Дендритная структура

9. Гурьев А. В., Савкин А. Н. О влиянии кратковременных циклических перегрузок на усталостную прочность и демпфирующую способность углеродистых сталей.— Пробл. прочности, 1978, № 7, с. 17—22.

Порядок проведения экспериментов. Чтобы подкрепить теоретические выводы о характере работы самоустанавливающейся опоры при различных величинах затяжки пружин, т. е. различных величинах силу сухого трения в демпфере, были замерены с помощью индукционных датчиков прогибы ротора под диском и перемещения в демпфере при различных величинах затяжки пружин: от Рзат = 0, т. е. при отсутствии затяжки, до Ртах = 420 кГ, что соответствует силе трения Fmp = 60 кГ, при которой ни на одном режиме работы ротора не наблюдалось перемещений в демпфере. Во всех экспериментах величина эксцентриситета (дисбаланс диска) поддерживалась постоянной, равной 0,01 см, т. е. была достаточно большой. Это позволило уверенно изучить демпфирующую способность демпфера сухого трения, пренебречь демпфирующей способностью шариковых подшипников и влиянием на картину изменения прогибов зазоров в опорах, которые, хотя и были малыми, но все же существовали.

Силы трения, возникающие при перемещениях колец, обусловливают высокую демпфирующую способность кольцевых пружин. Примерно 60% энергии, воспринимаемой пружиной за цикл нагружеиия, переходит в необратимую работу трения и рассеивается в виде тепла в окружающую атмосферу. По существу кольцевая пружина представляет собой совмещение пружины и фрикционного катаракта демпфера. Кольцевые пружины незаменимы при периодических ударных нагрузках, когда необходимо, наряду

механических колебаний при повторно-переменных нагрузках и превращать ее в тепло. Особенно большое значение демпфирующая способность имеет для изделий, работающих при периодических нагрузках, частота которых близка к резонансу. Наибольшую демпфирующую способность имеет серый чугун. Повышение компактности графитных включений повышает упругие свойства чугуна, но снижает его циклическую вязкость. У ковкого чугуна демпфирующая способность ниже, чем

веденными моментами инерции масс кинематической цепи до муфты ^ и после муфты с2, с постоянной жесткостью муфты и связывающего вала сие относительным рассеянием энергии колебаний ф (характеризует демпфирующую способность муфты и равно отношению рассеиваемой энергии к энергии упругой деформации за цикл колебаний).

По вопросу о влиянии напряжения на демпфирующую способность материалов существуют различные точки зрения. Одни исследователи считают, что напряжение влияет на демпфирующую способность, другие исследователи придерживаются противоположных взглядов. Такое положение объясняется тем, что согласно вышеизложенному рассеяние энергии колебаний в материале зависит от причин, проявляющихся по-разному в зависимости от различных условий. При сравнительно высоких напряжениях (как, например, у лопаток турбин), возникает местная пластическая деформация, протекающая в отдельных зернах. Наряду с этим для ферромагнитных материалов на их демпфирующую способность влияет ферромагнитное состояние материала, в особенности магнитомеханический гистерезис (смещение границ самопроизвольно намагничивающихся ферромагнетиков— «доменов»). Рассеяние энергии колебаний, обусловленное двумя указанными факторами, почти не зависит от частоты и увеличивается с ростом амплитуды напряжения. При малых же напряжениях влияние локальной пластической деформации и ферромагнитных свойств слабо проявляется. Здесь имеют решающее значение диффузионный и термоупругий эффекты. Рассеяние энергии колебаний, обусловленное этими процессами, зависит от частоты и почти не зависит от амплитуды колебаний. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что внутреннее трение при сравнительно больших напряжениях зависит от амплитуды.

О. Т. Башта [2] также исследовала демпфирующую способность консольно зажатых призматических стержней из сталей Ст2, СтЗ и ЭИ961 для первых трех форм колебаний при изгибе. Опыты были проведены методом свободных, затухающих колебаний.

