РАБОТА ЛАБОРАТОРИИ ФТИЭМ
ПО РАЗРАБОТКЕ КУРСА ЛЕКЦИЙ

 На состоявшемся 14-15 января 2000 г. в Москве Всероссийском совещании работников образования были приняты основные документы и решения. Система образования призвана, в частности, обеспечить:

• организацию учебного процесса с учетом современных достижений науки, систематическое обоснование всех аспектов образования, отражающего изменения в сфере науки, техники и технологий;
• участие педагогических работников в научной деятельности;
• подготовку высокообразованных людей и высококвалифицированных специалистов способных к профессиональному росту в условиях развития новых наукоемких технологий;
• развитие высших учебных заведений как центров образования, культуры, науки и новейших технологий;
• интеграцию образования, науки и производства включая интеграцию научных исследований с образовательными учреждениями, науки и образования с производством.

 На состоявшейся 29 февраля 2000 г. в Москве коллегии Министерства образования РФ были определены основные задачи развития образования в России в 2000 г., из которых наиболее важной была названа - повышение качества образования. К одной из мер по обеспечению качества образования было отнесено укрепление учебно-лабораторной и материально-технической базы образовательных учреждений, создание учебно-научных центров (УНЦ).

 В квалификационных требованиях Государственного Стандарта к профессиональной подготовке специалистов, обозначена необходимость привлечения студентов к научно-исследовательской деятельности. А для преподавателей обозначена необходимость внедрения в учебный процесс новейших результатов, достигнутых в научных исследованиях.

 В сентябре 1999 года в учебно-научной деятельности лаборатории ФТИЭМ произошли значительные изменения. Силами научного руководителя лаборатории и руководством кафедры "Технология машиностроения", накопленный в лаборатории ФТИЭМ многолетний научно-технический потенциал, был успешно внедрен в учебный процесс. На основе новейших научных достижений, на основе 30 летнего опыта работы д.т.н., профессора М.А. Скотниковой в области исследования структурных и фазовых изменений в машиностроительных материалах после широкого спектра технологических и термомеханических обработок и защищенной докторской диссертации, были разработаны Рабочие Программы по дисциплинам:

• "Повышение качества поверхности и эксплуатационных свойств деталей машин" (86 часов), для специальности № 120100;
• "Физика технологических процессов в машиностроении" (65 часов), для специальностей № 120100 и № 120152;
• "Триботехническое материаловедение" (68 часов), для специальностей № 071200 и № 120100-Т);
• "Структурообразование в процессе обработки металлов давлением" (48 часов), для специальности № 120400 "Машины и технология обработки металлов давлением".

ФИЗИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В МАШИНОСТРОЕНИИ

Введение

 Сегодня, мы стоим на пути необходимости создания, контролируемых технологических процессов, что обеспечит повышение качества и надежности работы деталей машин и конструкций, увеличение их срока эксплуатации. Основополагающим принципом такой деятельности является научно-обоснованная комплексная разработка всей цепочки технологических процессов: от промышленного литья, производства заготовок, их окончательной механической обработки до материаловедческого контроля в процессе эксплуатации готовых изделий.

 На каждом этапе такого комплексного технологического процесса, материал заготовки наследует структурно-фазовые изменения и перераспределение легирующих элементов. При этом изменяются его свойства.

 В энергетическом машиностроении проблема высокоскоростной обработки возникает не только на этапе изготовления лопаток паровых турбин, но и при их эксплуатации, во время которой развивается эрозионное разрушение их поверхностей. Высокоскоростная каплеударная обработка их частицами пара со скоростью 200…500 м/сек вызывает скорость пластической деформации (10 ⁺⁴…10 ⁺⁶, 1/сек).

 Считается, например, что двухфазные (α + β)- титановые сплавы мартенситного класса (например, ВТ6, ТС5) являются перспективными материалами для изготовления лопаток паровых турбин атомных станций большой мощности, что обусловлено их стойкостью к высокоскоростному каплеударному воздействию частицами пара.

 Поэтому технологические проблемы, на решение которых могут быть направлены результаты, полученные специалистами в области "Физики технологических процессов в машиностроении", можно сформулировать, например, как:

1. "Повышение эффективности высокоскоростных технологических обработок металлических заготовок, как результат понимания и контроля структурно-фазовых превращений протекающих в их материале".
2. "Разработка научно-обоснованной технологической цепочки изготовления титановых лопаток паровых турбин обладающих высокой эрозионной стойкостью без дорогостоящего покрытия, как результат понимания и контроля структурно-фазовых превращений протекающих в материале".

