абсолютні значення питомого електроопору і механічних властивостей змінюються в широких межах і залежать від структурного стану матеріалу і температури спікання. Отримані результати дозволяють проаналізувати закономірності контактоутворення за зміною величини електричних і механічних характеристик залежно від структурних і технологічних параметрів. В попередніх роботах [10, 11] нами запропоновано оригінальну методику порівняльного аналізу процесу контактоутворення за результа- тами визначення фізико-механічних властивостей, коли ступінь доскона- лості контакту виражається у відсотках, які характеризують зростання вимірюваної характеристики за даних умов спікання у порівнянні із повним діапазоном її зміни від неспеченого до ідеально спеченого стану. Для випадку електропровідності цей коефіцієнт можна визначити із співвідношення Кλ = [(λизм – λ несп)/(λтеор – λнесп)]·100%. (10) 164 Т а б л и ц я 1. Властивості зразків, отриманих спіканням титанового порошку фракції –05...+0315 Порува- тість θ, % ρп, 108 Ом·м E, ГПа σ001, МПа σ0,2, МПа σр, МПа ε, % 20 оC 5 642,4 10,3 10,4 21,5 31,9 0,48 10 961,8 6,1 4,75 16,5 20,4 0,47 20 1272,1 2,3 1,79 5,95 7,14 0,42 30 3099,0 0,91 0,61 2,36 2,83 0,38 40 8175,3 0,24 0,16 0,36 0,47 0,25 300 оC 5 493,8 10,2 10,6 21,1 31,5 0,48 10 687,1 6,2 4,9 16,9 19,5 0,43 20 960,0 2,4 1,8 6,1 7,3 0,40 30 2252,1 0,9 0,65 2,4 2,9 0,38 40 5450,1 0,2 0,2 0,4 0,55 0,25 500 оC 5 143,1 11,3 16,0 33,0 38,0 0,44 10 244,1 6,4 9,0 20,7 23,7 0,41 20 446,7 2,6 3,6 8,7 8,9 0,23 30 864,7 0,5 0,6 — 1,4 0,13 40 2900,1 0,15 0,25 — 0,4 0,07 700 оC 5 — — — — — — 10 88,81 36 32,5 79,5 94 0,565 20 164,83 7,3 9,2 20,68 22,12 0,312 30 328,26 2,1 3,65 6,65 7,4 0,21 40 950 0,255 0,53 1 2,9 0,505 1000 оC 5 — — — — — — 10 54,23 74,6 147 262,5 397 4 20 79,46 42,6 73 132 203 2,65 30 132 25,1 35 61,1 98 1,8 40 182,26 12,1 17 37 48 0,6 1200 оC 5 49,9 — 155,2 311,9 351,5 8,9 10 53,6 86,5 130,7 263,5 304 3,8 20 70,7 40,8 83,5 147,5 235,0 3,3 30 91,8 34,0 62,0 113,5 179,0 2,4 40 135,1 18,0 32,5 61,0 86,0 1,0 Для визначення якості механічного контакту це рівняння має вигляд KЕ = [(Евим – Е несп)/(Етеор – Енесп)]·100%. (11) 165 Якість фізичного контакту визначається з порівняльного аналізу тріщиностійкості, а для більш пластичних — з порівняння деформації до руйнування ер за формулою Ке = [(ервим – ер несп)/(ертеор – ернесп)]·100%. (12) Такий підхід є плідним, оскільки дозволяє в однакових відносних одиницях порівнювати результати аналізу процесу контактоутворення, що отримані за даними вимірювання різних фізичних характеристик. Для титанового порошку фракції –05...+0315 результати цього порівняльного аналізу наведені на рис. 3. Видно, що електричний контакт формується при температурі приблизно на 50 оС нижче, ніж механічний. На цьому ж рисунку наведено дані про формування фізичного контакту, коефіцієнт Ке розрахований згідно з рівняннями (11) і (12). Видно, що фізичний контакт формується при значно вищих температурах, ніж електричний і механічний. Іншою важливою перевагою такого аналізу є можливість порівнювати умови спікання різних структурних станів, особливо коли повний діапазон змін властивостей від неспеченого до спеченого станів суттєво відрізняється. Наприклад, з табл. 1 випливає, що при поруватості 10% електроопір змінюється в 18 разів, при 40% — в 60 разів, модуль пружності, відповідно, при 10% — в 15 разів, при 40% — в 75 разів. Зрозуміло, що в цьому випадку вплив поруватості на формування контакту доцільно вивчати у відносних одиницях. Зміна якості електрич- ного контакту для матеріалів фракції –05...