Вплив імпульсної плазмової обробки на мікротвердість сталі 40X10C2M: експеримент і чисельне моделювання

doi:10.26565/2312-4334-2021-3-16

Микола О. Савінков Азовський морський інститут НУ «OMA», Маріуполь, Україна https://orcid.org/0000-0003-0549-7127
Олег М. Буланчук Донецький державний університет управління, Маріуполь, Україна https://orcid.org/0000-0002-2801-2244
Олександр А. Бізюков Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0003-0192-5219

DOI: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2021-3-16

Ключові слова: плазмова обробка, модифікований шар, мікротвердість, мікроструктура, v, плавлення і затвердіння, швидкість охолодження розплаву

Анотація

В роботі вивчаються експлуатаційні характеристики сталі 40X10C2M, що застосовується для виготовлення елементів силових установок судна, після високоенергетичної імпульсної плазмової обробки. Для цього використовувався електротермічний плазмовий прискорювач, в камері якого ініціювався потужнострумовий імпульсний дуговий розряд високого тиску з параметрами: тривалість розряду - 1,4 мс, максимальний струм - 5 кА, напруга розряду до 5кВ. Досліджується мікротвердість і мікроструктура обробленого (модифікованого) шару. Визначено оптимальні параметри обробки сталі, які забезпечують найкращі характеристики модифікованого шару: мікротвердість збільшується в ≈ 5 разів. Виявлено максимуми мікротвердості в глибині модифікованого шару. Вивчаються можливість управління локалізацією максимумів, як способу формування потрібних експлуатаційних характеристик обробленого шару. Виконано математичне моделювання швидкого імпульсного нагріву поверхневого шару сталі в рамках двофазної моделі "розплав - тверде тіло" з урахуванням динаміки термодинамічних характеристик сталі. Для цього використовувалося класичне рівняння теплопровідності зі змінними параметрами сталі: густиною, теплоємністю і коефіцієнтом теплопровідності при переході речовини з рідкої в тверду фазу. В рамках обраної математичної моделі були зроблені чисельні розрахунки явища швидкого імпульсного нагріву поверхні сталі з урахуванням плавлення і затвердіння в пакеті Comsol Multiphysics з використанням методу скінчених елементів. Отримано добре узгодження результатів чисельного моделювання з отриманим в експерименті розподілом мікротвердості обробленого шару сталі вглиб зразка.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

Y. Zhao, B. Gao, G.F. To, S.W. Li, S.Z Zhao, and C. Dong, Applied Surface Science. 257, 3913 (2011), https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2010.11.118

A.D. Pogrebnjak, and Y.N. Tyurin, Physics-Uspekhi. 48(5), 487 (2005), http://dx.doi.org/10.1070/PU2005v048n05ABEH002055

A.D. Korotaev, Surface and Coatings Technology. 185 (1), 38-49 (2004), https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2003.11.021

A.A. Skvortsov, S.G. Kalenkov, and M.V. Koryachko, Письма в ЖТФ [Letters in ZhTF], 40(18), 24 (2014). (in Russian)

E.V. Haranzhevskiy, D.A. Danilov, M.D. Krivilyov, and P.K. Galenko, Mater. Sci. Eng. A. 375, 502 (2004), https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.040

A.G.M. Pukasiewicz, Jr.P.R. C. Alcover, A.R. Capra, and R.S.C. Pаredes, Journal of Thermal Spray Technology, 23(1-2), 51 (2014), https://doi.org/10.1007/s11666-013-0001-1

Y.D. Shitsyn, D.S. Belinin, S.D. Neulybin, and P.S. Kuchev, Modern Applied Science. 9(6), 64-75 (2015), https://doi.org/10.5539/mas.v9n6p64.

E.S. Vaschuk, E.A. Budovsky, S.V. Raykov, and V.E. Gromov, Фундаментальные проблемы современного материаловедения [Fundamental problems of modern Materials Science]. 10(1), 68-71 (2013). (in Russian)

D. Karthik, S. Kalainathan, and S. Swaroop, Surface and Coatings Technology, 278, 138 (2015), DOI:10.1016/j.surfcoat.2015.08.012

E.A. Ochoa, D. Wisniveski, T. Minea, M. Ganciu, C. Tauziede, P. Chapon, and F. Alvarez, Surface and Coatings Technology, 203(10-11), 1457 (2009), https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.11.025

V.D. Sarychev, S.V. Konovalov and B.B. Haimzon, Известия вузов. Чёрная металлургия [News of universities. Ferrous metallurgy]. 8, 52 (2011). (in Russian)

S. Alavi, M. Passandideh-Fard, and J. Mostaghimi. Journal of Thermal Spray Technology. 21, 248 (2012), https://doi.org/10.1007/s11666-012-9804-8.

D.N. Trushnikov, D.S. Belinin, and Yu.D. Schitsyin, Современные проблемы науки и образования [Modern problems of science and education]. 2, 95 (2014). (in Russian), http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=12706

H. Qu, Ch. Wang, X. Guo, and A. Mandelis. Journal of Applied Physics. 104(11), 113518 (2008), https://doi.org/10.1063/1.3035831.

V.S. Verkhoribov, Yu.S. Korobov, S.V. Nevezhin, Yu.D. Shutsyn, and I.A. Gilev, Master's Journal. 1, 81 (2015). (in Russian)

W. Piekarska, and M. Kubiak. Applied Mathematical Modelling, 37(4), 2051 (2013), https://doi.org/10.1016/j.apm.2012.04.052

F.Kh. Mirzade, V.G. Niziev, V.Ya. Panchenko, M.D.Khomenko, R.V.Grishaevm, S.Pityana, and Corney van Rooyen, Physica B: Condensed Matter, 423, 69 (2013), https://doi.org/10.1016/j.physb.2013.04.053

Yu.E. Kolyada, A.A. Bizyukov, O.N. Bulanchuk, and V.I. Fedun, PAST, Series: Plasma Electronics and New Methods of Acceleration, 4(98), 319 (2015), https://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2015_4/article_2015_4_319.pdf

C. Bonacina, G. Comini, A. Fasano, and M. Primicerio, International Journal of Heat and Mass Transfer. 16, 1825 (1973), https://doi.org/10.1016/0017-9310(73)90202-0

A. I. Volkov, and I. M. Zharvsky, Большой химический справочник [Big chemical reference book], (Soviet School, Moscow, 2005), pp.608. (in Russian)

N.A. Savinkov, and Yu.E. Kolyada, Вісник Приазовського державного технічного університету: Збірник наукових праць [Bulletin of the Priazovsky State Technical University: Collection of scientific works], 29, 70 (2014). (in Russian).

I.K. Razumov, Yu.N. Gornyostrev, and M.I. Katsnelson, Физика металлов и металловедение [Metal physics and metal studies], 118(4), 380 (2017). (in Russian)