Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Исследование образования металлической связи при получении биметаллов на основе кинетики взаимодействия атомов

Диссертация: Исследование образования металлической связи при получении биметаллов на основе кинетики взаимодействия атомов
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Результаты работы были представлены на III Научно-практической конференции «Проблемы механики и материаловедения» (Ижевск, 2006) — 7-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2007) — IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008) — V Международной… Читать ещё >

Содержание

  • Глава 1. Соединения между разнородными металлическими материалами
    • 1. 1. Области применения и требования, предъявляемые к биметаллическим соединениям
    • 1. 2. Физико-химические процессы при образовании биметаллических соединений
    • 1. 3. Методы анализа и расчета основных характеристик зон соединения в биметаллах
  • Выводы по главе
  • Глава 2. Методы молекулярной динамики и Монте-Карло в
  • приложении к исследованию межатомной кинетики в биметаллах
    • 2. 1. Определение энергии активации диффузии, самодиффузии и коэффициента диффузии методом молекулярной динамики
    • 2. 2. Использование метода Монте-Карло для расчетов характеристик атомно-молекуляроного ансамбля биметаллических соединений
    • 2. 3. Потенциалы взаимодействия
  • Выводы по главе
  • Глава 3. Разработка программного комплекса для расчета основных параметров биметаллических соединений
    • 3. 1. Концепция построения программного комплекса
    • 3. 2. Структура входных данных
    • 3. 3. Определение потенциала взаимодействия и внутренней энергии
    • 3. 4. Расчет коэффициента диффузии и энергии активации
  • Выводы по главе
  • Глава 4. Апробация разработанной математической модели
    • 4. 1. Образцы биметаллических соединений
    • 4. 2. Методы получения образцов 97 4.3 Исследование образцов методами сканирующей оптической и зондовой микроскопии
    • 4. 4. Разработка методики определения размеров переходной зоны методом термоэлектродвижущей силы (термо ЭДС)
    • 4. 5. Микрорентгеноспектральный анализ
  • Выводы по главе

Исследование образования металлической связи при получении биметаллов на основе кинетики взаимодействия атомов (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Освоение углеводородов и других полезных ископаемых привело к цепной реакции развития человечества.

Каждый день возникает потребность в новых более совершенных материалах, а так же в их усовершенствовании (увеличении предела текучести, пластичности износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.). Между тем, природные запасы некоторых металлов очень малы, что делает их редкими и дорогостоящими.

Сократить использование редких дорогостоящих металлов, при этом производя необходимое для обеспечения нарастающего спроса количество изделий с использованием этих металлов, позволяют биметаллические конструкции.

Биметалл представляют собой два разнородных металла или сплава неразрывно соединенных между собой на атомарном уровне путем диффузии. Основной металл несет на себе нагрузку конструкции (изделия), а плакирующий слой, в хим. состав которого входят дорогостоящие металлы, контактирует с рабочей поверхностью. Таким образом, изделие из биметалла экономит свыше 90% дорогостоящего материала.

Отличительной особенностью биметалла от двухслойных конструкций является наличие атомарных связей [1].

Изучением процессов получения биметаллических конструкций занимаются многие институты и ученые по всему миру. В нашей стране этими вопросами занимались и занимаются такие ученые как: К. Е. Чарухина, С. А. Голованенко, В. А. Мастеров, Н. Ф. Казаков, В. Р. Рябов, В. И. Лысак, И. Е. Лапин, Ю. А. Гордополов, Л. Б. Первухин, В. Б. Дементьев, С. Д. Соловьев и многие другие.

Стоит отметить огромный накопленный опыт по производству биметаллов и происходящих при этом процессов.

Однако, несмотря на внушительный опыт, на сегодняшний день невозможно точно предсказать качество сварного соединения (взаимная растворимость, коэффициент диффузии, структура и т. д.), если химический состав одного из соединяемых материалов был изменен. Для этого необходимо изготовить образец, а затем провести ряд испытаний, что влечет за собой массу потерь по времени, трудозатратам и финансовым составляющим. Это один из основных факторов сдерживающих появление новых биметаллических конструкций с новыми металлами и сплавами.

Очевидно, что на сегодняшний день недостаточно использования существующих методов определения физико-химических процессов, в основе которых расчет и определение характеристик происходит на микро и макро уровнях. Для уменьшения трудозатрат, времени и финансовых составляющих необходимо переходить на атомарный (нано) уровень измерения с описанием и созданием новых моделей и методов определения физико-химических процессов, протекающих при образовании биметаллических соединений и многокомпонентных материалов.

