Введение
Для обеспечения эксплуатационных свойств изделий машиностроения необходимо, чтобы в результате термических, деформационных или других интенсивных воздействий в их материалах произошли необратимые изменения, обусловленные фазовыми переходами. Если материал после интенсивных воздействий находится в структурно - неравновесном состоянии, то обработка тоже необходима, хотя фазовые превращения в нем не происходят [1].
Изменения строения и свойств структур металлов и сплавов во времени определяются температурой, давлением и другими интенсивными факторами их образования [2]. Происходящие при обработке процессы описываются теорией термической обработки металлов, отражающей кинетику превращений при различных температурах, и влияющие на ее ход факторы [3].
Всестороннее давление до настоящего времени активно не применялось для управления структурообразованием в материалах [4]. Сдерживают применение обработки давлением для формирования структур в металлах и сплавах технологические сложности управления процессом и недостаточная ясность, насколько эффективно может быть использовано давление для получения особых свойств материалов [5].
Цель работы – представить с позиций единого формализма, основанного на комплексном синергетическом подходе, фазовые переходы и структурообразование при термических операциях, обработке давлением и термомеханических воздействиях для формирования теоретических основ технологических процессов образования структур и фаз в металлах и сплавах при использовании режимов кристаллизации с изменением давления.
Синергетическая концепция состояния термодинамической системы
Для определения доминирующих процессов структурообразования при интенсивных воздействиях, целесообразно применить синергетическую концепцию, использующую понятие моды непрерывной случайной величины контролируемого параметра [6].
Под модой понимают такое значение параметра, при котором плотность его распределения имеет максимум. Согласно синергетической концепции устойчивые моды подстраиваются под доминирующие неустойчивые моды и в результате могут быть исключены. Это приводит к резкому сокращению числа контролируемых параметров – степеней свободы термодинамической системы. Оставшиеся неустойчивые моды могут служить в качестве параметров порядка, определяющих процессы структурообразования [7].
Получившиеся в результате такого сокращения параметров уравнения состояния термодинамических систем, группируются в несколько универсальных классов следующего вида [6, 7]:
где U ‒ контролируемый параметр; t ‒ текущее время; G ‒ нелинейная функция U и возможно градиента U; D ‒ коэффициент, описывающий диффузию, когда его значение действительно, или описывающий распространение волн, при мнимом значении; F ‒ флуктуирующие силы, обусловленные взаимодействием с внешней средой и диссипацией внутри системы.
Уравнения такого вида схожи с уравнениями, описывающими фазовые переходы первого и второго рода. В соответствии с синергетической концепцией фазовые переходы происходят в результате самоорганизации, процесс которой описывается тремя степенями свободы, отвечающими параметру порядка (П), сопряженному (С) ему полю и управляющему (У) параметру [7].
Использовать единственную степень свободы – параметр порядка, возможно для описания только квазистатического фазового превращения. В системах, значительно удаленных от состояния термодинамического равновесия, каждая из указанных степеней свободы приобретает самостоятельное значение. В них процессы самоорганизации складываются в результате конкуренции положительной обратной связи параметра порядка с управляющим параметром и отрицательной обратной связи с сопряженным полем. В результате, кроме процесса релаксации к равновесному состоянию в течение времени tp при участии двух степеней свободы может реализовываться автоколебательный режим, а при участии трех – возможен переход в хаотическое состояние [6, 7].
Таким образом, состояние термодинамических систем при интенсивной обработке и эксплуатации характеризуется несколькими режимами [8, 9]:
1) запоминания – который определяется «замороженным» беспорядком при переходе из неупорядоченного состояния и реализуется, когда время релаксации параметра порядка окажется намного меньше остального
2) релаксационный – реализуется, когда время релаксации параметра порядка намного превосходит время релаксации остальных степеней свободы
3) автоколебательный – требует соизмеримости характерных времен изменения параметра порядка и управляющего параметра или сопряженного поля
4) стохастический – характеризуется странным аттрактором и возможен при соизмеримости времени всех трех степеней свободы
Доминирующие процессы структурообразования определяются интенсивностью во времени переноса энергии и вещества в неравновесных термодинамических системах. Стабильность формирования структур обеспечивается управлением устойчивостью процессов интенсивной обработки и эксплуатации путем применения положительных и отрицательных обратных связей [9, 10].
Термическая обработка металлов
и поверхностные воздействия потоками энергии
Цель любого процесса термической обработки состоит в том, чтобы нагревом (или охлаждением при закалке холодом) до определенной температуры и последующим ее изменением обеспечить желаемое строение материала [1]. Режим термической обработки характеризуется следующими основными параметрами: температурой нагрева и временем выдержки при ней, скоростями нагрева и охлаждения материала [4].
Все виды термической обработки по А.А. Бочвару [2], разделены на четыре основные группы операций, которые, согласно синергетической концепции структурообразования, можно связать с режимами поведения термодинамической системы.
Режимы определяются временем релаксации tp: параметра порядка (П) при охлаждении, сопряженного (С) с ним параметра структурообразования и управляющего (У) термообработкой параметра – нагрева. Наличие двух степеней свободы определяет термический цикл, а трех – сопровождение цикла фазовыми переходами.
