автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Теоретические основы управления процессом формирования химической микронеоднородности литейных сплавов для повышения их свойств

1 1 По?:

Х Л ^ Д V:

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СОБОЛЕВ Владимир Федорович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ЙИКРОНЕОДНОРОДНОСТИ ЛИТЕЙНЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИХ СВОЙСТВ

05.16.04 — Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ле н и и г р а д 19 9 0

Работа выполнена в Белорусском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте.

Официальные оппоненты:

доктор технический наук, профессор ГУЛЯЕВ Б.Б.; доктор технических наук, профессор Ш ХО СЕН; доктор физико-математических наук, старший "научный, сотрудник ХУСИД Б.М.

Ведущее предприятие - Могршвское отделение• физико-технического института № БССР.

Защита'диссертации состоится " <2_& '-/Я___ 1990 г.

в /С часов на заседании специализированного совета Д 063.38.08 Ленинградского государственного технического университета по адресу: 195251, г.Ленинград, Политехническая ул.29 (химический корпус, ауд.51).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " / ^ " СД Т-Я*1990 г.

Учений секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент Ю.Г.СЕРГЕЕВ

Л ен и нг ра дс ки й го суда рст в ен,-ный технический университет, 1990

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальнооть проблемы. В Основных направлениях экономического и социального развития ССОР на 1986^1990 годы и на период да 2000 года" предусмотрено "поднять эффективность использования реоуроов и снизить-энерго- и материалоемкость производства..., снизить в двенадцатой пятилетке удельную металлоемкость машин и оборудования на 12-10?..., улучшить качество конструкционных материалов...".

Выполнение -этих важнейших народнохозяйственных задач неразрывно связано.с улучшением свойотв сплавов, так как тленно'от них зависят качество отливок и технико-экономические показатели литейного производства.

Известно, что свойства сплавов определяются' в первую очередь характером степенью их микронеоднородноояи. В зависимости от этих йоказателей характеристики сплавов устойчиво сохраняются на воем пути их производства* обработки и использования. С химической микронеоднородн'остЬю связана и такие отрицательные характеристики отливок, как склонность к хрупкому разрушению, горяче-ломкость, пористость и др. Устранение указанных явлений и улучшение качества отливок немыслима без познайия- природы и разработки эффективных путей управлений химической мякронеоднород-яоотыо.

Анализ современного состояния проблемы показывает, что, несмотря на большое количество исследований в этом направлении, имеются епгг серьезные трудности на пути понимания причин, обус-' ловливающих хймичёокую микронебднородность .в литейных оплавах. В частности, практически нет работ, посвященных анализу общих закономерностей процессов формирования химической -микронеоднород-нострг в еялайах о.различным типом диаграмм состояния, т.е. с различным Типом взаимодействия компонентов.

Свойотёэ' литейных сплавов определяются,главным образом,комбинацией основных легирующих элементов и примесей,- Повышение уровня требований к свойствам сплавов приводит к усложнению составов, а' это-,в свою очередь,усиливает химическую микрокеоднород-ность и отрицательные явления, связанные с ней. В условиях постоянно возрастающих требований к качеству отливок и снижению их

металлоемкости, решение поставленной проблемы приобретает практическую значимость и представляет дальнейшее научное развитее теории формирования отливки.

Теоретическому обобщению и решению крупной научной проблема - химической микронеоднородлости литейных сплавов, - имеющей важное народнохозяйственное значение, посвящена настоящая работа.

Основные разделы работы выполнены ооглаоно тематике важнейших работ Совета Министров и Академии наук БССР, выполняемых по программе "Пятилетнего плана важнейших НИР в области естественных, технических и общественных наук'по-Белорусской ССР на 19811985 гг. (программа "Сплав 2.36" - п.127, № Гос.регистрации 81028460) и 1986-1990 гг. (программа "Материал 28" - п.178, й Гоо,регистрации 01860053050). . ."

Цель и задачи исследования. Цель работы - создание теоретических основ.управления процессом формирования химической микронеоднородности литейных сплавов и разработка на этой основа путей улучшения их свойств.

Для реализации данной цели необходимо решить следующие задачи:

экспериментально и теоретически установить основные закономерности распроделения элементов в структуре сплава и-сформулировать механизм процесса формирования химической микронеоднороднооти в сплавах с различным типом межатомного взаимодействия;

разработать на базе учета межатомного взаимодействия'теоретические основы математического моделирования химической микронеоднородности, механичеоких, литейных свойств сплавов, построить математические модели перечисленных свойств и экспериментально их проверить;

разработать на основе полученных закономерностей пути улучшения свойств литерных сплавов,

Научная новизна. Проведено теоретическое обобщение экспериментальных и аналитических данных по распределению.элементов в структуре литейных сплавов, позволившее выявить ряд новых аспектов в формировании химической микронеоднороднооти и сформулирован. пути управления ею.

Впервые для исследования процесса формирования химической

мшсронеодкородности литейных сготвов в дополнение к традиционному подходу, основанному на использовании параметров диаграмм состояния, предложен Подход, основанный па.использовании физико-химических характеристик и параметров злехяронНого строения компонентов сплава. Экспериментально (мйкрореитгеноспектралышй анализ) и теоретически (статистическое моделирование) получен ряд результатов, свидетельствующий о взаимосвязи межатомного взаимодействия компонентов сплава и характера химической микронеоднородности.

Показано, что для оценки степени межатомного взаимодействия компонентов сплава можно использовать их физико-химйчеокие характеристики, зависящие от энергии связи, и параметры их электронного строения. Предложена новая концепция образования химической микронеоднородности в литейных сплавах с различным типом диаграмм состояния, основанная на сравнительном анализе параметров 'электронного строения компонентой и их межатомном взаимодействии.

Установлены общие причины образования химической микронеоднородности в равновесных и реальных уоловйях кристаллизации.

На основе сравнительного анализа Параметров электронного строения компонентов алюминиевых сплавов (АК5М2) И литых быстрорежущих сталей (Р6М5, Р6М5К5) сформулирогана новая концепция выбора модификаторов первого рода и эвтектики для литейных сплавов.

В результате анализа электронного строения компонентов в алюминиевых и железоуглеродистых сплавах дайо объяснение модифицирующему влиянию Зс , Сь , (Ъ , М' , Мп на строение А -фазы" в алюминиевых сплавах и СУ, й/ на эвтектику литой. бЫотрпрежу-щей стали.

Разработаны теоретические основы математического моделирования химической шк^юнеоднороднооти и свойств литейных сплавов. Впервые на основе статистического моделирования показана взаимосвязь ряда литейных свойств (жидкотекучесть, усадка, пористость) сИлавов и физико-химических характеристик их компонентов (температура плавления и кипения, энергия связи). С помощью метода математического моделирования показана взаимосвязь жидкого и твердого состояний сплавов, что лодтйервдает известное явление наследственности в 'литёйных сплавах.

Практическая це^ноо?ь работы состоит в том, что применение полученных теоретических разработок позволило уотановить пути управления .овойствами сплавор, осуществлял 'выбор модификаторов и легирующих элементов на основе учета их межатомного взаимодействия о компонентами сплава, а также оптимизируя- оостав оплава о учетом технологии изготовления отливки,

Предложена схема для системного анализа химической микроне-однороднооти компонентов, которая может быть использована для развития идей отруктурообразовапчя в литейных сплавах.

Выделены сиатеш физцко-эдшческих характеристик элементов для литейных, (жидкотекуч^сть, усадка, пористооть) и механических свойств сплавов, которые позволяют отроить адекватные математические модели для оценки овойртв литейных сплавов и оптимизации их оостава.

Полученные модели механических и литейных двойств алюминиевых, железоуглеродистых сплавов могут быть использованы для оценки влияния различных элементов на их овойства при разработке новых литейных оплавов.

На основании полученных результатов разработаны практичео- , кие рекомендации по улучшению литейных (кидкотеку честь) и меха- ■ нических (предел прочности) промышленных сплавов типа АК5М2 и ек-сплуатационных (ударная вязкость, твердооть, теплоотойкость) свойств литых быстрорежущих сталей типа Р6М5, Р6М5К5'. Новизна технических разработок подтверядеНа 17 авторскими свидетельствами и 3 положительными решениями. За разработку-литых.быстрорежущих сталей автор награжден Дипломом первой отепени ВДНХ БССР, Ряд выполненных разработок прошел широкую опытно-промышленную проверку и внедрен на Миноком станкостроительном заводе им.С.М.Кирова, Чареицаванском заводе ''Центролйт", Оршаноком ин-отрументальном завода,' АлтаЙаком тракторном заводе и ряде других заводов страны о годовым экономическим эффектом овыше 300 тыо.руб. Ряд результатов работы использован, автором в лекциях для студентов специальности 1203 "Теория формирования отливки", "Специальные методы литья", а также' "САПР" и "ЭВМ .в литейном производстве'.'