Цель работы — исследование образования металлической связи при получении биметаллов на основе кинетики взаимодействия атомов.

Задачи.

1. Исследовать биметаллические соединения многокомпонентных материалов с металлической связью;

2. Определить условия взаимодействия энергетических оболочек атомов металлов при образовании металлических связей;

3. Разработать математическую модель взаимодействия атомов в многокомпонентных материалах (далее ММВАММ), учитывающую образование межатомных связей металлов и сплавов;

4. Разработать программный комплекс на основе ММВАММ для расчета энергии активации диффузии и коэффициента диффузии элементов участвующих в образовании биметаллического соединения;

5. Разработать методику определения размеров переходной зоны биметаллов методом термо-ЭДС.

Научная новизна.

1. Разработаны математическая модель взаимодействия атомов в многокомпонентных материалах и программный комплекс на ее основе для расчета коэффициента диффузии и энергии активации атомов химических элементов металлов и сплавов.

2. Впервые расчетным путем были получены коэффициенты диффузии и энергии активации атомов химических элементов Ag, Си, Fe, Со, Ni, Сг.

3. Разработана новая методика определения размеров переходной зоны биметаллов на основе термо-ЭДС.

Практическая значимость.

Данная модель позволит прогнозировать характеристики новых (проектируемых) биметаллических конструкций, а так же поможет выбрать оптимальное сочетание легированных элементов и режимов соединения при изготовлении биметаллических и многослойных конструкций.

Созданный программный комплекс может быть использован государственными корпорациями для получения биметаллических соединений с особыми свойствами.

Созданный программный комплекс дает возможность проведения экспресс анализа по подбору соединяемых материалов отвечающих заданный параметрам, с учетом экономического положения и цен на металлы, с целью уменьшения себестоимости производимых аппаратов для переработки углеводородов.

Апробация результатов исследования.

Результаты работы были представлены на III Научно-практической конференции «Проблемы механики и материаловедения» (Ижевск, 2006) — 7-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2007) — IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008) — V Международной научно-практической конференции и выставке «НАНОТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВУ 2008» (Фрязино, 2008).

Публикации.

Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в восьми научных трудах, в т. ч. 1 работа опубликована в журнале «Химическая физика и мезоскопия» рекомендованном ВАК России.

Автор выражает особую признательность научному руководителю, д.т.н., ст.н.с. В. Б. Дементьеву (ИПМ УрО РАН) — благодарность за изготовление образцов биметаллических конструкций д.т.н., профессору Л. Б. Первухину (ИСМАН) и к.т.н. С. Д. Соловьеву (ИжГТУ), а так же за содействие в проведении испытаний д.т.н., профессору В. Я. Баянкину (ФТИ УрО РАН).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 130 страницах, 41 рисунков, 6 таблиц, и содержит библиографию из 91 наименования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

• На основе кинетики взаимодействия атомов на границе соединения материалов при получении биметаллов определены условия образования металлической связи — сумма эффективных атомных радиусов должна быть больше расстояния между центрами атомов.

• Разработаны математическая модель взаимодействия атомов в многокомпонентных материалах и программный комплекс на ее основе для расчета коэффициента диффузии и энергии активации атомов химических элементов металлов и сплавов.

• Впервые расчетным путем определены: величина энергии активации и коэффициенты диффузии химических элементов биметаллов 12ХМ+12Х18Н10Т и ВЗК+ Э8ХНЗМФА и определена ширина переходного слоя в данных биметаллах.

• Разработана методика определения размеров переходной зоны биметаллов методом термо-ЭДС и определены экспериментально ширина зоны с металлической связью биметаллов 12ХМ+12Х18Н10Т и ВЗК+ З8ХНЗМФА с погрешностью менее 4%.

