автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Демпфирующая способность колокольной бронзы и ее зависимость от структуры

Введение.

Глава 1 .Обзор литературы.

1.1 Выплавка оловянных бронз и их свойства.

1.1.1 Технология получения отливок.

1.1.2 Состав, структура и свойства колокольных бронз в отливках.

1.1.3 Модифицирование.

1.2 Структура и структурные превращения в сплавах системы Cu-Sn при термообработке.

1.2.1 Фазы в сплавах системы Cu-Sn в равновесном состоянии.

1.2.2 Неравновесные структуры и фазы в сплавах системы

Cu-Sn.

1.3 Вибрация колоколов.

Глава 2. Материал и методика исследований.

2.1 Материал.

2.1.1 Колокольные сплавы.

2.1.2 Изготовление колокольчиков.

2.2 Методика исследования.

2.2.1 Определение демпфирующей способности методом свободны" затухающих колебаний.

2.2.2 Металлографические исследования.

2.2.3 Метод рентгеноструктурного анализа.

2.2.4 Рентгеноспектральный микроанализ (РСМА).

2.2.5 Механические испытания.

2.2.6 Определение объективных акустических характеристик колокольчиков.

Глава 3. Результаты эксперимента.

3.1 Демпфирующая способность сплавов.

3.2 Металлографическое исследование бронз.

3.3 Рентгеновское исследование.

3.4 Механические свойства.

3.5 Объективные акустические характеристики колокольчиков.

3.6 Оценка погрешностей определения демпфирующей способности.

Анализ результатов и выводы.

Колокола на Руси - самобытные памятники духовной и материальной культуры. Само название «колокол» происходит от немецкого слова Clocke. Россия приняла колокола из Западной Европы; проделав большой исторический путь, они стали неотъемлемой частью жизни русского народа. Без них был немыслим ни один православный Храм, все события в жизни государства и Церкви освящались звоном колоколов. В колокола звонили для сбора народа при нашествии врагов, пожаре или других несчастиях (набат, всполох). В деревнях России в пургу днем и ночью звонили колокола, чтобы путники находили дорогу. На протяжении около полутора столетий, с конца 17 до начала 20 веков, поддужные колокольчики, являясь специфически русским явлением, играли заметную роль в народном быту. Искусно отлитые и подобранные по тону колокольчики издавали при езде «согласный» звон. Перезвон церковных колоколов, то радостный и заливистый, то торжественно-плавный, то томительно-скорбный, сопровождал каждый день человека.

В последнее время значительно увеличился интерес к колокололитейному производству, что можно объяснить появлением новых церковных приходов, монастырей, построением храмов, открытием церковных школ. Искусство литья церковных колоколов постепенно возрождается, колокола вновь поднимаются на звонницы.

Техника литья колоколов развивалась тысячелетиями, постоянно совершенствовалась и улучшалась. В настоящее время производством колоколов заняты десятки промышленных предприятий. При изготовлении колоколов применяются наиболее современные технологии, которые вписываются в рамки веками сложившихся методов, не нарушая их последовательности. Подобный подход применяется на колокольном производстве при заводе «ЗИЛ» в Москве, в колокольных мастерских Сарова, Тутаева, Каменск-Уральска.

Растет количество публикаций, посвященных производству колоколов; изучена закономерность формирования структуры в отливках в зависимости от режима литья и состава металла. Анализ литературных данных показал, что имеется множество работ, посвященных тонким структурным исследованиям колокольных бронз, фазовым превращениям при термическом воздействии на бронзы, но в них не рассмотрено, как влияет структура после различных режимов термической обработки на важные для колоколов эксплутационные свойства. Поэтому проведение исследований, посвященных влиянию структуры колокольных бронз, формируемой термической обработкой, на их эксплутационные свойства, в первую очередь на демпфирующую способность (внутреннее трение), имеет большое значение для практики колокольного производства.

Цель работы: установление оптимальной структуры колокольной бронзы, формируемой технологическими способами, в первую очередь, термической обработкой, обеспечивающей минимальный уровень демпфирующих свойств.

Задачами работы являются:

- Определение и исследование закономерности влияния различных видов термической обработки на структуру и фазовый состав колокольных бронз.

- Исследование зависимости демпфирующей способности от режима термической обработки, как двойной оловянной бронзы, так и модифицированных бронз.

- Установление связи между структурой, формируемой термической обработкой, и демпфирующей способностью, которая является основной из эксплутационных характеристик бронз этого класса.