Апробация работц. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждались на всесоюзных, зональных и республиканских научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях: на "Четвертой

Всесоюзной научной конференции по ХГО металлов .и оплавов'ЧНинок, 1981); "Втором Всесоюзном научно-техническом съезде литейщиков" (Ленинград, 1983);. "Шестом Всесоюзном совещании по взаимодействию Между дислокациями и атомами примесей и овойствами сплавов" (Тула, 1984); на конференциях' "Наследственность влитых сплавах" (Куйбышев, 1987), "Повышение эффективности литейного производства" (Ленинград, 1988), "Прогрессивные технологические процессы литейного производства, термической, химико-термической обработки, кузнечно-йтамйового производства. Повышение надежности инструмента и Технологической оснастки" (Владимир, 1983),. "Совершенствование технологических'процессов и повышения качества отливок из чугуна и цветных сплавов" (Андропов, 1984), "Повышение производительности труда, экономия материальных и энергетических ресурсов в литейном производстве" (Барнаул, 1986), "Применение ЭВМ для разработки технологических процессов литья, проектирования оснастки и анализа качества отливок" (Андропов, 1987), "Пути совершенствования лйтбйных ЯройессоЁ и повышения качества литья в республике" (Кйуйао, 1978), "Прогрессивные методы изготовления Технологической оснастки" (Рлга, 1979), "Применение электронной микроскопии в наука й технике" (Минск, 1980), "Повышение стойкости инструментальной й технологйчёской оснастки" (-Минск,- 1980), "Прогрессивная технологий и Современное оборудование литейного йроййводотва"•(Могилев, 1981), "Пути повышения эффективности использований инструментальных материалов" (Минск, Г983), "Приме-неь'йе Малоотходной технологии изготовления отлиЬбк из черных й Цветных металлов-для энергонасыШёЯних тракторов" (Чебоксары,1981), "Пути интенсификации технического перевооружения литейного производства и задачи повышений качества и снижения.металлоемкости" (Ташкёнт, 1984), "Механизация и повышение эффективности .технологических процессов производства отливок металлургического оборудования" (Днепропетровск, 1986), "Повышение эффективности литейного производства в 13-Й пятилетке'1 (Ленинград, 1989), а т&ето на ежегодных- научны* конференциях профзсборско-преподавателыжо-го состава белорусского политехнического института (Минск, 19781989 гг.), :

Научные результаты апробировались при опытно-промишлепннх 'испкчеМиях предложенных научно-технических решений й выполнении хбздоговорав. .

а

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 53 работы, получено 17 авторских свидетельств и три положительных решения на изобретения, во ВНТИЦ зарегистрировано' 6 отчетов по хоздоговорным НИР, выполненным под научным руководством и при непосредственном участии автора.

Структура и объем работы. Диссертация аостоит из.введения, семи глав, общих выводов, списка литературы из 224 наименований и приложения. Работа изложена на 267 страницах машинописного текста и содержит 150 рисунков, 65 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе описаны взаимосвязи между химической микроне-однородноотш и свойствами литейных сплавов. Проведен анализ теоретических концепций процесса формирования химической микронеоднородности. Описаны трудности использования существующих моделей для управления этим процеосом. Дан анализ подходов, которые могут быть использованы при моделировании.характеристик химической микронеоднородности. Сформулированы цель и задачи исследования.

Анализ данных о свойствах сплавов в отливках показывает,что одним из основных факторов, определяющих эти свойства, является химическая микронеоднороднесть, сникающая практически весь комплекс механических и технологических овойств сплавов. В связи с этим проблеме химической млкронеоднороднооти уделяют большое внимание в теории и практике литейного производства. Однако, несмотря на большое количество глубоких и интересных исследований в этом направлении, имеются еще серьезные трудности на пути понимания причин, формирующих химическую микронеоднородность в литейных ^плавах. Так, до сих пор отсутствует общая физическая модель, позволяющая описывать процесс формирования химической микронеоднородности в сплавах с различным типом межатомного взаимодейотвия (различным типом диаграмм состояния).

Большинство экспериментальных исследований не имеет того уровня обобщения, который необходим для понимания процессов формирования химической микронеоднородности, а существующие детерминированные модели (Бартона-Прима-Слихтера, Хиллера, Тиллера, Ван-Лаара) содержат ряд сложно определяемых коэффициентов, из-за че- .

го затруднено их применение п.теорий и практике литейного производства. Анализ проблемы показывает, что факторы, определяющие характер распределения-компонентов, должны зависеть от их межатомного взаимодействия, а- работы по теорий литейных процессов и металлофизике свидетельствуют 'о возможном существовании связей между межатомным взаимодействием компонентов и свойствами сплавов.

Исходя из изложенного, в настоящей работе изучены закономерности процесса формирования химической микронеоднородности в сплавах с различным типом межатомного взаимодействия, установлена связь этого взаимодействия с характером и отепенэд? химической микронеоднородности и на этой основе предложены Пути повышения овойств литейных сплавов.

Во второй главе приводятся данные Экспериментальных исследований процесса распределения элементов, выполненных автором на •двойных алюминиевых сплавах о помоиШо макрорентгеноспектрального и фазового анализов. Результаты исследования обсуждаются с точки зрения, анализа характера межатомного йзаимодействия компонентов сплава. Закономерности, полученные для двойных ■ алюминиевых систем; обобщаются для химической мнкронеоднород'ноо'ти железных и нйкелевых сплавов.

Традиционно считается, что Химическая мйкронеоднородность возникает в йроцессе нербййовесноЙ кристаллизации вследствие подавления процесса диффузйи. Однако анализ диаграмм состояния показывает, что неравномерное распределение легирующих элементов в структуре сплава возникает и при рйвнойзснах условиях кристаллизации. Ранее было выдвинуто Предположение о том, что неравномерное распределение легирующих элементов в структуре сплава, связано с характером межатомного взаимодействия его компонентов. Исходя из этого, в работе расширили понятие химической Микройеодно-рйдности. Под химической шкронеоднорОдност ыо в данной работе понимается -не следствие неравновесной кристаллизации, а характер распределения легирующих элементов между' фазами сплава как в равновесных, так и в неравновесных условиях. Исходя из этого, на первом этапе исследования проводил:^ на двойных алюминиевых сплавах с широким набором Компонентов от До_ Ы ..имеющих различный тип диаграммы состояния с алюминием. Массовое оодернание л<*-

тирующих элементов составляло Анализ распределения элементов проводили на микроанализа!орах "Джоэд" и "Камека". Для оценки степени химической ыикронеоднородности использовали коэффициент химической микронеоднородности.

По физическому смыслу коэ^ициент химической микронеоднородности определялся как коэффициент ликвации при неравновесных условиях криоталлизадии и как коэффициент распределения при равновесных условиях охлаждения. Таким образом, на уровне гипотезы объединены процессы равновесного распределения' и ликвации легирующих элементов. В этом случае использовано предположение о том, что ликвационная микронепднородность является следствием процесса распределения, происходящего в условиях подавленной диффузии. •

■ Для всех изученных систем был проведен фазовый анализ на установке ДРОН-2. С помощью диаграмм соотояния были проанализированы температуры плавления и твердость образующихся фаз, используемые в качестве параметров для оценки степени межатомного взаимодействия. На основе' анализа полученного материала предложена классификационная модель химической микронеоднородности - схема разделения легирующих элементов на группы в зависимости от коэффициента их химической микронеоднородности; степени межатомного взаимодействия.

Все исследованные легирующие элементы разделены на четыре группы. В первую группу вошли Ъ , <к г мп , СЬ , А. , л^б, Мо, \А/, образующие с алюминием тугоплавкие первичные интерметалли-ды. Интерметаллиды этой группы легирующих элементов имеют высокую температуру плавления и твердость, что свидетельствует о значительном межатомном взаимодействии.алюминия и легирующего элемента.

Во вторую группу включены <31 , /У<' , & , Они образуют с алюминием интерметаллиды, располагающиеся преимущественно в меж-ооных промежутках и по границам зерен. Для элементов этой группы характерны интерметаллиды о невысокой температурой плавления,что свидетельствует о нешюокой степени межатомного взаимодействия. Атомы элементов этой группы не склонны к образованию устойчивых связей с алюшнием л жидком состоянии, что ведет к формированию интерметаллид!шх фаз' в конечной стадии' процесса кристаллизации.