В результате реализуются группы операций термической обработки [2, 4]:
1) закалка – нагрев выше температуры превращения с последующим быстрым охлаждением для получения структурно-неустойчивого состояния;
2) отпуск – нагрев закаленного материала ниже температуры превращения с последующим охлаждением для получения более устойчивого структурного состояния;
3) отжиг первого рода – нагрев материала в неустойчивом состоянии после предшествовавшей обработки, с последующим медленным охлаждением, приводящий в более устойчивое структурное состояние;
4) отжиг второго рода – нагрев выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения структурно-устойчивого состояния.
Группы операций термической обработки могут быть связаны с режимами равновесия термодинамической системы [8, 9]. Из шести возможных состояний равновесия управляемой двухпараметрической системы не наблюдается только самое стабильное – устойчивый узел (УУ) [9].
Закалке соответствует режим ‒ неустойчивый узел (НУ). Из этого, самого неустойчивого состояния, система через режим ‒ неустойчивый фокус (НФ) переходит в процессе отпуска или отжига первого рода к состояниям, характеризующимся режимами устойчивого фокуса (УФ) или предельного цикла (ПЦ). Фазовые превращения при отпуске второго рода после закалки переводят термодинамическую систему из состояния с режимом НУ в состояние, характеризующееся режимом неустойчивое седло (НС).
Рассмотренные режимы равновесных состояний термодинамической системы НУ и НС особенно ярко наблюдаются при интенсивной обработке (рис. 1). Так, образование модифицированной структуры титанового сплава на максимальной площади при электронно-лучевой поверхностной обработке характеризуется режимом НУ, трансформирующимся в предельный цикл. Формирование поверхности раздела границы плавления описывается режимом НС. Движения от поверхности раздела в противоположных направлениях путем теплопроводности и конвекции тепловых потоков стабилизируют состояние различных фаз системы [8, 9].
Изменение режимов состояния системы можно наблюдать по зависимости микротвердости структур от глубины поверхностных воздействий (см. рис. 1), которые характеризуются физико-химическими превращениями в поверхностном слое титановых сплавов с хромоникелевыми покрытиями [9, 10]. К изменению приводят химические реакции по глубине поверхностного слоя, растворение в твердом состоянии элементов покрытия, образование фаз эвтектического состава, оплавление поверхности покрытия, подплавление основы с образованием переходной зоны, формирование диффузионной зоны при электронно-лучевых воздействиях [8, 10].
Пластическая деформация
и обработка металлов давлением
Фазовые превращения, используемые при термической обработке, обусловлены, прежде всего, изменением температуры, однако, варьируя другим термодинамическим фактором – давлением, можно получать структурные превращения, которые не проявляются при неизменном давлении [1, 4].
Виды обработки материалов давлением, аналогично видам термической обработки можно согласно синергетической концепции структурообразования разделить на четыре основные группы операций, связанные с режимами поведения термодинамической системы [9, 11].
Режимы обработки давлением также определяются временем tp: параметра порядка (П) при релаксации (снятии напряжений), сопряженного (С) с ним параметра структурообразования и управляющего (У) механической обработкой параметра – давления. Две степени свободы определяют циклическое упрочнение, а три – стохастический наклеп и разрушение.
В результате выделяются процессы обработки металлов давлением, соответствующие различным участкам обобщенной кривой «деформация ‒ напряжение» [11]:
1) удар – локальное или всестороннее давление для формирования напряженного состояния и образования деформационных структур или разрушения;
2) релаксация напряжений – отсутствие давления после предварительного нагружения, сопровождающееся снятием внутренних напряжений и формированием более равновесных структур;
3) наклеп циклический – создание упрочняющих деформационных структур путем циклического формирования напряженного состояния в результате приложения и снятия нагрузки;
4) наклеп стохастический – создание упрочняющих деформационных структур путем апериодического формирования напряженного состояния в результате стохастического нагружения.
Процессы обработки давлением, также как и термические связаны с режимами равновесия термодинамической системы [9]. Результаты исследований механической обработки материалов показали, что возможны два режима равновесных состояний: неустойчивый узел и неустойчивое седло [8, 9]. При режиме НУ динамические параметры рабочей зоны технологической системы удаляются от положения равновесия. Система совершает апериодические самовозбуждающиеся движения, которые переходят в устойчивые автоколебания предельного цикла. В режиме НС при малых отклонениях динамические параметры системы удаляются от положения равновесия и приближаются в заданных направлениях к стабильным состояниям (рис. 2).
Анализ образования структур поверхностного слоя в процессе механической обработки, при исследовании влияния устойчивости динамических характеристик на формирование параметров качества, показал возможность использования режимов НУ при черновой обработке и позволил рекомендовать режимы НС для чистовой обработки поверхности [8, 9].]
Заключение
Таким образом, с позиций единого формализма, основанного на комплексном синергетическом подходе, представлены фазовые переходы и структурообразование в металлах и сплавах при термических операциях и обработке давлением [12].
Установлено, что время релаксации параметров порядка для процессов охлаждения материалов и релаксации напряжений, сопряженных им процессов структурообразования, управляющих параметров нагрева и давления определяет режимы поведения термодинамической системы.
На основе выделения характерного времени релаксации параметров порядка для процессов охлаждения материалов и релаксации напряжений определены группы операций термической и механической обработки давлением, связанные со структурообразованием в материалах.
Показаны перспективы интенсификации процессов структурообразования при обработке материалов, реализующие целесообразное сочетание управляющих параметров и рациональные режимы нагрева и деформационных воздействий при комбинированной термомеханической обработке.