Пользуясь результатами большого числа исследований [14, 44, 70, 85, 90], можно прийти к заключению, что термическая обработка, существенно влияя на изменение структуры сталей, изменяет их демпфирующую способность. Это справедливо как для малоуглеродистых сталей, так и для сталей со значительным содержанием углерода [90]. Для крупнозернистых структур демпфирующая способность стали выше, чем для мелкозернистых. Опыты со сталями нескольких марок (1X13, 2X13, ЭИ-10, ЭИ-123 и др.) на образцах в исходном состоянии с закалкой и отпуском при 400 и 600ПС и отжиге провел В. С. Гонткевич [16]. Им, в частности, показано, что при закалке резко снижается демпфирующая способность сталей.

В 1954 г. было опубликовано экспериментальное исследование II. Н. Моргуновой о влиянии поверхностного наклепа на демпфирующую способность сталей 1X13 и ЭИ-69 после различных режимов термической обработки. Для стали 1X13 результаты ее исследования сводятся к следующему: если исходная величина демпфирующей способности вибрирующей детали велика (после высокотемпературных отпусков), то поверхностный наклеп существенно снижает ее, если же демпфирующая способность детали в исходном состоянии мала (после закалки и низкотемпературных отпусков), то поверхностный наклеп несколько повышает ее.

Дробеструйный наклеп стали ЭИ-69 незначительно снижает ее демпфирующую способность. После обкатки образцов из этой стали роликами ее демпфирующая способность снижается и тем значительнее, чем выше напряжение при изгибе.

В. С. Гонткевичем [16] было исследовано влияние термической обработки разных марок лопаточных сталей на рассеяния энергии колебаний. Были взяты образцы в исходном состоянии и нагреты до 300°С (выдержка 3—4 ч) для снятия искажений решетки зерен. Затем образцы нагревались до 600°С для выявления влияния рекристаллизации. При нагреве до 100—130°С в течение 30 мин демпфирующая способность стали не изменилась. Минимальную демпфирующую способность образцы имели после нагрева до 300°С, когда искажения решетки зерен были сняты. Затем под влиянием рекристаллизации происходило некоторое увеличение демпфирующих свойств, но после хранения образцов при нормальной температуре в течение года их демпфирующая способность снизилась настолько же, на сколько она снизилась при нагреве до 300°С. Исследования позволили В. С. Гоиткевичу [16] сделать следующие выводы:

Бронзы, особенно двухфазные, обладают высокими антифрикционными свойствами. Это объясняется тем, что при затвердевании в них образуется резко выраженная дендритная структура (рис. 171, а), причем в осях дендритов содержится олова меньше, чем в межос-ных пространствах, являющихся

Такая дендритная структура характерна для металлических слитков. В структуре различают три зоны дендритов: / — поверхностная зона, состоящая из разнообразно ориентированных мелких дендри-

Горячая обработка оказывает положительное влияние на макро-и микроструктуру: увеличивается плотность металла, завариваются имеющиеся в нем усадочные раковины, пустоты и газовые пузыри, уничтожается дендритная структура и т. д.

первичная структура (рис. 12.12,6). Отдельная ячейка, оказавшись впереди своих соседей, начинает быстрее расти и развиваться. По мере развития этого процесса выступ превращается в иглу, на игле образуются ветви, а эти ветви, в свою очередь, служат основой для следующих ветвей. Образуется ветвистая дендритная структура.

структура также ячеистая, а в центре шва возможно образование дендритной структуры. Ячеис-то-дендритная структура обра-Ячеистая зуется при значительном содержании примесей и существенном уда---------------— лении зоны, максимального концентрационного переохлаждения

В 1998 г. произошли разрушения спецфланцев (адаптеров) скважин № 326 и 636. Адаптеры изготовлены из стали Пгапиз 50 и эксплуатировались до образования сквозных трещин более 20 лет: адаптер фирмы РМС — в условиях воздействия газа, содержащего 4,47% сероводорода, а адаптер фирмы НиЬпег Уата§ — при воздействии газа с содержанием 1,47% сероводорода. Оба адаптера (рис. 5) имели по две диаметрально противоположные сквозные трещины, расположенные вдоль образующих цилиндрической части, а также каверны, лежащие на траектории трещин и вне их. Адаптер фирмы РМС имел третью несквозную трещину длиной около 1/3 высоты адаптера. Трещины распространялись от внутренней к наружной поверхности адаптеров. Изломы адаптеров прямые, хрупкие, многоочаговые, грубодендритные, в основном межкристаллит-ные. В адаптере фирмы РМС дендритная структура ориентирована радиально — от наружной поверхности адаптера к внутренней. Оси дендритов в металле адаптера фирмы НиЬпег Уатад в основном параллельны образующей цилиндрической части адаптера. Химический анализ показал пониженное по сравнению с нормативным содержание никеля в металле обоих адаптеров, что обусловило уменьшение содержания аустени-та, вызывающее склонность к образованию хрупкой а-фазы. В структуре металла адаптеров в зоне разрушения обнаружены поры и микротрещины. Микроструктура металла адаптера фирмы РМС аустенитно-ферритная. По границам зерен наблюдались выделения дисперсных и специальных карбидов. Микроструктура металла адаптера фирмы НиЬпег Уата§ аустенитно-ферритная с выделениями по границам продуктов эвтектоидной реакции Ме2зС6 + у' и ст-фазы. Твердость металла адаптеров превышала нормативные значения, а в примыкающих к флан-