Третья группа элементов классификационной модели представ-

лена Мд , ¿п ■ , , .'которые образуют с алюминием широкие фазовые области твердых растворов. В исследованных сплавах легирующие элементы концентрируются,в основном,по границам зерен в виде твердого раствора. При определенных концентрациях ^ ,^

могут давать -интерметаллиды в алюминии, что свидетельствует о возможности различных видов взаимодействия компонентов в этих сплавах. Для интерметаллидов, которые могут образоваться в этих системах, Характерны невысокие температуры плавления по отношению к интерметаллидам первой и второй групп классификационной модели. Это свидетельствует о более слабом межатомном взаимодействии алюминия с легирующим элементом третьей классификационной группы по сравнению с взаимодействием алюминий - легирующие элементы первой и второй групп.

В четвертую группу элементов вошли ^, ¿л , <й/ . С алюминием они практически не смешиваются. В исследованных сплавах эти легирующие элементы локализируются по границам зерен в виде выделений чистого элемента. В данных системах невозможно образование интерметаллидов при широком варьировании температуры и концентрации. Это позволяет сделать вывод о самом минимальном мел-атомном взаимодействии указанных элементов с алюминием.

Установленные закономерности справедливы для алюминиевых сплавов.С целью определения степени их распространения на сплавы с другой основой йо данным экспериментальных данных И.Н.Голикова и С.Е.Масленкова была проведена оценка классификационной модели химической микронеоднородности для никелевых и железных сплавов. Наблюдалось удовлетворительное согласие между выводами классификационной модели, полученными для алюминиевых сплавой, и указанными экспериментальными данными.

Итак, было установлено, что между коэффициентом химической микронеоднородности сплава и степенью межатомного взаимодействия его компонентов существует определенная взаимосвязь. Чем сильнее межатомное взаимодействие компонентов, тем больше коэффициент химической микронеоднородности в структуре сплава. Для каддой группа элементов классификационной модели характерен свой вид химической микронеоднородности и степень-межатомного взаимодействия компонентов.

В.третьей главе дан анализ экспериментальных результатов,"

полученных автором при исследовании химической микронооднородно-сти многокомпонентных сплавов на основе алюминия. Проведена оценка классификационной модели химической ыикронеоднородности с учетом распределения легирующих элементов в тройных и четверных системах на основе алюминия. Полученные результаты и выводы проанализированы на фоне экспериментальных данных других исследований.

В качестве второго компонента системы были выбраны элементы 2-й и 3-й групп классификационной модели химической микронеоднородности - медь и цинк. В качестве третьего компонента использовали элементы четырех групп классификационной модели - , , Л/( , Яи , Яе , /Зу , О/ , , я,- , Т( , Сл. , Мп , Л» , Со , ый , Мв, !л/ . Легирующие, элементы вводились в количестве 4$ (массовое содержание).

Анализ результатов микрорентгеноспектрального распределения цинка и легирующего элемента в оистеме лЦ'41п-4г (где ? -легирующий элемент) показывает, что характер распределения элементов 1-й группы классификационной модели ( 7Г , а , Мп , Мо , IV , л/6) такой же, как и в соответствующих двойных сплавах на основе алюминия (М-41 ). Все фазы, образуемые в сплавах М-элементами 1-й группы, совпадают о фазами, наблюдавшимися в соответствующих двойных сплавах алюминия. Характер распределения легирующих элементов 2-й группы классификационной модели ( Са , ыс , Си ) такой же, как и в соответствующих двойных сплавах. Легирующие элементы выделяются в виде интерметаллидов СаДЛ, , , <ЪА1, п0 границам зерен.

Характер хймичеокой микронеоднороднооти элементов 3-й группы классификационной модели и Ац в сплаве по сравнению с двойными алюминиевыми сплавами имеет некоторые1особенности. Магний и серебро в сплаве ле-Ып-ьг ведут себя.,-как элементы 2-й классификационной группы, выделяясь преимущественно, как и цинк, в виде фаз аа(, и ( мъ* ) по границам зерен. Поведение германия в тройном сплаве дг-4?«-совпадает с поведением магния и серебра с тай лишь разницей, что он выделяется в виде обогащенного твердого раствора.

Элементы 4-й группы классификационной модели Со/ , , 6," распределятся в процессе кристаллизации сплава так яе, как в соответствующих двойных системах А1-Ы , кон-

центрируюсь в виде чистого элемента по границам зерен и в межоо-ных промежутках.'

Результат экспериментальных йсоледований химической микронеоднородности легирующих элементов в оистеме A(-4Cl\-41 также были проанализирован^ с позиций.классификационной модели, разработанной на двойных-системах. Сравнивая данные микрорентгеноспек-траЛЬного анализа систем nt-t/Ci,-2,i с характером химической мйкронеоднородности легирующих элементов в соответствующих двойных системах {Ai-г ), можно видеть, что Tí , Ct , Со , Sé

W в тройных сплавах так же, как и в двойных, классифицируются как элементы 1-й группы. Характер химической микронеоднородности этих элементов не изменился при переходе от двойных оистем к тройным At-4&j-4t . В то же время у лёгируЬзщих элементов 1-й группы Классификационной модели Ми , Fe наблюдается изменение характера химической мйкронеоднородности при Введении в систему алюминий-медь. Наряду с образованием первичных тугоплавких интер-металлидов fíeAe, , MnAft отмечается появление'йнтерметалли-дов ( Gufé )А?6 , &/,Мп,Л{го , расположенный по границам зерен. Это свидетельствует о том, что в результате тройного взаимодействия характер распределения М» , Fe изменился.

Элементы 2-*й группы классификационной модели Ca.Ni в тройных системах At-^e^-ANi имею! характер Эсймичеокой мйкронеоднородности, близкий к Тому, который-наблюдается йри Исследовании двойных сплавов. Особенностью характера химической микронеодно-Ьодности В сплаве At-4Cu-4tf¿ яйлйётся йалй*1иэ тройного иптер-металлиДа , расположенного по границам зерен. При

этом содержание никеля и меди в граничных зонах возросло, это свидетельствует о существенном вкладе тройного взаимодействия At-ti¿-tu . в характер химической млкрОнеоднородности оплава.

Сравнительный анализ Химической микропеоднородности элементов 3-й группы классификационной модели ( Му , г., , , показал, что в тройных системах только у германия этот показатель подобен тому, который наблюдался в двойной системе fíC-^Qé . Введение меди в двойные сатавы , /tf-4h, , A¿-4Ay сопрововдается повышением концентрации легирующего элемента по телу дендрита и понижением его в межосных промежутках.

Элементы 4-й группы классификационной модели в тройных си-

отемах М- 4(^-4 £ ведут себя так же,, как и в соответствующих двойных системах, т.е. выделяйся в виде чистых элементов по границам зерен.

Таким образом, в тройных системах, как ив двойных, характер распределения легирующих элементов'определяется оообенностя-ми их межатомного взаимодействия.

Анализ результатов, полученных для многокомпонентных сплавов на основе алюминия, показал, что качественный характер классифн-' кационной модели, построенной на двойных системах, сохраняется также и в многокомпонентных сплавах. Если в сплавах преобладает двойное взаимодействие алюминия и легирующего элемента, то характер распределения легирующего элемента такой же, как-и в соответствующих двойных системах. При появлении тройных взаимодействий наблюдается переход элементов из одной группы классификационной модели в другую, т.е. смена знака ликвации, переход из одной фазы в другую.

Установленные для алюминиевых сплавов закономерности были проверены на сплавах с другой основой. С этой целью использовались данные экспериментальных исследований И.Н.Голикова и С.Б.Ма-сленкова. Теоретический анализ характера химической микронеоднородности компонентов в сложных сплавах на основе железа и никеля показал, что характер распределения легирующих элементов в них хорошо описывается классификационной моделью химической микронеоднородности, разработанной на алюминиевых сплавах.

Таким образом, из полученных результатов следует, что характер химической микронеоднороднооти определяется степенью межатомного взаимодействия компонентов. Следствием этого является то, что по степени межатомного взаимодействия можно проводить анализ характера распределения компонентов сплава и строить на этой основе математические модели процесса.

В четвертой главе описан метод построения и исследования математических моделей.свойств сплава. Приведены результаты исследований построения математических моделей химической микронеоднородности компонентов в двойных алюминиевых сплавах. Проведен анализ результатов с учетом данных работ различных последователей.