• Определено распределение концентрации химических элементов переходного слоя биметаллических конструкций 12ХМ+12Х18Н10Т и ВЗК+ З8ХНЗМФА, на основе микрорентгеноспектрального анализа, что согласуется с расчетными данными.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Производство биметаллических труб и прутков / Под ред. В .Я. Остренко М.: Металлургия, 1986. 240 с.
  2. Словарь-справочник по сварке / Под ред. К. К. Хренова. Киев: Наукова думка, 1974. 195 с.
  3. С.А. Сварка прокаткой биметаллов. М.: Металлургия, 1977. 160 с.
  4. В.К. К электронной теории строения жидких металлов. М.: Наука, 1964. 235 с.
  5. С.Д., Дементьев В. Б. Кинетика образования межатомных связей в биметаллах. Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2006. С. 152.
  6. А.Е., Шоршоров М. Х., Веселков В. Д., Новосадов B.C. Плазменная наплавка металлов. М.: Машиностроение, 1969. 192 с.
  7. И.Е., Маркова И. Ю., Екатова А. С. Металловедение пайки. М.: Металлургия, 1976. 264 с.
  8. Ю.С., Сидихин Ю. Ф. Вопросы формирования паяного шва. М.: Машиностроение, 1973. 136 с.
  9. А.Е., Сютьев А. Н. Исследование образования прослоек в зоне сплавления при взаимодействии жидких медных сплавов со сталью // Автоматическая сварка. 1971. № 12. С. 18−21.
  10. B.C., НуждинА.А., Шоршоров М. Х. Анализ уравнения гетерогенной диффузии примеси в процессах взаимодействия твердой и жидкой фаз // Физика и химия обработки материалов. 1968. № 1. С. 42−48.
  11. Ю.М., Троцан А. Н., Милославский А. Г. и др. Влияние условий получения биметалла на структуру диффузионной зоны // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1986. № 3. С. 114−117.
  12. В.Р., РабкинД.М., КурочкоР.С., Стрижевская Л. Г. Сварка разнородных металлов и сплавов. М.: Машиностроение, 1984. 239 с.
  13. С.Д. Кинетическая модель образования биметаллических материалов // Тез. докл. Конф. мол. уч. «Численные методы в математике и механике». Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2007. С.87−88.
  14. А.А., Михайлова М. М. Критерии диспергирования при жидкофазном взаимодействии в процессе пайки // Сварочное производство. 1995. № 4. С. 11−13.
  15. Н.Ф. Диффузионная сварка в вакууме. М.: Машиностроение, 1968. 331 с.
  16. С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1978. 567 с.
  17. Я.С., Финкелыптейн Б. Н., Блантер М. Е. и др. Физические основы металловедения. М.: Металлургия, 1955. 724 с.
  18. С.З. Диффузия и структура металлов. М.: Металлургия, 1973. 208 с.
  19. М.В. Структура границ зерен в металлах / Пер. с польс. / Под ред. M.JI. Бернштейна. М.: Металлургия, 1972. 160 с.
  20. С.Д., Дихтяр И. Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе. М.: Физматгиз, 1960. 256 с.
  21. Л.Н., Рябов В. Р., Фальченко В. М. Диффузионные процессы в твердой фазе при сварке. М.: Машиностроение, 1975. 192 с.
  22. С.Д., Кораблев Г. А., Кодолов В. И. Расчет энергии активации объемной диффузии и само диффузии элементов в твердых телах // Химическая физика и мезоскопия. 2005. Т. 7, № 1. С. 31−40.
  23. С.Д., Кораблев Г. А. Физико-химические основы образования биметаллических соединений // Вестник ИжГТУ. 2006. № 1. С. 34−39.
  24. Г. А., Соловьев С. Д., Дементьев В. Б. Растворимость компонентов в металлической системе Co-W-Ni-Cr-Fe // Химическая физика и мезоскопия. 2004. Т. 6, № 1. С. 28−40.
  25. М.Х., Ерохин А. А., Чернышева Т. А. Горячие трещины при сварке жаропрочных сплавов. М.: Машиностроение, 1973. 224 с.
  26. В.Н. Сварные соединения разнородных сталей. М.: Машиностроение, 1984. 239 с.
  27. Д.В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике. М.: Наука, 1990. 175 с.
  28. С.К., Рябенький B.C., Разностные схемы. М.: Наука, 1973. 440 с.