Интересным фрактальным объектом является дендритная структура литого металла, как бы копирующая строение дерева. В усадочной раковине 100-тонного стального слитка Д.К. Чернов обнаружил дендрит длиной в 39 см (рисунок 2.9, а). Традиционно для количественного описания дендритной структуры используют параметр в виде расстояния между дендритами, зависящего от скорости охлаждения. Для дендритов характерна степень ветвления (рисунок 2.9, б). Она отражает фрактальную природу этого типа микроструктур, формирующуюся при таких условиях, когда направление роста ветвей дендрита контролируется направлением потока тепла, сопровождающимися переходами устойчивость - неустойчивость - устойчивость. Отмечена широкая область геометрических форм степеней локального порядка в дендритной структуре сплава. В настоящее время рост дендрита рассматривают с позиции контролирующего влияния на процесс роста диссииативной структуры. Компьютерный расчет дендритов и определение фрактальной размерности его структуры позволил отнести дендриты к классу фрактальных агрегатов Виттен-Сандера (рисунок 2.10) [12].

Интересным фрактальным объектом является дендритная структура литого металла, как бы копирующая строение дерева. В усадочной раковине 100-тонного стального слитка Д.К. Чернов обнаружил дендрит длиной в 39 см (рисунок 2.9, а). Традиционно для количественного описания дендритной структуры используют параметр в виде расстояния между дендритами, зависящего от скорости охлаждения. Для дендритов характерна степень ветвления (рисунок 2.9, 6). Она отражает фрактальную природу этого типа микроструктур, формирующуюся при таких условиях, когда направление роста ветвей дендрита контролируется направлением потока тепла, сопровождающимся переходами устойчивость - неустойчивость - устойчивость. Отмечена широкая область геометрических форм степеней локального порядка в дендритной структуре сплава. В настоящее время рост дендрита рассматривают с позиции контролирующего влияния на процесс роста диссипативной структуры. Компьютерный расчет дендритов и определение фрактальной размерности его структуры позволили отнести дендриты к классу фрактальных агрегатов Виттен-Сандера (рисунок 2.10) [12].

при условии 7"= 0,26...0,45 Г„л формируется дендритная структура. Поверхностная зона 3, образующаяся при Т = 0,45 7„л, характеризуется крупнозернистой структурой.

Различные дефекты (трещины, газовые пузыри, включения различной химической природы) и структурные явления, например литая структура (дендритная структура), ликвация и строчечная структура, при применении глубокого травления могут вырождаться, поэтому к результатам глубокого травления нужно подходить осторожно.

Эти формы ликвации являются причиной появления различных структур в стали. В стальных отливках возникает дендритная структура; образующийся в начале затвердевания кристаллический скелет обеднен фосфором, в то время как остальные участки обогащены им. Строчечная структура в кованой или катаной стали закономерно связана с распределением фосфора. Фосфид железа (FegP) появляется, если содержание фосфора очень велико или охлаждение вызывает сильную ликвацию фосфора. В стали это явление происходит лишь в редких случаях, фосфид железа преимущественно выделяется в составе фосфидной эвтектики. Вследствие низкой диффузионной подвижности фосфора возникшее после затвердевания распределение сохраняется неизменным. Таким образом, травление реактивом, выявляющим распределение фосфора, характеризует первичную структуру материала. Различные авторы указывали, что действие травителей для выявления первичной структуры связано с распределением кислорода в железе [16]. Можно предположить, что в стадях между