В основу построения математических моделей был положен пй-

лученный ранее вывод о .том, что процесс формирования химической микронеоднородности определяется межатомным взаимодействием компонентов. При построении параметров межатомного взаимодействия использовалась гипотеза о том,- что отепень межатомного взаимодействия определяется разницей значений физико-химических характеристик сплава. Проверка этой гипотезы в дальнейшем с-помощью метода классификации показала ее правомочность. В связи с этим в работе в качестве параметров математических моделей были использованы признаки-функции, составленные из физико-химических характеристик алюминия и легирующего элемента и построенные с помощью соотношения

•V ._JLÍLiílí, , ,

Л о,5СГ, tF.) (.1)

где , Р» - физико-химические характеристики алюминия и легирующего элемента соответственно.

Физический смысл признаков-функций сводится к.сравнительному анализу физико-химических характеристик компонентов, что отражает характер межатомного взаимодействия в сплаве. Как показали дальнейшие исследования, такой подход является оправданным.

При исследовании использовались математические модели линейного и нелинейного вида:

К*» = feo + , (2)

К*« » е>,х,СЗ)

Здесь BQ - свободный член математической регрессионной модели; Bj, Вп - коэффициенты.математической модели; коэффициент

химической микроиеоднородности; Xj, Хд - признаки-функции, построенные по физико-химическим характеристикам компонентов.

В качестве.физико-химических использовали следующие характеристики компонентов: I) линейный коэффициент термического расширения; 2) приведенное поверхностное натяжение; 3) удельное электросопротивление при 293 К; 4) термический коэффициент электросопротивления; 5) теплоемкость; 6) теплота сублимации; 7) плотность; 8) теплота плавления; 9) приведенный термодинамический потенциал; Ю) температура кипения; II) температура плавления; 12) вектор Бюргерса (минимальный); 13) атомный объем; 14) атомный радиус; 15) энергия связи; IG) 1-й потенциал пониза-

ции; 17) 2-й потенциал ионизации; 18). радиус главного максимума внешних орбиталей атома; 19) електроотрицательнооть по Полингу.

Для построения математических моделей использовался метод регрессионного анализа, реализованный с помощью ЭВМ EC-I022.' Адекватность моделей оценивалась по методу ^ -статистики. Алгоритм и описание построения математических моделей даны в работе. Обучающая выборка ооотояла из признаков-функций и экспериментально определенного коэффициента химичеокой микронеоднороднооти для следующих систем: M-Mq. ¿¿-в*, ¿е-<Х, М-Мл. ¿е- Со,

At.tfi, лг-гп, ле-s*. ae.w

4е-

Аналогичная задача решалась и для равновесных условий. В качестве зависимой переменной был использован коэффициент распределения, рассчитанный по диаграммам ооотояния для перечисленных ои-стеы, за исключением <V, Su , &¡. Установлено, что для коэффициентов ликвации и распределения наиболее информативными (оильная взаимосвязь) являются признаки-функции, составленные из тегоют сублимации, температуры плавления,'энергии овязей алюминия и легирующего элемента. По своей щшроде перечисленные характеристики несут информацию о характере и силе межатомного взаимодействия компонентов оплава. Общность выделенной системы признаков свидетельствует о существовании общих причин и закономерностей в формировании химической микронеоднороднооти для сплавов, кристал-' лизирующихся как в равновеоных, так и в неравновесных условиях.

Был проведен качественный анализ устойчивости математических моделей химической микронеоднороднооти компонентов в условиях присутствия легирующих элементов на уровне примеси. В качестве обучающей выборки использовались признаки-функции типа (I) и коэффициенты распределения примеси в алюминии для следующих си-отем: At-Мъ. 4t-T,\ At-V, М-Сь, 4f- Мо, At-Cu,

At-ln, Ai-4e. />е- Ь, , Áí-Mt. Л-Мо, 4t-fy At-CJ ■

(экспериментальные данные JMtyxapa). ■

Как показал анализ полученных результатов, качественная картина выделенных ранее признаков-функций сохраняется и для коэффициента химичеокой. микронеоднородности при содержании элемента на уровне примеси.

• На следующем этапе исследований была проведена эксперимен-

тальная проверка наиболее информативных математических моделей, описывающих коэффициент химической микронеоднороднооти как для равновесных, так и для' неравновесных условий. Выполнен также качественный анализ коэффициента химической микронеоднороднооти ряда легирующих элементоз в алюминии,'не входящих в обучающую выборку. В качестве параметра моделей использовалась энергия связи алюминия и легирующих элементов. Полученные результаты показали удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных данных по виду химической микронеоднороднооти, свидетельствующее о хорошей прогнозирующей способности математических моделей, построенных с учетом характеристик энергии связи компонентов сплава.

■ В пятой главе представлены результаты, подтвервдагащие .основные гипотезы работы. Показано, что моделирование межатомного взаимодействия признаками-функциями состава, построенными по соотношению (I), позволяет учесть особенности межатомного взаимодействия компонентов сплава. Установлена взаимосвязь между физико-химическими характеристиками компонентов и параметрами их энергетического спектра. Дан анализ взаимосвязей мелщу видом химической микронеоднороднооти различных групп элементов классификационной модели и характером электронного, энергетического спектров их компонентов. Определены условия образования интерметаллидов,твердых растворов и расслоения в жидких сплавах. Описан механизм формирования химической микронеоднородности.

При построении.и Исследовании математических моделей характеристик химической микронеоднороднооти было установлено, что - ' наиболее информативные из них основаны на признаках-функциях состава, зависящих от характеристик энергий связи компонентов. Естественно, что для развития математического моделирования и построения физической-модели процесса формирования химической микронеоднородности необходимо установить причины, обусловливающие высокую информативность указанных математических моделей.

Известно,- что физико-химические свойства - есть комплексная характеристика электронного строения элементов, поэтому наличие взаимосвязи той илилной 'фйзико-хшической характеристики, например, энергии связи, с химической микронеоднороднооти) не позволяет говорить о том, какие конкретно параметры электронного строе-

ния элемента в большей степени связаны о изучаемым свойством. Вследствие оказанного била проведена оценка взаимосвязей мезду параметрами энергетического спектра электронов элемента и их физико-химическими характеристиками. С этой целью был выполнен расчет энергетического спектра 52 элементов Периодической оиотеыы элементов Д.И.Менделеева? В качестве'характеристик энергетического спектра электронов элементов использовались следующие параметры: I, 2 и 3-й коэффициенты, характеризующие скорооть изменения 3 - и с/-полоо, энергии начала этих полоо, ширины 5 , с/0 > с/, и .<Л — подполос, энергии Ферми, отепень заполнения 5 , с/», с/, и -подполос.

На основе сформированной для с/и %,р -элементов обучающей выборки решалась задача о вэаимоовязи между вышеперечисленными параметрами энергетического спектра электронов элементов и их физико-химическими характеристиками. Использовалась методика, описанная ранее. Для Ы -элементов обучающая выборка ооотояла иэ следующих элементов: 7«', V, Сс> Мп, Ре, (Ъ, ЫС. Си, 2ь, л'6, Те, Ри, Щ, /У. "А Га. IV. /Рг, 01; ./,, Р4,Ли.

Для 5, р -элементов обучающая выборка включала Ыа, Ма, А(,

а, Ни, \ -7». ^ Ге> в«. те- р6. 6,-.

В результате исследования было установлено, что наиболее информативные физико-химические характеристики (теплота сублимации, температура кипения, энергия овязи) элементов взаимосвязаны о характером изменения, ширинами с/ -полоо и энергией Ферми как для , так и для с/-элементов.

Далее была проведена проверка гипотеац о возможности описания межатомного взаимодействия о помощью признаков-функций (I). Для этой цели иодользовали метод случайного, поиска с адаптацией и метод Лбова разделения даокряминантных функций. Суть этой за- ■ дачи сводилась к тому, чтобы по эмпирически установленным штосам двойных диаграмм состояния и признакам-функциям (I) этих систем, построенных на параметрах электронного строения, опреде-. лить наборы таких признаков-функций, использование которых улучшило бы классификацию. С помощью метода случайного поиска о адаптацией путем разделения двойных систем на классы (невзаимодействующие системы, непрерывные твердые раствори, химические

* Расчет проводился аспирантом А.Н.Чичко. 16

соединения и интерметаллиды) установлено, что признаки-функции состава, построенные на характеристиках о'-полос и энергиях Ферт компонентов, отражают величину межатомного.взаимодействия компонентов.