 За 30-летний опыт работы специалистами лаборатории ФТИЭМ, особенно с титановыми сплавами, на каждом этапе технологической цепочки изготовления готовой продукции, ими разработаны свои подходы:

   1.  Разработан новый подход на этапе производства заготовок из титановых сплавов. Как показано в работах [48, 52, 55, 80, 81], авторами разработана обобщенная кинетическая диаграмма структурно- фазовых превращений деформированных титановых сплавов в широком температурно-временном интервале, установлена связь со свойствами. Показано, что наиболее высокой технологичностью титановые сплавы обладают при деформации в температурно - временном интервале, в котором содержится равное 50% содержание высокотемпературной α- и β- фаз.
   1.1  Как показано в работах [55,81], авторами впервые разработан метод оценки, помимо "абсолютных" температур, температуры "приведенные" к определенному количеству высокотемпературной β - фазы (Т10; Т15; Т20; Т30; Т50; Т65; Т75; Т100). Например, при изготовлении лопаток паровых турбин, для каждой партии пруткового лопаточного материала, перед штамповкой, необходимо провести эксперимент и установить зависимость нарастания содержания высокотемпературной β- фазы по мере увеличения абсолютной температуры нагрева. Деформация (штамповка) лопаточного материала в интервале приведенных температур Т45-Т50 должна быть наиболее технологичной. При этом проработка материала по всему сечению лопатки должна быть более однородна по структуре и свойствам.
   1.2  Показано, что в интервале приведенных температур Т10 - Т15 рекомендуется проводить окончательную термическую обработку, при которой в материале формируется полигонизованная дислокационная структура с дисперсными "мягкими" включениями β- фазы. При этом достигаются высокие эксплуатационные свойства титановых изделий.
   2.  . Разработан новый подход на этапе механической обработки заготовок изделий из титановых сплавов.
 Как показано в работах [82,97,100,116], авторами впервые разработана модель стружкообразования с учетом волновой теории пластической деформации при высокоскоростной лезвийной механической обработке поверхностей титановых изделий. Рассматривается вопрос о выборе научно-обоснованного технологического режима обработки, повышения качества поверхности и надежности деталей машин, снижения износа инструмента.
   3.  Разработан новый подход на этапе эксплуатации готовых изделий из титановых сплавов, подверженных каплеударному воздействию частицами пара.
 Как показано в работах [95,115,126], авторы изучив эрозионные повреждения поверхностей титановых лопаток из сплава ТС5 на макро- и микро- уровне, показали, что и в этом случае волновая природа пластической деформации приводит к типичным для больших скоростей структурно- фазовым превращениям.
 Для того, чтобы смоделировать действие частиц пара, формирующих одноосную ударную волну в объеме образцов-свидетелей титановых лопаток, был предложен принципиально новый подход [126]. Образцы из материала лопаток проводились высокоскоростному нагружению с помощью легкогазовой пушки (пневмокопра). Исследованы механизмы деформации и разрушения плоских мишеней из сплава титана ВТ6 и изменение их свойств вдоль и поперек направления движения ударной волны со скоростью 400…600 м/с. Показано, что структурно-фазовые превращения при высокоскоростном нагружении играют первостепенное значение. Установлены закономерности фазовых превращений.

Заключение

 На основе кратко изложенного научного задела, в рамках дисциплины "Физика технологических процессов в машиностроении", излагается лекционный материал по следующим главам.

 Глава 1. Физика прочности машиностроительных материалов.

• Основные механизмы пластической деформации и разрушения;
• Физические основы упрочнения машиностроительных материалов;
• Учет влияния температуры, степени, скорости пластической деформации, вида упруго-напряженного состояния и энергии дефекта упаковки материала.

 Глава 2. Формирование и контроль внутренних напряжений в материалах заготовок и изделий после различных технологических обработок.

 Основные факторы, приводящие к формированию внутренних напряжений:

• Механические;
• Термические;
• Структурно-фазовые;
• Коррозионные.

 Глава 3. Релаксация внутренних напряжений в материалах заготовок и изделий по механизмам структурных и фазовых превращений.

• Закономерности превращения субструктур с увеличением степени пластической деформации материалов;
• Закономерности структурных и фазовых превращений в деформированных материалах с повышением температуры нагрева;
• Закономерности фазовых превращений в машиностроительных материалах с увеличением скорости их деформирования.

 Глава 4. Физика технологических процессов в машиностроении.

• Повышение технологичности режима штамповки материала лопаток паровых турбин и выбор окончательного термической обработки, при которых достигаются их высокие эксплуатационные свойства (стадия производства заготовки);
• Закономерности структурных и фазовых превращений в машиностроительных материалах при высокоскоростной лезвийной обработке(стадия производства изделия);
• Закономерности структурных и фазовых превращений в машиностроительных материалах при ударном нагружении со скоростью 400…600 м./c (стадия эксплуатации).

 Глава 5. Качество поверхности и эксплутационные свойства деталей машин.

• Качество поверхности заготовок и изделий машиностроительных материалов;
• Физические основы повышения качества поверхности после различных технологических обработок;
• Нанесение регулярно микрорельефа, как способ перераспределения остаточных напряжений в поверхностном слое заготовок и изделий;
• Повышение качества поверхности и эксплуатационных свойств заготовок и изделий.