  29. W., Parker К. «Monte Carlo equation of state of molecules interacting with the Lennard-Jones potential» // Chem. Phys. 1957. Vol. 27. C. 720.
  30. Дефекты в кристаллах и их моделирование на ЭВМ / Под ред. А. Н. Орлова: сб. статей. Л.: Наука, 1980. 213 с.
  31. В. Компьютерное моделирование взаимодействия частиц с поверхностью твердого тела. М.: Мир, 1995. 319 с.
  32. Daw M.S., Baskes M.L. «Atomic Scale Calculations in Materials Science» // Phys. Rev. Lett. 1983. Vol.50. P. 1285.
  33. У. Псевдопотенциалы в теории металлов. М.: Мир, 1968. 366 с.
  34. В., Коэн М., Уэйр Д. Теория пвсевдопотенциала. М.: Мир, 1973. 557 с.
  35. Г. Л., Махновецкий А. Б. Метод пвсевдопотенциала и проблема упорядочения сплавов // ФТТ. 1973 .Т. 15. С. 3114−3116.
  36. Дж. Методы самосогласованного поля для молекул и твердых тел. М.: Мир, 1978. 347 с.
  37. Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978. 792 с.
  38. С.С., Расторгуев Л. Н., Скаков Ю. А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. Приложения. М.: Металлургия. 1970. 107 с.
  39. К.Дж. Металлы : справочник. М.: Металлургия. 1980. 447 с.
  40. А.Н., Трушин Ю. В. Энергии точечных дефектов. М.: Энергоатомиздат. 1983. 82 с.
  41. Вол А. Е. Строение и свойства двойных металлических систем: справ, рук. в 4-х томах М.: Физматгиз. 1962. 756 с.
  42. М., Андреко К. Структурные свойства двойных сплавов : Справ, в 2-х томах М.: Металлургия. 1962. 1488 с.
  43. Р.П. Структуры двойных сплавов / Под ред. М. И. Новикова и И. Л. Рогельберга: справ, в 2-х томах М.: Металлургия. 1970. 928 с.
  44. М.А., Старостенков М. Д. Расчет равновесных свойств металлических систем в квазиклассическом приближении. Деп. в ВИНИТИ. 1984. № 3712−84. 31 с.
  45. М.А., Старостенков М. Д. Квазиэлектростатический подход к описанию металлических систем / Препринт. Барнаул: Изд-во АлтГТУ 1998. 40 с.
  46. B.C. Теория изоморфной смесимости. М.: Наука, 1977. 265 с.
  47. Е.С. Анализ межатомных связей в металлах на основе максимального и минимального радиусов атома // Известия вузов. Черная металлургия, 2008. № 9. С.3−6.
  48. Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1984. 360 с.
  49. Г. Н. Строение металлов деформированных взрывом. М.: Металлургия, 1988. 280 с.
  50. М.Л. Структура деформированных металлов. М.: Металлургия, 1977. 431 с.
  51. М.Л., Займовский В. А. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1979. 495 с.
  52. A.M., Гецов Л. Б. Релаксация напряжений в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1978. 256 с.
  53. Т.А., Жегина И. П. Анализ изломов при оценке надежности материалов. М.: Машиностроение, 1978. 199 с.
  54. А.С. Основы сварки давлением. М.: Машиностроение, 1970. 312 с.
  55. Н. И. Кузьмин С.В. Сварка взрывом. М.: Машиностроение, 2005. 544 с.
  56. К.Е., Голованенко С. А., Мастеров В. А., Казаков. Н. Ф. Биметаллические соединения. М.: Металлургия, 1970. С. 116−117.
  57. Ю.А., Первухин Л. Б., А.Д. Чудновский. Сварка взрывом. М.: Машиностроение, 1987. 216 с.
  58. И.Д. Сварка металлов взрывом. Минск.: Наука и техника, 1990. 205 с.
  59. А.А. Физика упрочнения и сварка взрывом. Новосибирск: Наука, 1972. 188 с.
  60. Л.Н. Плоское шлифование / Под ред. В. И. Муцянко. Л.: Машиностроение, 1985. 109 с.
  61. М.Е., Дементьев В. И., Дмитриев В. Л. Технология машиностроения. М.: Высшая шк., 1976. 534 с.
  62. А.А. Физика упрочнения и сварка взрывом. Новосибирск: Наука, 1972. 188 с.
  63. Ю.Б. Опыт освоения импульсной МИГ // Сварка в Сибири. 2002. № 2. С. 10−15.
  64. С.Д., Дементьев В. Б. Исследование структуры и фазового состава слоев, наплавленных из порошковых компонентов твердых сплавов // Химическая физика и мезоскопия. 2004. Т. 6, № 1. С. 90−99.