Тагам образом, для анализа процесса формирования химической микронеоднороднооти компонентов литого сплава можно воспользоваться информацией об особенностях строения энергетического спектра электронов их компонентов и,в первую очередь»о характере изменения энергии и ширине с/ -полос. В связи с-этим на следующем этапе исследования была решена задача выделения параметров энергетического спектра электронов, компонентов, "отвечающих" за формирование видов химичеакой микронеодвородности классификационной модели, 0 этой целью были рассчитаны энергетические спектры компонентов алюминиевых систем, изученных ранее. ■

На основе сравнительного анализа энергетических спектров компонентов двойных алюминиевых сплавов и классификационной модели химической микронеоднородности установлены основные характеристики энергетического спектр,т, определяющие межатомное взаимодействие компонентов, сопровождающееся образованием соответствующих фаз. Так, для случая сильного межатомного взаимодействия компонентов, сопровождающегося образованием интерметаллидов, характерно перекрытие с/, $ -полос взаимодействующих компонентов в зоне, (Ограниченной их уровнями Ферми. Для случая образования твердых растворов характерно межатомное взаимодействие компонентов, сопровождающееся коллективизацией электронов, а для расслаивающихся систем - отсутствие взаимодеймшя: полосы компонентов не перекрываются, коллективизации электронов не наблюдается. Используя полученные закономерности, установлено, что каждой группе классификационной модели соответствует свой вид- энергетических спектров компонентов,, определяющих их межатомное взаимодействие и химическую микронеоднородность.

Как отмечалооь, характер межатомного взаимодействия двух элементов определяется шириной их с/- и $ -полос; из двух элементов сильнее ликвирует тот элемент, который Имеет, в данном сплаве большую ширину зон. Элементы 1-й группы классификационной модели ( 7?, а , Еъ , , IV ), выделяющиеся в алюминиевых сплавах в виде первичных интерметаллидов, имеют максимальную ширину

полос. Элементы 4-й группы {СУ, Sn , Ы), не взаимодействующие о алюминием и образующие расслаивающие системы, характеризуются минимальной шириной полос. Элементы 2-й ( C'a , лУ , Си ) и Ей, , /lg) групп имеют полоаы промежуточной ширины между ширинами зон элементов 1-й и 4-й групп.

Анализируя полосы основы сплава и легирующего элемента,можно прогнозировать характер их взаимодействия и химическую микро-неоднороднооть.

В тройных алюминиевых системах развитие химической микронеоднородности определяется особенностями строения энергетических спектров компонентов, влияющих на характер их межатомного взаимодействия. В системах с несильным межатомным взаимодействием характер и степень химической микронеоднородности сохраняются такими же, как и в соответствующих двойных системах (элементы 1-й (71' , ?ъ , W , Но ) и 4-й ( &/ , J" , -8/ ) групп классификационной модели). В сплавах, содержащих элементы 2-й группы ( №, Си ), степень их химической микронеоднородности возрастает за счет взаимодействия атомов меди и никеля. В системах, имеющих в своем составе элементы 3-й группы классификационной модели ( ги , , , ), степень их химической микронеоднородности резко возрастает за счет взаимодействия этих элементов и проявляется в образовании интерметаллидов, кристаллизующихся из эвтектики. При этом элементы переходят из первичного твердого раствора в эвтектику, из 3-й группы классификационной модели во вторую. При содержании элементов 2-й ( & , M ) и 3-й ( Mf, г» ) групп элементы 3-й группы изменяют характер химической микронеоднородности на противоположный - концентрируются в осях дендритов, что объясняется более сильным межатомным взаимодействием между основой сплава -алюминием и элементами 2-й группы ( или & ) по сравнению с взаимодействием алюминий-цйнк.

Аналогичная-ситуация наблюдается'..и в многокомпонентных сплавах.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что характер распределения компонентов в многокомпонентных сплавах мож-. но определять, оценивая двойное взаимодействие компонентов; на этой оонове можно выбирать модификаторы и легирующие элементы' для улучшения свойств литейных сплавов.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований рлда механических и литейных свойств двойных алюминиевых сплавов, а также свойотв сплава АК5М2, легированного различными элементами. Построены и исследованы математические модели для указанных свойств. Полученные результаты проанализированы и обобщены с привлечением экспериментальных данных, описанных в литературе. '

Как отмечалось ранее, химическая ыихронеоднороднооть существенно влияет на механические и технологические свойства литейных сплавов. В то же время математические модели, рассмотренные в гл.4, удовлетворительно описывают характер распределения элементов сплава. Это свидетельствует о возможности математического моделирования свойств сплавов на основе признаков-функций, отражающих межатомное взаимодействие компонентов сплава. Вследствие сказанного была решена задача построения и исследования математических моделей предела прочности, твердости, жйдкотекучести, линейной усадки, объема усадочных раковин и рассеянной пористости алюминиевых сплавов. Реализация поставленной задачи осуществлялась на двойных сплавах алюминия и сплаве АК5М2 о атомным содержанием легирующего элемента 0,5 и 1% (Mi, Нд, ¿у. К, 0?, Г/'. Ц , м".

Fe, Со, ЛУ, а, г„, Яе, 2г, А?, Мо, О/, Д/ К/, Pft Щ ).

При формировании обучающей выборки использовались экспериментальные данные для вышеперечисленных свойств и признаки-функции, построенные на физико-химических характеристиках компонентов этих сплавов.

При анализе полученных математических моделей выделена оптимальная группа признаков-функций, которая может быть использована для построения математических моделей о целью оптимизации состава сплава. Установлено, .что для предела прочности и твердости алюминиевых оплавов наиболее информативными являются признаки-функции, построенные с учетом характеристик энергий связи компонентов сплава, что имело меото при исследовании математических моделей химической микронеоднородности компонентов. Для литейных свойств алюминиевых сплавов (жидкотекучесть, усадка, объемы рассеянной пористости и усадочных раковин) имеются общие наборы при-знаков-функидй, построенных на основе характеристик энергий связи компонентов, что имело меото при математическом моделировании

химической микронеоднородности алюминиевых сплавов С это подчеркивает единую природу их формирования).

Результаты математического моделирования литейных свойотв и межатомного взаимодействия показывают, что тенденции к образованию химической микронеоднородности компонентов проявляются еще в жидком состоянии. Эти данные согласуются о современными представлениями о природе жидкого металла.

Анализ математических моделей литейных свойств сплава АК5М2 о атомным содержанием 0,5 и 1% легирующих элементов позволил установить, что наиболее информативными для перечисленных свойств являются признаки-функции,' построенные на электронных характеристиках компонентов сплава (1-й и 2-й потенциал ионизирован, радиус главного макоимума внешних орбиталей атома, электроотрицатель-нооть). Причем концентрация легирующего элемента практически ■ не имеет значения. Различие выделенных 'наборов признаков-функций состава для литейных и механических свойств сплава АК5М2 (литое и термообработанное состояние) свидетельствует о сложном характере взаимосвязи химической микрояеоднорсщности компонентов' для жидкого и твердого состояний этого сплава.

С целью проверки устойчивости полученных результатов были построены и исследованы математические модели механических и литейных свойотв сплавов АК5М2 (литое и термообработанное состояние) и низкоуглеродистой стали. .Экспериментальные данные Но перечисленным сплавам взяты из литературных источников.

Для прочностных свойств сплава АК5Г/12 и низкоуглеродистой стали наиболее эффективны»;: для количественного анализа "состав-свойство" являются признаки-функции, построенные на основе характеристик энергии связи компонентов; для литейных свойств - признаки-функции, прлученные о учетом характеристик электронного строения компонентов, что согласуется о выводами, установленными йа экспериментальных данных автора.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что на основе разработанного метода можно строить адекватные математический модели для механических и технологических свойств литейных сплавов. В связи с этим на следующем этапе исследований были построены математические модели предела прочности и жидкотекучести сплава \K5M2. С помощью таких моделей был выполнен' прогноз влияния ряда

легирующих элементов, не входящих в обучающую выборку, на указанные свойства сплава АК5М2.

Экспериментальная проверка предела прочности .и жидкотекучес-тй сплава АК5М2, легированного различными элёментами, показала удовлетворительное согласие расчетных и фактических данных, что свидетельствует о хорошей прогнозирующей способности разработанных моделей.

В седьмой главе рассмотрены пути управления свойствами литейных сплавов на примере литых быстрорежущих сталей и алюминиевых сплавов. С точки зрения природы'химической микроцеоднороднос-ти проанализированы их важнейшие свойства. Показано, что использование классификационной модели химической шкронеоднородности позволяет выбирать легирующие элементы и модификаторы, способствующие улучшению свойств литейных сплавов.