+0315 для різної поруватості представлена на рис. 4. Видно, що в щільних зразках процес контакто- утворення відбувається швидше, ніж у поруватих. Визнаючи безумовні переваги такого аналізу, слід зазначити, що при дослідженні окремих стадій спікання більш доцільно проводити порівнян- ня відносних величин, як то випливає з рівнянь (8) та (9). При дослідженні кінцевих етапів спікання доцільно порівнювати результати експерименту з теоретичним значенням, що відповідає ідеальному контакту. В цьому випадку коефіцієнт недосконалості для електропровідності визначається як ,/ вимтеор cп ЕЕK =γ а для модуля пружності — ./ вимтеор cп ЕЕK Е = Зазначимо, що коефіцієнт c λK використовується в моделі В. В. Скорохода та С. М. Солоніна для оцінки якості спікання [12], На початкових стадіях доцільно визначати коефіцієнт зростання контакту із співcтавлення виміряного значення та значення, що характеризує неспечений стан. Рис. 3. Залежності коефі- цієнтів Кλ (♦), КЕ (■) і Ке (▲) від температури спі- кання для зразків, виготов- лених з порошку фракції –05...+0315 з поруватістю 10%. 0 20 40 60 80 100 0 200 400 600 800 1000 1200 K E , K λ, К e r , % T, 0C K E, K λ, K e, % 166 0 20 40 60 80 100 0 200 400 600 800 1000 1200 T, 0C K λ , % 0,05 0,10 0,20 0,30 0,40 Т, оС К λ, % Рис. 4. Залежності коефіцієнтів Кλ від температури спікання для зразків фракції –05...+0315 з різною порува- тістю (%): ♦ — 5; ■ — 10; ▲ — 20; х — 30; • — 40. Т а б л и ц я 2. Розраховані коефіцієнти нc λK та нc ЕK для титанового порошку фракції –05...+0315 з поруватістю 10% за різних температур Т, оС нc λK нc ЕK 20 1 1 300 1,3 1 500 4,5 1,2 700 12 6 Коефіцієнт зростання контакту для електропровідності визначається як ,/ неспвим нc λλ=λK а для модуля пружності ./ неспвим нc λλ=λK Згідно з рівняннями (8) та (9), зміна цих коефіцієнтів дозволяє розраховувати зростання площі контакту у порівнянні з вихідною площою контакту неспеченого матеріалу. Співставлення цих коефіцієнтів на початкових стадіях спікання дозволяє проаналізувати закономірності еволюції контакту. Порівняємо зростання коефіцієнтів нc λK та нc ЕK з температурою для тита- нового порошку фракції –05...+0315 з поруватістю 10%. Для цього експе- риментальні дані, що наведені в табл. 1, пораховано відповідним чином для визначення коефіцієнтів нc λK та нc ЕK . Результати розрахунків наведені в табл. 2. Аналіз результатів показав, що при низьких температурах спікання коефіцієнт нc λK значно перевершує параметр нc ЕK . Співвідношення між цими характеристиками, визначене з рівнянь (8) та (9), при цих темпера- турах не виконується. Надто швидке зростання параметра нc λK можна пояснити тим, що отримані значення провідності визначаються не тільки провідністю гратки, але і ефектом електричного пробивання, який значно підвищується за рахунок вакуумного травлення. В цьому випадку електрони можуть переноситись через щілину, імітуючи зростання контакту. Згадані електричні ефекти ніяким чином не впливають на параметр нc ЕK , зміни якого з температурою спікання визначаються лише збільшенням кількості металевих зв’язків у гратці, тобто збільшенням розміру контакту. Порівняння чутливості цих характеристик до температури спікання вказує на те, що додаткові електричні ефекти найбільш суттєві при температурах 300 та 500 оС, коли площа контактів достатньо мала і додаткова електрична провідність перевищує або є порівняною з провідністю по металевій гратці. При температурі спікання 700 оС значення коефіцієнтів нc λK та нc ЕK стають співставними, а співвід- ношення між ними можна визначити з рівняннь (8) та (9). Таким чином, при низьких температурах процес контактоутворення доцільно аналі- зувати через зміни модуля пружності. При 700 оС однаково коректно аналізувати зміни електропровідності та модуля пружності. 167 Рис. 5. Зміна параметра нc ЕK від температури спікання для фракцій –02...+01 (■) та –05...+ 0315 (•). Вплив розміру порошку на про- цес спікання проілюстровано на графіку зміни параметра нc ЕK від температури спікання (рис. 5), визначеного за результатами ви- мірювання модуля пружності зразків, виготовлених з порошку фракцій –02...+01 та –05...