  65. В.К., Рыбаков Д. В., Страхов В. А. О восстановлении и упрочнении деталей арматуры и вспомогательного оборудования ТЭС // Энергетик. 1998. № 10. С. 28−29.
  66. Фрумин ИИ, Юзвенко Ю. А., Лейначук Е. И. Технология механизированной наплавки. М.: Высшая школа, 1964. 306 с.
  67. А. Е. Шоршоров М.Х., Веселков В.Д, Новосадов B.C. Плазменная наплавка металлов. М.: Машиностроение, 1969. 192 с.
  68. В.В., Иванов В. М. Нанесение плазмой тугоплавких покрытий. М.: Машиностроение, 1981. 192 с.
  69. С.Д. Кинетика взаимодействия разнородных сплавов на межфазной границе при центробежной электродуговой наплавке // Химическая физика и мезоскопия. 2004. Т. 6, № 1. С. 100−114.
  70. В.А., Китаев Ф. И., Цидулко А. Г. и др. Остаточные напряжения в покрытиях плазменного напыления, нанесенных на внутреннюю поверхность кольца// Сварочное производство. 1981. № 5. С. 11−13.
  71. Дж., Шредер П. А. Термоэлектродвижущая сила. М.: Металлургия, 1980. 275 с.
  72. Г. Д. Современные методы исследования структуры металлов. С.-Пб.: Изд-во СЗПИ, 1997. 60 с.
  73. B.C. Центробежная электрошлаковая наплавка заготовок биметаллических подшипников скольжения. Сварочное производство Удмуртии / Под ред. B.C. Штенникова, В. П. Ильина: науч.-техн.сб. Ижевск: Изд-во ИжГТУ. 1997. С. 47−49.
  74. В.Н., Ваган А. В. Особенности образования износостойкого слоя при центробежной индукционной наплавке сплава сормайт // Автоматическая сварка. 1974. № 12. С. 42−44.
  75. Производство биметаллических труб и прутков / Под ред. В. Я. Остренко М.: Металлургия, 1986. 240 с.
  76. .В. Технология металлов. М.: Металлургия, 1978. 880 с.
  77. А.Г., Сафонов А. Н. Методы поверхностной лазерной обработки / Под ред. А. Г. Григорьянца. М.: Высшая школа, 1987. 191 с.
  78. Сварка в машиностроении / Справочник в 4 томах / Под ред. Н. А. Ольшанского. М.: Машиностроение, 1978. Т.1. 504 с.
  79. Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1990. 478 с.
  80. Методика неразрушающего контроля металлов и сплавов прибором Термотест. Томск: НПК «РИПС», 2000. 11 с.
  81. Е.О., ЕфименкоЛ.А. Оценка структурного состояния и неоднородности сварных соединений трубных сталей методом термо-э.д.с. // Территория нефтегаз. 2008. № 4. С. 34−39.
  82. И.А. Влияние холодной пластической деформации и отжига на структура и свойства металлов. Екатеринбург: ИПЦ «Издательство УрГУ», 2004.51 с.
  83. Ю.В., ФруминИ.И. Жаропрочные сплавы для армирования фаски клапана двигателя внутреннего сгорания // Автоматическая сварка. 1972. № 11. С. 49−51.
  84. А.А. Справочник термиста. М.: Машгиз, 1961. 392 с.
  85. С.Б. Применение микрорентгеноспектрального анализа. М.: Металлургия, 1968. 110 с.
  86. JI.A., Прыгаев А. К., Елагина О. Ю. Металловедение и термическая обработка сварных соединений. М.: Логос, 2007. 456 с.
  87. А.Г., Алымов М. И. Особенности свойств наноматериалов и основные направления их использования // Перспективные материалы. 2006. № 5. С 1−2.
  88. .С., Векслер Ю. Г., Дроздовский Б.А., JI.M. Капуткина и др. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна / справ изд. в 3-х томах. М.: Инструмент инжиниринг, 2004. Т. З С. 640−645.
  89. А.Е. О процессах растворения и диффузии на межфазной границе при взаимодействии разнородных металлов // ГореликАвтоматическая сварка. 1976. № 12. С. 15−19.
  90. В.Н., Пушкин Д. В. Кристаллохимические радиусы и координатные числа атомов / Уч. пособие. Самара: Изд-во Сам. ун-та, 2004. 61 с.
  91. А.В. Вахрушев, A.M. Липанов. Моделирование физико-механических процессов порошковых прессованных металлокомпозитов / Ижевск: Изд-во ИПМ УрО РАН, 2003. 278 с.
Заполнить форму текущей работой

На отлично!