Ранее (в гл.5) было показано, что, установив характер межатомных связей компонентов сплава, можно прогнозировать состав фаз и характер распределения элементов между ними. Целенаправленно же вводя те или иные компоненты, можно изменять характер межатомного взаимодействия и, как следствие, через химическую микронеоднородность воздействовать на структуру, а следовательно, и свойства сплава.

Механические свойства литейных сплавов в значительной степени зависят от строения интерметаллидных фаз. Если эти Фазы кристаллизуются, в виде тонких игл или пластин, например, ^ -фаза в алюминиевых сплавах, то их наличие весьма неблагоприятно сказывается на механических свойствах сплава.-В результате анализа условий образования /0 -фазы в алюминиевых сплавах, для чего были рассчитаны энергетические спектры компонентов в промышленном алюминиевом сплаве АК5М2, выявлены особенности строения спектров электронов М ,/"<? , 5/ , свидетельствующие о наличии устойчивых связей между ними (2-й тип взаимодействия). Это и является причиной образования р, -фазы ( , , Аг), Избежать данного явления в присутствии Ре и практически невозможно, но можно нейтрализовать отрицательное воздействие этой фазы путем изменения формы с игольчатой на более компактную. Последнее осуществляется ( см.гл.5) введением в сплав компонентов, взаимодействующих с элементами, образующими ув -фазу ( ^ , ). Анализ энергетиче-

оюцс спектров различных элементов в сплаве АК5М2 показал, что . такими компонентами могут быть & , О,,, Со , Ми, Ш , Мо. Экспериментально установлено, что при введении указанных элементов в сплав АК5М2 игольчатая форма р -фазы меняетоя на более компактную.

Один из способов улучшения свойств литейных сплавов - упрочнение первичного твердого раотвора, выступающего в роли матрицы, передающей нагрузку на хрупкие илтерметаллидные фазы. С .этой целью сплав целесообразно легировать совместно элементами 2-й и 3-й групп классификационной модели. Элементы 3-й группы в данном . олучае сосредотачиваются в первичном твердом растворе. Экспериментальные исследования показали, что.совместное легирование & и 2>1 приводит К тому, что-циИК полностью фиксируется в твердом растворе, упрочняя его. Эвтектика на основе соединения СиА(ж увеличивает жидкотеку честь ойлавов. Соединение растворимо

при нагреве под 'закалку, что Приводит к дополнительному упрочнению твердого раствора й ликвидации о границ зерен хрупкой фаэы

. Механические свойства гёНлава при этом существенно Возрастают. ■ .

Характер распределения хрупких интерметаллидных фаз значительно улучшается прй введений в сплав модификаторов,образующих центры кристаллизации. Под- влиянием Такого рОда модификаторов дендриты первичного твердого раствора формируютсА в виде разветвленных кристаллов, в результате фазы, кристаллизующиеся из эвтектики, располагаются в межосных пространствах дендритов, что приводит к их измельчению. Такого рода модификаторами являются элементы 1-й группы классификационной модели. Их выбор может быть осуществлен на основе анализа энергетических спектров-растворителя и добавок.

Предпочтение следует отдавать элементам, имеющим максимальную ширину взаимодействующих электронных полос с.растворителем. Образующиеся в этом случае Грутшровки атомов, наиболее устойчивые при перегреве,-будут инициировать зарождение кристаллизующихся фаз. Осуществлен выбор такого рода-модификаторов для-литых быстрорежущих сталей.

Как известно, одним из способов улучшения свойств литейных сплавов является модифицирование эвтектики. В вопросе выбора та-

кого рода модификаторов имеются еше значительные трудности.Предлагается метод их выбора, базирующийся на анализе межатомного взаимодействия компонентов сплава.

При наследовании структуры и свойств литой быстрорежущей стали установлено, что CJ, $(,, Ы оказывают положительное влияние на отроение карбидной эвтектики. Структурные составляющие эвтектики измельчаются,•карбиды приобретают благоприятную округлую форму, сетка эвтектики вокруг зерен первичного раствора разрыва-етоя. Вое это способствует значительному, повышению ударной вязкости (в 1,5...2,5 раза) литой быотрорежущей' стали.

Анализ энергетических спектров компонентов быстрорежущей стали показывает,•что Cd , Ы о основой сплава взаимодействуют по типу элементов '4-й группы, т.е. наблюдается его расслоение и

Сс/, e>i сосредотачиваются в последних попциях кристаллизующего- . оя металла. Но с легирующими элементами быстрорежущей отали с^, wf у , Мо, образующими эвтектику,'О/и 6»' взаимодействуют по 2-mj* типу о образованием устойчивых межатомных овязей. Этим и объясняется их модифицирующее влияние на карбидную эвтектику литой быотрорежущей стали.

Таким образом, анализируя энергетические спектры компонентов литейных сплавов, можно производить выбор легирующих элементов и модификаторов и улучшать тем самым их овойства.

Установлено, что, моделируя межатомное взаимодействие компонентов литейных,сплавов с помощью признаков-функций, построен— ных на физико-химических характеристиках, можно отроить математические модели и о их помощью оптимизировать состав сплава. Предложен метод оптимизации сплава, учитывающий технологию изготовления отливкк. В его основе лежат' положения и идеи, развитые в настоящей работе. Экспериментальная проверка, выполненная для ряда механических и технологических свойств литейных сплавов,подтвердила возможность оптимизации состава с помощью предложенного метода .

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана группа литейных алюминиевых и железоуглеродистых сплавов с повышенным комплексом литейных и механичеоких овойств. Предложенные сплавы защищены авторскими свидетельствами СССР и внедрены на Минском станкостроительном заводе им.С.М.Кирова, Ча-

ренцаванском заводе "Центролит", Оршанокоы инструментальном заводе, Алтайском тракторном заводе и ряде заводов МОП о годовым экономическим эффектом свыше 300 тыс.руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДУ

1. Проведенные экспериментальнйе и теоретические исследования позволили сформулировать нетрадиционный подход к исследованию химической микронеоднорфхносТй сплавов, не связанный с диаграммой состояния, что дало возможность, осйовываяоь на характеристиках- компонентов, получать информацию о характере химической микронеоднородности сплава.

2. Для неравновесных условий кристаллизации разработана классификационная модель химической микронеоднородности компонентов двойных алюминиевых сплавов, позволяющая'разделить их ' на группы по виду химической «икройеаднороднрети в зависимости от степени межатомного взаимодействия. Согласно такой классификационной модели, в 1-ю группу включены элементы, сильно взаимодействующие с алюминием ( ТС, <Х , л/и, Со , ?ъ, N1., Но, и/ ) и образующие первичные интерметаллиды, во 2-ю - вошли элементы ( СЪ , М' ,

&) с более слабыми связями с алюминием, выделяющиеся преимущественно из-жидкости эвтектичеокого состава в'виде интерметалли-дов с невысокой степенью связи. К 3-й группе отнесены такие элементы, как Му , , Ое, имеющие слабое межатомное взаимодействие с атомами алюминия (по сравнению с элементами 1-й и 2-й групп) и выделяющиеся в виде твердого раствора. Последняя (4-я) классификационная группа включает элементы, не взаимодействующие о алюминием и выделяющиеся в процессе кристаллизации в виде чистого элемента. Межатомное взаимодействие в группах классификационной 'модели изменяется по закону Р1 > Р2 где Р - степень межатомного взаимодействия компонентов сплава.

■ ■ Анализ экспериментальных данных по химической микронеоднородности в многокомпонентных алюминиевых, железных и никелевых ' сплавах, проведенный с учетом межатомного взаимодействия компонентов,, показал, что классификационная модель химической микронеоднородности, разработанная на двойных алюминиевых системах, удовлетворительно описывает характер распределения элементов в структуре сплавов. 24

3. На основе сравнительного анализа энергетических спектров компонентов двойных алюминиевых сплавов и классификационной модели химической'микронеоднородности установлены основные характеристики энергетичеокого спектра электронов, .определяющие межатомное взаимодействие компонентов и их химическую микронеоднород-нооть. В результате установлено следующее: I) характер межатомного взаимодействия двух элементов определяется шириной их </• и

5 -зон; 2) из двух элементов сильнее ликвирует тот элемент, который имеет -в данном сплаве большую ширину зон; 3) элемент 1-й группы классификационной модели ( ТГ , Съ , , /V« , и/ ), выделяющиеся в алюминиевых сплавах в виде первичных интерметаллидов, имеют максимальную ширину зоны; 4) элементы 4-й-группы ( , СУ , й*), не взаимодействующие с алюминием и образующие расслаивающиеся системы, характеризуются минимальной шириной зоны; 5) ширина зоны, элементов 2-й ( , Ш, (Ь ) и 3-й ( , Л , $е ,- ^)групп классификационной модели занимает промежуточное значение между ширинами зон элементов 1-й и 4-й групп.