- Определение структуры сплавов, обеспечивающей низкий уровень демпфирования, и методов ее получения путем термической обработки.

- Разработка рекомендаций по термической обработке и составу, обеспечивающих заданный уровень демпфирующей способности колокольных бронз.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Изучение публикаций, посвященных производству колоколов, структуре и свойствам колокольных бронз показало, что имеется две группы работ, а именно: публикации, посвященные технологии получения отливок и свойствам последних, и публикации, связанные со структурными превращениями в оловянных бронзах.

Крайне важным для развития колокольного дела является проведение исследований, посвященных взаимосвязи между структурой, формируемой при термической обработке, и эксплуатационными свойствами колокольных бронз, в частности, демпфирующей способностью (внутренним трением). Таких публикаций найти не удалось.

1. Манускрипт Теофила «Записки о разных искусствах». Сообщения ВЦНИЖР вып.7,1963.- 457с.

2. Оловянишников Н. И. История колоколов и колокольное искусство. М.: 1912. -430с.

3. Колокола. История и современность: Сб. науч. тр./ Отв. ред. Б.В. Раушенбах. М.: Наука, 1985.-237с.

4. Рубцов Н.Н. История литейного производства в СССР. 4.1. -М.: Машгиз, 1962.- 288 с.

5. Пространственное руководство к общей технологии. М.: Типогр. Селивановского, 1828.- 549 с.

6. Schad C.R., Warlimont Н. Influence the composition of bell metals for her sound: Diss. doct. Univ. Stuttgart, 1969. 132 p.

7. Schad C.R., Warlimont H. Wetkstoffeinflusse auf die rlanglichen Eigtnschaften von Glockenbronzen // Metall.-1972. Vol. 26. P. 10-24.

8. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3-х т.: Т.2/ Под общ. ред. Н. П. Лякишева.- М.: Машиностроение, 1997.- 1024с.

9. Воздвиженский В.Н. и др. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении / В.Н. Воздвиженский, В.А.Грачев, В.В. Спасский. М.: Машиностроение, 1984.- 432с.

10. Шашкина Т.Б. и др. О фазовом строении звучащей бронзы / Т.Б. Шашкина, А.А. Чумаченко, А.В. Лященко // Изв.вузов. Цвет.металлургия. -1983 .-№2.-С.86-90.

11. Oga Shiego, Sayashi Mamoru. Peritectic (3- phase growth in Cu-Sn alloy // J.Jap.Inst. Metals. 1980. -Vol.44. -№9. -P.998-1006.

12. Иванов В.Н. Колокольная бронза // Литейное производство. -1996. -№11.-С. 38-39.

13. Петриченко A.M. Искусство литья. М.: Знание, 1975.- 160с.1.l

14. Шашкина Т.Б. Звучащая бронза //Вопросы истории естествознании и техники: Сб.науч.тр. /М.: Наука, 1985.-С. 51-61.

15. Шашкина Т.Б. Памятники древнерусского колокольного литья / Т.Б. Шашкина, В.А. Галдин // Советская археология. -1986.- №4. -С. 236-242.

16. Поршнов М.Э. Царь пушка и царь - колокол. - М.: Наука, 1990.- 47с.

17. Федотов Г .Я. Звонкая песнь металла. М.: Знание, 1990.- 207с.

18. Курдюмов А.В. и др. Производство отливок из сплавов цветных металлов/ А.В. Курдюмов, А.В. Пикунов, В.И. Чурсин. М.: МИСИС, 1966.-504с.

19. Фасонное литье медных сплавов: Сб. науч. тр. / Отв. ред. Н.Д. Орлов. -М.: Машгиз, 1957.- 205с.

20. Mannheiv В., Winfried R., Weber G. Untersuchung der Kornfeinug von Kupfer Zinn - Legierungen mit Zirconium und/oder Bor und Eisen sowie ihres Einflusses auf die mechanischen Eigenschaften // Giesser. Forschung. - 1988. -Vol.40. -P.l-16.

21. Phase equilibrium diagrams Cu-Sn: Bull.Allog.Phase Diagr. 1980. -Vol.1. -№1. -P.87-89.

22. Miogobnik A.P. Constitutional diagram Cu-Sn //J.Less Comon Metals. -1985, 114.- №l.-P.81-87.

23. Исайчев И. Превращения в эвтектоидных сплавах Cu-Sn.// ЖТФ.-1939.- Т. 9, №14.-С. 1286-1292.