+0315 після спікання за різних температур. З наведених даних видно, що при температурах 500 та 700 оС контакт, який сформований більш мілкими порошинками, зростає значно швидше. З урахуванням рівняння (1) цей ефект можна пояснити меншим розміром щілини і, як наслідок, меншим капілярним радіусом. Цікаві особливості виявляються при аналізі впливу поруватості на коефіцієнти нc λK і нc ЕK та сп λK і сп ЕK , що визначені для зразків титанового порошку з поруватістю 10, 20, 30 та 40%, які спечені при температурі 700 оС. Як вже відзначалось, при цій температурі використання обох характеристик однаково коректно. Результати досліджень наведені на рис. 6. Як видно на наведених даних, відносна швидкість зростання контакту на початкових стадіях не залежить від поруватості. Цей результат в однаковій мірі підтверджується експериментами з вимірювання електропровідності та модуля пружності. Тобто для всіх поруватостей контакти збільшуються з однаковою швидкістю самоподібно початковому розміру контакту. Такі закономірності зростання контакту можливі за умови еволюції контакту, яка контролюється дією механізму об’ємної дифузії. В цьому випадку для аналізу швидкості росту контакту можна скористатися експериментальними результатами дослідження процесу повзучості титану технічної чистоти, отриманими в роботі [13], де зв’язок між напругою, температурою і швидкістю деформації представлений у вигляді графіків (рис. 7). Рис. 6. Залежності коефіцієнтів нc λK (■) і сп λK (•) (а) та нc ЕK (■) і сп ЕK (•) (б) від поруватості. ба 168 Рис. 7. Зміна швидкості сталої повзу- чості в області α → β-перетворення при напрузі 0,5 (1), 0,9 (2), 1,2 (3) і 2,5 МПа (4) [13]. Величина капілярних сил, що діють в області міжчастинкових контактів титанової пресовки, розраховується з використанням рівняння R P α = 2 , (13) де P — капілярна сила; α — поверхнева енергія; R — радіус кривизни в об- ласті контакту. Швидкість ущільнення прямо пропорційна величині цієї сили. Відомо, що поверхнева енергія титану при 20 оС γ = 1,24 Дж/м2 [14]. Радіус кривизни в області контакту оцінюємо розміром щілини між частинками порошку. За результатами фрактографічного аналізу (див. рис. 1) видно, що величина міжчастинкових щілин в пресовках порош- кового титану фракції –0315...+02 змінюється в діапазоні 0—2,5 мкм. Це співпадає з розрахунком за рівнянням (1) для σпр = 800 МПа, E = 110 ГПа, d = 500 мкм. Підставляючи максимальне значення розміру щілини в рівняння (13), отримуємо капілярний тиск ~1 МПа. Саме такий рівень напружень характерний для повзучості титану технічної чистоти при температурах 700—900 оС [13]. Швидкість зростання контакту можна оцінити, враховуючи, що спікання відбувається впродовж 1 год. При швидкості повзучості 10-3 с-1 деформація е = 1 досягається за 1000 с (~17 хв), а деформація е = 2 — за півгодини. При такій деформації площа зразка збільшиться приблизно в 7 разів, тобто як це відбувається під час спікання при 700 оС. Зрозуміло, що за 1 год таке збільшення буде відбуватися при швидкості 5·10-4. Саме таку швидкість будемо вважати достатньою для реалізації процесу контактоутворення. Згідно з даними, наведеними на рис. 7, швидкість повзучості при температурі 700 оС та відповідних навантаженнях сягає 10-5—10-6. Проте при аналізі повзучості досліджених порошкових матеріалів слід врахову- вати наявність дислокаційної субструктури, яка збільшує коефіцієнт самодифузії в 10—100 разів і приблизно в цих же межах швидкість повзучості [15]. Тому можна вважати, що еволюція контакту відбувається за рахунок повзучості за механізмом, що відповідає об’ємній дифузії титану. Результати, наведені на рис. 7, досить просто пояснюють чутливість швидкості контактоутворення до фракційного складу. Зменшення розміру порошинки відповідно до рівняння (1) зменшує розмір щілини і збільшує капілярну силу, що, згідно з рис. 7, суттєво підвищує швидкість спікання. Оскільки збільшення розмірів контактів для всіх пористостей відбу- вається з однаковою швидкістю відносно початкового розміру, можна стверджувати, що контакти збільшуються самоподібно за однаковим механізмом повзучості. Згідно з роботою [13], на початкових стадіях 169 спікання (700 оС) швидкість повзучості є достатньо малою, тому можна зробити висновок, що при цих умовах відбувається