Анализируя зоны основы сплава и легирующего элемента, можно прогнозировать характер их взаимодействия и химическую микронеоднородность.

4. Сформулированы основные положения о распределении элементов в сложных системах. Так, в тройных алюминиевых системах развитие химической микронеоднородности определяется особенностями строения энергетических спектров компонентов, влияющих на характер их межатомного взаимодействия. В тройных сплавах, где элементы между собой не обнаруживают сильного'межатомного взаимодействия, характер и степень химической микронеоднородности сохраняются такими же, как и в соответствующих двойных системах.С элементы 1-й ( Т(, %-ь ,мо) и 4-й ( СУ, й, Ы ) групп классификационной модели). В тройных сплавах, спержащих элементы 2-й группы,

( № ,Си ), степень химической микронеоднородности больше, чем в двойных, за счет взаимодействия атомов меди и никеля. В системах, имеющих в своем составе элементы 3-й группы классификационной модели ( Щ, , Ад ,4е), степень химической микронеоднородности резко возрастает по сравнению с двойными сплавами за счет взаимодействия элементов и проявляется в образовании интерметаллидов, криотал'шзирующихоя из эвтектики. При этом элементы переходят из

3-й груши классификационной модели во 2-ю. При содержаний в сплаве элементов 2-й {№,<*) и 3-й (^, .2,) груш элементы 3-й группы ( Ни ) изменяют характер химичеокой микронеоднородности на противоположный - концентрируются в осях дендритов, что объясняется более сильным межатомным взаимодействием между ооновой оплава - алюминием и элементами 2-Й группы ( /V«' Или С/ ) по сравнению о взаимодействием елиминий-цинк.

5. Показано, что в четверных и более сложных системах характер и степень микронеоднородностй сохраняются такими же, как и в двойных системах, если' в сплавах отсутствуют взаимодействующие между собой элементы. При наличии в'их ооставе элементов 2-й

& ) или 3-й ( Ну, Ни, (¡е , групп наблюдается увеличение степени химической микронооднородностй. В сплавах, содержащих одновременно элементы 2-Й и 3-Й групп классификационной модели, элементы 3-й группы изменяют характер химической микронеоднородноо-ти с прямой на обратную.

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что характер распределения компонентов в многокомпонентных сплавах можно определять-, оценивая их двойное взаимодействие, и уже на этой основе можно выбирать модификаторы и легирующие элементы для улучшения свойств литейных сплавов.

6. На основе сравнительного анализа электронного строения компонентов системы Я?-С/ . сформулировано новое положение об образовании /3 -фазы в литейных алюминиевых сплавах, заключающееся в том, что данный процесс осуществляется в том случаи, если уровни Ферми их компонентов различны, а с/ -зоны пере- . крываются между собой. Если в сплаве присутствуют элементы (• & ,

О,, Со , Ил , Ы( ), с/ -зоны которых перекрываются с зонами ^е , при кристаллизации р> -фаза изменяет свою форму с игольчатой на более компактную.

7. Сформулирована новая концепция о влиянии легкоплавких элементов С</, ЬГ на* свойства литых быстрорежущих сталей Р6М5, РШ5К5.' Она основана на том, что вопреки традиционно предполагаемому отсутствию взаимодействия между основными легирующими элементами стали ( Ц, , и/ , М*, V. я СсУ , Ы ) с помощью сравнительного анализа электронных спектров (электронной структуры) показана возможность межатомного взаимодействия между ними, что и

является причиной модифицирования карбидной эвтектики и повышения ударной вязкости быстрорежущей стали.

Ча основе указанного эффекта разработаны составы литых быот-рорежуших оталей, которые имеют повышенный комплеко эксплуатационных свойств (твердость 64-67 ИБС, теплостойкость 60-64 HRC, ударная вязкость 50-250 кДж/м^). В условиях производства установлено, что отойкость инструмента, изготовленного из предложен-ных'сталей,в 1,1-2,2 раза выше, чем аналогичного инструмента,выполненного из проката< Приоритет на разработанные стали защищен авторскими свидетельствами.

8. Предложен новый полуэмпирический метод оценки влияния модифицирующих и легирующих элементов на свойства литейных опла-вов и последующей оптимизации их состава, основанный на учете технологии изготовления отливки и межатомном взаимодействии компонентов сплава. На группе двойных и промышленных алкмшшевых

• сплавов показана возможность применения метода для улучшения прочностных (предел прочности при растяжении) и технологических (усадки, пористости, жидкотекучеоти) свойств литейных оплавов.

9. С помощью методов математического моделирования межатомного взаимодействия выделены системы параметров, которые позволяют строить адекватные математические модели для предела прочности, твердости, жидкотекучеоти, литейной уаадии, пористости литейных сплавов. Установлено, что для сплавов типа АК5М2 при математичеоком моделировании таких овойотв, как жидкотекучеоть, усадка, пористость, необходимо использовать потенциалы ионизации, радиус внешних орбиталей атомов й электроотрицательность компонентов, а для моделирования прочностных свойств - теплоту сублимации, температуры кипения и плавления, энергии связи компонентов.

10. С помощью разработанного метода построены математические.модели и выполнен прогноз предела прочности и жидкотекучеоти промышленного сплава АК5М2, легированного К , СЬ , £е , R6 ,

Si , Y , 1г , Л/<5 , На , 1ь , Те , Ru ,-ßh , ьУ, , во , Lq , Hf, Та , w , ße . Экспериментальная проверка показала удовлетворительное согласование фактических и расчетных данных, что свидетельствует о возможности оптимизации свойств сплава с помощью предлагаемого метода.

II. Предложенные принципиальная схема поиска факторов состава для управления свойствами сплавов, основанная на анализе взаимосвязей между особенностями электронного строения компонентов сплава и его фазами, и метод оптимизации состава сплава апробированы на группе алюминиевых и железоуглеродистых сплавов. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана группа литейных алюминиевых и .железоуглеродистых сплавов с повышенным комплексом литейных и механических .свойств. Предложенные сплавы защищены авторскими свидетельствами СССР и.внедрены в производство с годовым экономическим эффектом свыше 300 тыс.руб.

Основные научные и практические результаты, включенные в диссертации, с достаточной полнотой изложена в Перечисленных ниже публикациях. .

1. Соболев В.Ф. Связь t/ежду составам и характером ликвации элементов сплава //Металлургия. Мн.: Вышэйш.шк., I977.-Bun.llr С.87-90.

2. Соболев В.Ф. Влияние микролегирования на.дендритную ликвации в сплаве // Металлургия. Mrt.i ВышэШишк., 1978.-Выв.12-

С.21-23.

3. Соболев В.Ф., Чаус А*С., Дубко А.П. Влияние модифицирования на овойстВа Литой быстрорежущей стали // Металлургия. Мн.: Вашзйш.ик., 198Э.-ВыП.14.-С. 38-40.

4. Соболев В.Ф., Чаус A.C., Дубко А.11. Улучшение- сВойоТв литой быстрорежущей стали // Металлургия. Мн.: Вышэйш.шк., 1981-ВылЛ5.-СЛ5-16.

5. Соболев В.Ф., Чауо A.C. Диффузия легирующих элементов в рабочей зоне металлорежущего инотрумента // Химико-термичбскал обработка металлов и сплавов. Мн.: Вшжзйш.шк., 1981-С.330-331.

6.- Вельский Е.И., Соболей В.Ф., Чауо A.C. Исследования влияния термичеокой обработки на структуру и свойства литой быстрорежущей стали // Вопроси прочности и пластичности. Мн.: Наука и техника, I98L.-C.4&-46.

7. Соболев В.Ф.,'Чаус A.C., Дубко А.П., Кузьмин В.В. Модифицированные литые быстрорежущие стали // Металлургия. Мн.: Вышэйш.шк. , 1982.- Вып.16,- С.32-37. ;

■8. Вельский Е.И., Кулагин В.-Н., Соболев В.Ф., Кечии.О.Н.

Эффективность производства литой технологической оснастки и инструмента. Мн., I982.-C.46.

