Композиционные материалы в технике и перспективы их получения при производстве отливок: Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ _________________________________________________

А.А. Черный, В.А. Черный КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ТЕХНИКЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОТЛИВОК

Учебное пособие

Пенза 2007 г.

УДК 669.621.74

Черный А.А., Черный В.А. Композиционные материалы в технике и перспективы их получения при производстве отливок: Учеб. пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. – 60 с.: 24 табл., библиогр. 15 назв.

Изложены составы, свойства, получение и применение в технике композиционных материалов, приведен новый способ получения отливки применительно к композиционным изделиям, показана возможность разработки новых композиционных материалов на основе математического моделирования, приведены планы, алгоритм и компьютерные программы, разработанные с использованием эффективной методики математического моделирования. Учебное пособие подготовлено на кафедре «Машины и технология литейного производства» Пензенского государственного университета. Оно может быть использовано в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Машины и технология литейного производства», а также аспирантами, инженерно-техническими работниками при выполнении научно-исследовательских работ. Рецензенты: Научный совет Пензенского научного центра; А.С. Белоусов, главный металлург ОАО «Пензадизельмаш».

©

А.А. Черный, В.А. Черный, 2007

2

ВВЕДЕНИЕ Развитие машиностроения потребовало разработки новых конструктивных материалов, в частности, композиционных материалов. Композиционный материал получают путем введения в основной материал определенного количества другого материала, который добавляется в целях получения специальных свойств. Композиционный материал может состоять из двух, трех и более компонентов. Размеры частиц входящих компонентов могут колебаться в широких пределах – от сотых долей микрометров (для порошковых наполнителей) до нескольких миллиметров (при использовании волокнистых наполнителей). Композиционный материал – конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами. Выбор конструкционного композиционного материала зависит от физико-механических и эксплуатационных свойств, на которые влияет технологический процесс получения самих конструкционных материалов и деталей из них. Процесс изготовления деталей из этих материалов характеризуется высоким коэффициентом использования материала, малой трудоемкостью, высокой механизацией и автоматизацией [1]. После того, как современная физика металлов разъяснила причины пластичности и прочности композиционных материалов, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Это приведет в будущем к созданию материалов с прочностью, во много раз превышающей ее значения у обычных сплавов.

3

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ТЕХНИКЕ Композиционные материалы (КМ) широко используются в технике. Они применяются в авиации, космической технике, автомобилестроении, горной промышленности, гражданском строительстве. Применение композиционных материалов позволяет увеличивать мощность двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшать массу машин и приборов. Композиционные материалы с неметаллической матрицей, а именно полимерные карбоволокниты, используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании. Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры. Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов). Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов [7], [8]. Композиционные материалы обладают уникальными свойствами теплоизоляции (тепло- и звукоизоляция салонов, кабин, узлов и агрегатов автомобилей, производственных и бытовых помещений). Отработана технология изготовления деталей из фрикционного самосмазывающего композиционного материала, накладок фрикционных гасителя колебаний рессорного подвешивания. В технике нашли широкое применение дисперсно-упрочненные композиционные материалы (ДКМ). Материалы данного типа относятся к классу порошковых , в которых матрица из металла или сплава упрочняется искусственно введенными мелкодисперсными частицами размером менее 0,1 мкм в количестве 0,1 – 15%. В качестве упрочняющей фазы используют дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений. Смеси порошков получают механическим или химическим смешиванием, поверхностным или внутренним окислением, разложением смеси

4

солей, водородным восстановлением или химическим осаждением из растворов. После формирования и спекания проводят горячую пластическую деформацию с целью получения плотного, беспористого полуфабриката (лент, полос, профилей).

5

ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕНЫЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ Наиболее распространенными соединениями, применяемыми в качестве упрочняющей фазы в дисперсно-упрочненных композиционных материалах (ДКМ) на основе алюминия и его сплавов, являются оксиды. Выпускаются три марки ДКМ, на основе алюминия: САП-1, САП-2 и САП-3, отличающиеся концентрацией оксидов (соответственно: 6-9% Al2O3, 9-13% Al2O3, 13-17% Al2O3). Зарубежным аналогом САП-1 является SAP-930, САП-2 – SAP-895, САП-3 – SAP-865 [2]. Наряду с материалами типа САП разработаны ДКМ Al-C, упрочняющей фазой в которых служит карбид алюминия Al4C3 [3]. Увеличение содержания оксида алюминия в САП приводит к повышению прочности и снижению пластичности. При температурах 300-500 oС ДКМ на основе алюминия превосходят по прочности все промышленные алюминиевые сплавы и отличаются высокими характеристиками длительной прочности и ползучести [2]. Поставляются дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе алюминия в виде листов, полос, профилей, прутков, проволоки и штамповок. Механические свойства ДКМ на основе алюминия приведены в табл. 1. В табл. 2 показана длительная прочность и предел ползучести ДКМ на основе алюминия, а в табл. 3 – длительная прочность ДКМ Al-3%С.