зарощування лише площинних пор, які при всіх поруватостях мають товщину 1—5 мкм. Заліковування порожнин з більшим радіусом при цих умовах неможливе через недостатню швидкість повзучості. Аналізуючи вплив поруватості на процес спікання, слід звернути увагу на зміну обох коефіцієнтів нc λK та нп λK або нc ЕK та сп ЕK (рис. 6, а, б) від поруватості. Наведені на цих рисунках залежності коефіцієнтів нп λK та сп ЕK , що характеризують недосконалість контакту від поруватості, вказують на те, що на цій стадії спікання контакти компактних пресовок лише трошки не досягають досконалості, тоді як для високопоруватого стану експериментальне значення поступається досконалому контакту майже в 10 разів. З цього випливає, що на першій стадії контакто- утворення, коли відбувається зарощування площинної щілини, в більш компактних станах площа контакту досягає практично ідеальних розмірів і контакт формується практично повністю, тоді як у більш поруватих матеріалах контактоутворення продовжується при більш високих температурах за рахунок зміни геометрії приконтактної зони. Щоб пояснити встановлене співвідношення між ступенем досконалості контакту і поруватістю (рис. 6), слід враховувати, що при підвищенні температури спікання (наприклад, до 1000 оС) швидкість повзучості значно збільшується і критична швидкість, яка відповідає умовам контактоутво- а б Рис. 8. Схема стадійності контактоутворення компактованих металевих порошків: а — зарощування площинної пори; б — об’ємна формозміна. 170 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Поруватість, % S 2\S 1 Рис. 9. Залежність відношення площ контакту на першій та другій стадії контактоутворення. рення, може буде досягнута при значно менших наванта- женнях Якщо вважати, що критичне навантаження зни- зиться в десять разів, то, згідно з рівнянням (13), критич- ний радіус, який визначає формозміну приконтактної зони, збільшиться в 10 разів (наприклад, до 0,1 від діаметра порошку). Тоді з простих геометричних міркувань (рис. 8) можна розрахувати площу контакту, що відповідає критичному радіусу, та порівняти цю площу з площею контакту на стадії зарощування щілини. Результати розрахунку, наведені на рис. 9, свідчать про те, що запропонована модель добре узгоджується з експериментом. Висновки Проведено порівняння швидкості зростання контакту на початкових стадіях за даними вимірювання електроопору та модуля пружності. Встановлено, що коефіцієнт, який характеризує швидкість зростання контакту за зміною електричних властивостей при низьких температурах спікання, зростає значно швидче, оскільки отримані значення провідності визначаються не тільки провідністю гратки, але й ефектом електричного пробивання. Починаючи з 700 оС процес контактоутворення однаково коректно аналізувати за зміною електропровідності та модуля пружності. Запропонована модель контактоутворення ущільненого пластичного металевого порошкового матеріалу демонструє, що процес контакто- утворення здійснюється в дві стадії: на першій стадії відбувається зарощування площинної пори, при цьому контакт росте самоподібно за механізмом об’ємної дифузії, на другій — об’ємне спікання. На цій стадії високопоруваті матеріали збільшують відносний розмір контакту значно більше, ніж більш щільні. 1. Гегузин Я. Е. Физика спекания. — М. : Наука, 1984. — 312 с. 2. Скороход В. В. Реологические основы теории спекания. — К. : Наук. думка, 1972. — 151 с. 3. Федорченко И. М. Основы порошковой металлургии / И. М. Федорченко, Р. А. Андри- евский. — Киев : Изд-во АН УССР, 1961. — 420 с. 4. Ashby M. F. The influence of a dispersion of particles on the sintering of metal powders and wires / [M. F. Ashby, S. Bahk, J. Bevk, D. Tunbull] // Progress in Mater. Sci. — 1980. — 25, No. 1. — P. 1—34. 5. Скороход В. В. Электронно-оптическое исследование кинетики спекания порошков вольфрама с частицами шаровидной формы. II. Взаимосвязь между кинетикой усадки и кинетикой роста контактов / В. В. Скороход, Л. А. Верменко, О. И. Гетьман // Порошковая металлургия. — 1987. — № 6. — С. 20—28. 