9. Соболев В.Ф., Чичко А.Н. Закономерности формирования микроликвации в двойных сплавах на оонове алюминия. Мн.: I982.-C.6. Рукопиоб представлена Белорусским политехническим институтом. Деп.. в БелНИИНТИ 4 июня 1982 г., Л 409.

10. Соболев В.Ф., Матюкевич В.Б., Чичко А.Н. Особенности формирования микроликвации в о плавах А(- Сч-Zn // Металлургия. Мн.: Вышэйш.шк., 1983.-Вып.17-С.53-55.

11. Соболев В.Ф., Матюкевич В.Б., Чичко А.Н. Определение параметров структуры металлов, влйяхших на характер распределения легирующих элементов в двухкомяонентных•оплавах // Металлургия. Мн.: Вышэйш.шк., 1983.-ВыпД7.-С.55-57.

12. Вельский Е.И., Соболев В.Ф., Чауо A.C. и др. Разработка и применение новых литых быстрорежущих сталей. Материаловедение в машиностроении. Uh.: Вышэйш.шк., I983.-C.6-9.

13. Соболев В.Ф., Рудницкий Ф.И., Чичко А.Н. Исследование механических овойств и физических характеристик литой быстрорежущей стали Р6М5 // Пути повышения эффективности использования инструментальных материалов: Тез.докл.Республ.науч.-техн.конф. Мн.: Вышэйш.шк,, I983.-C.I9-20.

14. Соболев В.Ф. Особенности формирования микроликвации в многокомпонентных сплавах // Пути повышения эффективности использования инструментальных материалов: Тез.докл.Республ.науч.-техн. конф. Мн., I983.-C.I2-I3.

15. Вельский Е.И., Соболев В.Ф., Чаус A.C. и др. Литые быстрорежущие стали в производстве металлорежущего инструмента и штампов // Тез.докл. П Всесоюз.науч.техн.съезда литейщиков. М., 1983.-С. 93-94.

16. Соболев В.Ф., Чауо A.C.,., Рудницкий Ф.И., Олейников М.Н. Модифицирование литых быстрорежущих оталей // Прогрессивные технологические процессы литейного производства, термической л химико-термической обработки: Тез.докл.Зональн.науч.-техн.конф. Владимир, I983.-C.II—12.

17. Соболев В.Ф., Чаус A.C., Дубко А.П., Олейников М.Н. Некоторые особенности износа и стойкости инструмента из литой и деформированной быстрорежущей стали Р6М5 // Металлургия. Мн.:

Вышэйш.шк., 1984.-Вып.18.-С.80-82.

18. Соболев В.Ф., Чаус A.C., Рудницкий Ф.И. Исследование прочностных овойств литых быстрорежущих сталей // Металлургия. Мн.: Вышэйш.шк., 1987.-Вып.18.-С. 82-87.

19. Вельский Б.И., Соболев В.Ф.Чичко А.Н. Расчет-свойств алюминиевых сплавов на основе электронного отроения их компонентов // Совершенствование технологических процессов и повышение качеотва отливок из чугуна и,цветных металлов: Тез.докл.Зональн. науч.-техн.конф. Андропов, I987.-C.III-II2.

20. Ннука Ццжин, Чичко А.Н., Соболев В.Ф. Влияние модифицирования на механические и физические свойства алюминиевых сплавов // Совершенствование технологических Процессов и повышение качества отливок из чугуна и цветных металлов; Тез.докл.Зональн. науч.-техн.конф. Андронов, I984.-C.II8.

21. Соболев В.Ф., Чичко А.Н., Боровик О.Н. Прогнозирование свойств литых сплавов на основе их электронного строений // Пути интенсификации технического перевооружения литейного производства и задачи повышения качества и снижения металлоемкости: Тез. докл.республ.науч.-техн.конф. Ташкент, 1987.-С.217-218.

22. Соболев В.Ф., Пнука'Юджий, Чичко А.Н. О Природе действия модификатороа в литых сплавах // Металлургия. Мн. s Вышэйш. ■шк., 1985.-Bbin.I9.-C.60-62.'

23. Соболев В.Ф;, Боровик Ф.Н., чичко А.Н. Влияние электронной структуры компонентов сплава на образование интерметаллй-дов в алюминиевых сплавах // Весц! АН БССР. Сер.Ф^з.-тэхн.навуй. 1985 -й 2.-С.21-23.

24. Соболев Б.Ф.Чичко А.Н., Боровик Ф.Н. К вопросу о проч-. ности механических свойств литых материалов. Мн., I985.-C.9. Рукопись представлена Белорусским политехничеоким институтом; Деп.

в ВИНИТИ 4 сентября 1985 г., !t 6514-85.

25. Чичко А.Н., Соболег,, В.Ф. Расчет свойств литых сплавов на основе электронного строения их компонентов // Применение малоотходной технологии отливок из черных и цветных металлов для энергонасыщенных тракторов: Тез.докл.Зональн.науч.-техн.конф. литейщиков. Чебоксары, I9B4.-C.84-85.

26. Чичко А.Н., Соболев В.Ф., Боровик Ф.Н. Сравнительная оценка растворимости .элементов в алюминиевых системах // Метал-

лургия» Мн.: Вышэйп.шк., 1986.-Bun.20.-G.25-26.

27. Соболев-В.Ф., Чичко А.Н., Боровик Ф.Н. Сравнительная оценке литейных свойств сплавов // Металлургия. Мн<: Вышэйш.шк., 1986.-Вып.20.-С.47-48.

28. Соболев В.Ф., Чичко А.П., Боровик Ф.Н. Прогноз механических овойств литых сплавов на ЭВМ с использованием параметров электронного спектра // Экономия металла при конструировании и производстве отливок: Межвуз.сб.науч.тр, Пенза, 1986,-Вып.I,-

С.33-35.

29. Соболев.В.Ф., Чичко А.Н. Использование математических моделей для повышения литейных свойств сплавов на оонове физико-химйчеоких характеристик их компонентов // Механизация и повышение эффективности технологических процессов производства отливок металлургического оборудования. Днепропетровск, 1986.-С.175-176.

30. Соболев В.Ф., Чичко А.Н., Боровик Ф.Н. О связи литейных овойств сплавов с параметрам их состава // Докл. АН БССР. 1986.Т. 30 -С. 818-821.

31. Соболев В.Ф,, Чичко А.Н. О возможностях, расчета параметров кристаллизации сплава на основе физико-химических характеристик их. компонентов // Повышение производительности труда, экономия материальных и энергетических ресурсов в литейном производстве. Барнаул, 1987.-С.54. ■

32. Соболев В.Ф., Чичко А.Н. Зависимость литейных овойств алюминиевых сплавов от характеристик их компонентов // Металлургия. Ми.: Вышэйш.шк., .1987.-Bun.2I.-C.64-66.

33. Соболев В.Ф., Чичко А.Н. Зависимость параметров кристаллизации алюминиевых сплавов от характеристик их компонентов // Металлургия. М., 1987.-Вып.21 .-С.66-68.

34. Соболев В.Ф., Чичко А.Н., Боровик Ф.Н. О путях математического моделирования межатомного взаимодействия мастеров в расплавах // Наследственность в литых сплавах. Тез.докл.Всесоюз. науч.-т'ехн.конф. Куйбышев, 1987.-С.79-80.

35. Чичко А.Н., Соболев В.Ф. Построение одномерных математических моделей процесса растворения компонентов бистроохлаж-денных -сплавов //Металлургия. Ин.: Вышэйш.шк., 1988.-Вып.22т-С.52-54.

36. Соболев В.Ф., Чичко А.Н. Пути математического моделиро--

вания процеооа ликвации в сплавах // Металлургия. Мн.: Бышэйш. шк., 198Й.-ВЫ11.22.-С.57-59.

37. Соболев-В.Ф., ЧичкО А.Н. Химичеокая микронеоднородность в литых сплавах и ее математическое моделирование // Весц1 АН БССР. Сер.ф4з.-Тэхн.йавук. 1989.-Л Г.-С.21-26.

38« Соболев В.Ф., Чнчко А.Н., Боровик Ф.Н. О параметрах, определяющих тип межатомного взаимодействия компонентов в сплавах // Металлургия* Мн.:- Вышэйш.шк., 19В9.-Вып.23.-С. 80-84.

39. Соболев В.Ф., Чйчко Л.Н. Моделирование овойств оплавов' N Литейн.про-во. 1989.-М 10.-С.7-9.

По теме диссертации получены следующие авторокие свидетельства СССР: 917558, 914648, 908927, 1092990, 1098976, 1109466, 1109464, 1047213, 1067849, Ш3423, 1148364, 1126624, 1122743, 1300956, 11227' ""......