24. Исайчев И. Превращения в эвтектоидных сплавах Cu-Sn./ И. Исайчев, И. Салли И. // ЖТФ.- 1940.- Т. 10, №9.- С. 751-756.

25. Лободюк В.А. Сверхструктура (3- и Р 11 -фаз в сплаве Си-25, 4% Sn / В.А. Лободюк, В.К. Ткачук, Л.Г. Хандрос // Физика металлов и металловедение. -1971.-Т.31.-№3.-С.643-646.

26. Speidel М.О. Warlemont Н. Strength and ductility of martensite in Cu-Sn alloys // Z.F. Metallkaude. -1968. Vol. 59. P. 841-858.

27. Morikawa H., Shimizur., Nishijama Z. . Electron Microscope Study lattice defectin the p1 p 11 martensite of Cu-Sn alloys // Proc. Ynternat. Conf. Strengh Metalsand Alloys. Tokyo, 1967, Senda, 1968. - P. 930-932.

28. Kennon N.F. Martensite transformation in p x~ Phase Cu-15% at. Sn alloy // Trans. Jap.Inst.Metals. 1972. -Vol. 13. -P.322-326.

29. Kubo Hiroshi, Hirano Keu-ichi. Phenomenon analysis martensite Pi- и p ^ transformation in Cu-Sn alloys // J.Jap.Just. Metals. 1973. Vol. 37. - P. 400-406.

30. Hendas H., Kidler H. Superelattice of high temperature y- phase in Cu - Sn system // Acta crystallogr. - 1956. - Vol. 9, №12. -P. 1036-1040.

31. Kidler H. Bond of structure y- and £- phase in Cu Sn system // Acta crystallogr. - 1957. - Vol. 10, №1. - P. 86-87.

32. Kidler H. About crystallographic structure y- and 8- phase in system Cu-Sn //Metall. 1966. - Vol. 20. -P. 823-829.

33. Prinz N., Wever H. Diffusion Cu-Sn in p- ordered solid solution Cu- (16,620,2%) Sn alloys // Phys. Status solid. 1980- Vol. 61. -№2.-P.505-512.

34. Basu G.,Makkerjee J.K., Bauerjee T. Phase Transformations in Thermal Copper -Tin Alloys // NML Techn.J.- 1970. Vol.12. - P. 53-60.

35. Brandon J. K., Pearson W.B., Tozer D. J. Single crystal X-ray diffraction analysis structure bronze Cu 20 Sn6 // Acta metallarg. -1975. Vol.31. - №3. - P. 774779.

36. Gangulee A., Das G.C., Bever M.B. X ray diffraction analysis and calorimetric analysis chemical compound Cu6-Sn5 // Met. Trans. - 1973. -Vol. 4. - P. 2063-2066.

37. Розенберг B.M. Диаграммы изотермического распада в сплавах на основе меди /В.М. Розенберг, В.Т. Дзуцев. М.: Металлургия, 1989.- 328с.

38. Kidler Н. About crystallographic structure 6- phase in system Cu-Sn //Metall.-1964.Vol. 18.- P.l 172-1177.

39. De Bond M., Derngttere A. Pearlite and bainite formation in Cu-Sn alloy with 16,5% (at.) Sn // Acta metallurg. -1967. Vol. 15. P. 993-1005.

40. Варлимонт X. Мартенситные превращения в сплавах на основе меди, серебра и золота / X. Варлимонт, Л. Дилей. М.: Наука, 1980.- 206с.

41. Хандрос Л.Г. Мартенситные превращения, эффекты памяти и сверхупругость / Л.Г. Хандрос, И.А. Арбузова //Металлы, электроны, решетка: Сб. науч. тр. / Наукова думка. -Киев, 1975.-С.109-143

42. Warlimon Н. Martensitic transformation in copper-base alloys: Diss. doct. -Erland.Lehrberehtig Fach.Metallkunde Univ. Stuttgart (TH). 1968. -155p.

43. Исайчев И. Превращения в эвтектоидных сплавах Cu-Sn.// ЖТФ.- 1947.Т. 12, №7.-С. 829-834.

44. Агапитова Н.В. О мартенситных превращениях в сплавах меди с оловом / Н.В. Агапитова, И.М. Шаршаков, В.А. Евсюков //Физика и химия конденсированных сред. Материаловедение. 1975.- №2.-С.93-102.