6. Гетьман О. И. Реологический и термоактивационный анализ кинетики спекания порошков вольфрама / О. И. Гетьман, С. П. Ракитин, В. В. Скороход // Там же. — 1984. — № 10. — С. 27—32. 171 7. Подрезов Ю. Н. Роль сдвиговой деформации в консолидации порошковых материалов / Ю. Н. Подрезов, Д. Г. Вербило, Я. И. Евич // Физика и техника высоких давлений. — 2014. — 24, № 1. — С. 14—31. 8. Jernot J. P. Model to describe the elastic modulus of sintered materials / J. P. Jernot, M. Coster, F. L. Chermant // Phys. Stat. Solid. (A). — 1982. — 71, No. 1. — P. 141—147. 9. Jernot J. P. A New model to describe the variation of electrical conductivity in materials sintered in solid phase / J. P. Jernot, J. L. Chermant and M. Coster // Ibid. — 1982. — 74, No. 2. — P. 467—475. 10. Подрезов Ю. М. Механические свойства порошкового титана на разных стадиях его получения. ІІІ. Влияние технологических и структурных параметров порошкового титана на закономерности контактообразования / [Ю. М. Подрезов, В. А. Назаренко, Я. И. Евич, А. В. Вдовиченко] // Порошковая металлургия. — 2009. — № 3/4. — С. 100—113. 11. Подрезов Ю. М. Механические свойства порошкового титана на разных стадиях его получения. ІV. Физико-механические свойства и закономерности контактообра- зования в порошковом титане, полученном ГПД / [Ю. М. Подрезов, В. А. Назаренко, А. В. Лаптев и др.] // Там же. — 2009. — № 5/6. — С. 60—68. 12. Скороход В. В. Физико-металлургические основы спекания порошков / В. В. Скороход, С. М. Солонин. — М. : Металлургия, 1984. — 158 с. 13. Пищак В. К. Высокотемпературная прочность и физические свойства технически чистого титана ВТ1-0 / В. К. Пищак, И. В. Моисеева, П. Н. Окраинец // Металлофиз. новейшие технологии. — 2001. — 23, № 9. — С. 1243—1257. 14. Бокштейн С. З. Строение и свойства металлических сплавов. — М. : Металлургия, 1971. — 496 с. 15. Свойства элементов. Ч. 1. Физические свойства / Под ред. Г. В. Самсонова. — М. : Металлургия, 1976. — 600 с. Изучение закономерности контактообразования в металлических порошковых материалах по результатам прецизионных механических испытаний Ю. Н. Подрезов, В. А. Назаренко, Я. И. Євич, Н. М. Марченко Изучены закономерности контактообразования в порошковом титане на разных технологических этапах его получения по результатам испытаний на четырехточечный изгиб. Проанализировано влияние технологических и структурных параметров на эволюцию контакта. Показано, что процесс контактообразования в предварительно уплотненных прессовках осуществляется в две стадии: на первой происходит заращивание плоскостной поры, при этом контакт растет самоподобно по механизму объемной диффузии, на второй — объемное спекание. На этой стадии высокопористые материалы увеличивают относительный размер контакта значительно больше, чем более плотные. Ключевые слова: четырехточечный изгиб, структура, контактообразование, пористость, температура спекания. Studying of the contact formation patterns in metal powder materials based on the results of precision mechanical testing Y. N. Podrezov, V. A. Nazarenko, Y. I. Yevich, N. M. Marchenko This work is aimed to study the contact formation into titanium powder at the different manufacturing stages with a use of four-point bending. The effect of technological and structural parameters on the contact evolution is analyzed. It is shown that contact formation into packed powders occurs in two stages: at the first stage the plane pour overgrowths, it is accompanied by diffusion-driven growth of contact. At the second stage the volume sintering takes place. At this stage the relative size of contact increases more for high pores materials then for materials with lower pore concentration. Keywords: four-point bend, structure, contact formation, porosity, the sintering temperature.

Вивчення закономірності контактоутворення в металевих порошкових матеріалах за результатами прецизійних механічних випробувань

Репозитарії

Схожі ресурси