45. Курдюмов Г.В. Макроструктурное исследование кинентики мартенситных превращений в сплавах Cu-Sn / Г.В. Курдюмов, Л.Г. Хандрос // ЖТФ. -1949.- Т. 19, №7.-С. 761-768.

46. Якунин А.А. Исследование фазового состава сплавов Cu-Sn, Cu-Al, Cu-Sb, закаленных из жидкого состояния / А.А. Якунин, В.И. Ткач, А.Б. Лысенко // Неравновесная кристаллизация метал, сплавов: Сб. науч. тр. / Днепропетровск, 1972.- С. 95-106.

47. Warlimon Н. Microstructure, crystallographic structure and mechanical properties of martensite phases in copper-base alloys // Spec. Rept. Yron and Steel Inst.- 1965.-№93.-P. 58-75.

48. Kubo H., Hirano K. Crystallography martensitic transformation in large period repetition layers structures // Acta Met. -1973. Vol.21. -№12. -P.1669-1676.

49. Delaey Z., Warlimont H. Crystallography and thermodynamics of martensite in Shape Memory Effect Alloys //Shape Met.EFF. Alloys. New York London, 1975. P. 89-114.

50. Лободюк B.A. Строение мартенситных кристаллов в сплаве Cu-25,4% Sn / B.A. Лободюк, B.K. Ткачук, Л.Г. Хандрос // Физика металлов и металловедение.-1970.-Т. 30.-№5.-С. 1082-1086.

51. Nishiyama Z.,Shimizu K.,Morikawa Н. Electron Microscope Study of the (3 1 Martensite in Cu-Sn Alloy // Trans.Jap.Inst.Metals.-1968.9.-№5.-P.307-316

52. Morikawa H., Shimizur., Nishijama Z. Electron Microscope Study of the (3 11 Martensite (wedge -shaped) in Cu-Sn Alloy // Trans.Jap.Inst.Metals. 1968. -Vol.9, №5.-P.317-324.

53. Morikawa H., Shimizu K., Nishiyama Z. Electron Microscope Study the cristal defect in (З1- и (31'-martensite Cu-Sn alloys // Proc. Ynternat. Couf. Strengh Metals and Alloys. Tokyo, 1967, Seudei, 1968. P. 930-932.

54. Коваль Ю.И. Влияние выдержки при комнатной температуре (3 фазы сплавов Cu-Sn на последующее мартенситное превращение / Ю.И. Коваль, Ю.В. Кудрявцев //Металлофизика.-1981.-Ж6.-С.54-58.

55. Арбузова И.А., Коваль Ю.Н., Мартынов В.В., Хандрос Л.Г. Влияние релаксации напряжений и старения на гистерезис при мартенситном превращении в сплаве Cu-Sn // Металлофизика. Респ. межвед. сб.-1974.-Вып.54.-С.34-37.

56. Kennon N.F. The {3- Phase stabilization in Cu-15% at. Sn alloy // Metal Sci.J. -1972.-Vol. 6. -P.64-66.

57. Арбузова И.А. Влияние старения на гистерезис при мартенситном превращении в сплаве Cu-Sn / И.А. Арбузова, Ю.Н. Коваль, В.В. Мартынов, Л.Г. Хандрос // ФММ.-1973.- Т.36.-№5.- С. 1111-1113.

58. Лободюк В.А. Структурные изменения сплава Cu-Sn / В.А. Лободюк, В.К. Ткачук, Л.Г. Хандрос// Укр. физ. ж.-1977. Т. 22.-№3.-С. 460-465.

59. Захарова М.И. Структурный механизм распада и уплотнения твердых растворов // Легирование и свойства жаропрочных сплавов: Сб. науч. тр. / М.: Наука, 1971.- С. 81-87.

60. Захарова М.И. Доклады АН СССР / М.И. Захарова, И.Б. Магалычева. -М.: АН СССР, 1968.-1320с.

61. Белинский А.Л. Температурная зависимость скорости роста кристаллов Pi1 фазы в оловянистых бронзах // МиТОМ.-1961. №3.- С.25.

62. Kato Н., Mirato N., Miura S. Influence ageing Cu-15% at. Sn alloy for anelasticity // Acta met. At mater. -1995. -Vol. 43. -P. 361-369.

63. Stice J.D., Wayman C.M. Influence ageing Cu-15% at. Sn alloy for Shape Memory Effect // Met. Trans. -1982. -Vol. 13. -P.1687-1692.

64. Kato H., Miura S. Thermodynamical Analysis Of The Stress- induced Martensitic Transformation In Cu-15.0 at.% Sn Alloy Single Crystals // Acta met. at mater.-1995.-Vol.43 .-№ 1 .P.351 -360.

65. Morikawa H., Shimizu K.,Nishiyama Z. About structure hardened (3- phase and precipitate product in Cu-Sn alloy // Trans.Jap.Inst.Metals.-1967.-№3.-P.145-152

66. Koster W. Change lattice constant in solid solution Cu, Ag and Ag with (3-metal // Z.Metallkunde. 1972.Vol. 63.-№10.- P.633-638.

67. Miura S., Morita Y., Nakanishi N. Superplasticity and Shape Memory Effect in Cu-Sn Alloys // Shape Memory Effect Alloys. -New York-London, 1975. -P. 389405.

68. Арбузова И.А. Деформация и восстановление формы при мартенситных превращениях в сплаве Cu-Sn / И.А. Арбузова, Ю.Н. Коваль, В.В. Мартынов, Л.Г. Хандрос // Физика и металловедение. -1973. -Вып. 35. №6. -С. 1278-1284.

69. Кукарев А.Л. Упругие кристаллы мартенситной фазы в сплавах медь -олово / А.Л. Кукарев, Л.Г. Хандрос // Металлофизика.- 1970.-№27.- С. 194-199.

70. Miura S., Maeda S., Nakanishi N. Pseudoelasticity and Shape Memory Effect in Cu-15% at. Sn alloys connected with formation putting martensite // Scr. Met. -1975. Vol. 9. -P.675-680.

71. Miura S., Maeda S., Nakanishi N. Superplasticity and Shape Memory Effect in Cu -Sn alloys // Shape Met. EFF. Alloys, New York London. - 1975. - P. 389-405.

72. Rossing Т., Perrin P. Vibrations of Bells // Applied Acoustics. 1987. - Vol.20. - P.41-70.

73. Пухначев Ю.В. Загадки звучащего металла. М.: Наука, 1974.- 127с.

74. Кузьминых С. В. Металлургия Волго-Камья в раннем железном веке. Медь и бронза. М.: Наука, 1983. - 257с.

75. Габедшишвали Г.Г. и др. К истории древнейшего производства бронзы горского Рога / Г.Г. Габедшишвали, Т.П. Муджири // Сообщ. АН ГССР.-1983.-№2.- С.441-443.

76. Пяткин Б.Н. Результаты спектрального анализа бронз Курган Аржан / Древние горняки и металлургия Сибири: Сб. науч. тр. / Барнаул. 1983.- С. 6466.

77. Лободюк В.А. Тонкая структура мартенсита и межфазные границы в сплавах на основе меди//Материаловедение.-2000.-№1.-С.13-16.

78. Шашкина Т.Б. Серебряные колокола // Природа. 1983.- №6.-С. 69-73.

79. Шашкина Т.Б. Секреты колокольного ремесла / Т.Б. Шашкина, В.А. Кондрашина //Природа. -1981.-№8.- С.78-87.

80. Гай Д.И. Поющая бронза Лукьянова. М.: Наука, 1974. - 80 с.

81. Кутузов Н.И. Формула малинового звона //Химия и жизнь. 1982.- №9.-С.88-91.

82. Бочаров Г.Н. Художественный металл Древней Руси. М.: Наука, 1984.-319с.

83. Stjohn D.H. The Peritectic Reaction // Acta mettall. Mater. 1990. -Vol. 38. P. 631-636.

84. Vossktihler H., Durrshnabel W. Produce and application Cu Sn Alloys // Conf. Tin. Consumpt., London.-1972.-P.123-135.

85. Rudderk P. Application casting Cu- alloys // Stahlberatung. -1979/-Vol. 6. -№3. P.1-5.

86. Sarhor S. Influence of vibrations for crystallization tin bronze // Trans. Yndian Inst. Metals. 1985.-Vol. 38.-№2.- P.139-146.

87. Колокола судовые. Технические условия: ГОСТ 8117-74. М.: Изд-во стандартов, 1974.- 6с.

88. Смирнова О.Г. Демпфирующая способность алюминиевых бронз перитектоидного состава: Дис.канд.техн.наук. Киров,2000.-120с.РОССИЙСКАЯ !ОСУДАРСТВЕННЛ^ БИБЛИОТЕКА'"