6

Таблица 1 Механические свойства ДКМ на основе алюминия Материал САП-1 САП-2

САП-3

SAP-ISML930 SAP-ISML895 SAP-ISML865 Al - 1 % С Al - 1 % С Al - 2 % С Al - 2 % С Al - 3 % С Al - 3 % С Al - 4 % С Al - 4 % С Al - 5 % С Al - 5 % С

t,0C

σ0,2 ,МПа

σв, МПа

δ, %

20 250 350 500 20 250 350 500 20 250 350 500 20 300 400 500 20 300 400 500 20 300 400 500 20 400 20 400 20 400 20 400 20 400

200 230 340 175 95 75 65 215 120 100 85 265 155 120 105 430 -

290—310 180—190 140—150 100 320 190 150 100 400 240 190 130 250 110 85 70 310 150 110 90 380 175 130 105 260 110-120 360 145-160 450 145-160 470 150-175 520 180-200

7—9 4—6 3—4 2 4 3 2 1 3 1,5 1 1 14,5 8,5 4,5 10,5 5,5 2,5 7,0 3,5 2,0 7,5 7 3,5 4,5 4,2 4,5 3,5 4 3,5 2

7

Таблица 2 Длительная прочность и предел ползучести ДКМ на основе алюминия Марка

САП-1 САП-2 САП-3

t,0C 200 310 430 250 350 500 250 350 500

σ1000

σ100

σ0,2/100

σ0,5/100

σ0,2/1000 σ0,5/1000

МПа 120 80 45 110 80 50 120 90 55

120 75 45 -

90 60 35 70 40 -

105 75 45 -

80 50 90 63 99 36

95 65 40 115 125 Таблица 3

Длительная прочность ДКМ Al – 3% С t,0C 200 300 400 500

σ1

σ10

σ100

МПа 230 140 110 70

210 130 95 65

190 120 80 60

8

ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ БЕРИЛЛИЯ Наиболее эффективными упрочнителями бериллия являются оксид ВеО и карбид Ве2С. Временное сопротивление ДКМ Be-ВеО повышается с увеличением содержания оксида, при этом эффективность упрочнения растет с увеличением температуры (табл. 4) [2]. Сопротивление ползучести и длительная прочность Be-ВеО композиционных материалов при повышенных температурах сравнительно невелики. Применение карбида бериллия Ве2С в качестве упрочняющей фазы позволяет повысить 100-часовую прочность бериллия при 650 °С в 3 раза, а при 730 °С - более чем в 5 раз (табл. 5) [2], [3]. Благодаря высокому коэффициенту рассеяния нейтронов, высокому модулю упругости и низкой плотности ДКМ на основе бериллия является перспективным материалом в реакторостроении, а также в качестве армирующих элементов в композиционных материалах с повышенным удельным модулем упругости [2]. Таблица 4 Механические свойства ДКМ Ве-ВеО Об.доля BeO, % 0,8 1,8 3,0

t,0C

σ0,2

25 400 600 25 400 600 25 400 600

195 145 115 240 175 140 245 210 175

σв МПа 275 245 200 310 240 185 325 325 285

δ, % -2 14 15 2 4 6,5 1 7 14,5 Таблица 5

Об.доля Be2C, % 0 2,5

Длительная прочность Ве-Ве2С σ1 σ10 t, C МПа 650 46 30 730 14 9 650 70 55 730 45 35 0

σ100 14 4 40 25

9

ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МАГНИЯ Незначительная растворимость кислорода в магнии дает возможность упрочнять его оксидами. Наибольший эффект достигается при введении оксида магния MgO в количестве до 1%. Дальнейшее повышение содержания этого оксида практически не меняет временное сопротивление, но существенно снижает пластичность ДКМ. ДКМ Mg-MgO обладают низкой плотностью, высокой длительной прочностью и высоким сопротивлением ползучести при нагреве (табл. 6, 7) [2]. Применение этих материалов ограничено низкой коррозионной стойкостью в морской воде, а также на воздухе при температурах выше 400 °С. Наиболее перспективно применение ДКМ на основе магния в авиации, ракетной и ядерной технике в качестве конструкционного материала деталей несущих и корпусных изделий минимальной массы и повышенной прочности. Таблица 6 Механические свойства ДКМ Mg-MgO Об.доля MgO, % 0,3 1,0 1,0 1,0 1,0 2,0

σв

t,0C

σ0,2

20 20 400 450 500 20

250 - 260 16 – 18 -

МПа 270 285 – 300 50 – 60 25 – 30 15 – 20 270

δ, % 8 9 9 10 – 12 Таблица 7

Длительная прочность и ползучесть ДКМ Mg-1% MgO t,0C

σ100, МПа

450 500

10

ε, 10 % /ч, при σ, МПа 5 10 9 600 80 3000

10

ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ В качестве упрочняющей фазы в ДКМ на основе никеля и его сплавов используются оксиды ThO2 и HfO2. Оксид тория ThO2 в количестве до 2 % наиболее эффективен для упрочнения никеля и нихрома (ДКМ ВДУ-1, ТД-никель, DS-никель, TD-нихром), Из-за токсичности оксида тория его часто заменяют оксидом гафния HfO2 в ДКМ ВДУ-2 (98% Ni, 2% HfO2), что приводит к существенному снижению жаропрочности. ДКМ на основе никеля предназначены в основном для работы при температурах выше 1000°С. Характеристики длительной прочности при этих температурах выше у ДКМ с матрицей из нелегированного никеля, однако при температурах до 800 °С более высоким временным сопротивлением обладают ДКМ на основе никелевых сплавов типа TD-нихром (80 % Ni, 20 % Сr, упрочненный 2 % ThO2) (табл. 8, 9) [2]. ДКМ на основе никеля и его сплавов применяются главным образом в авиационной и космической технике для изготовления лопаток газовых турбин, камер сгорания, теплозащитных панелей, а также сосудов и трубопроводов, работающих при высоких температурах в агрессивных средах. Таблица 8 Длительная прочность ДКМ на основе никеля t,0C

σ10, МПа ВДУ-1 ВДУ-2

900 1000 1100 1200

78 67

78 62 42

900 1000 1100 1200

108 88

95 75 60

σ100, МПа ВДУ-1 ВДУ-2 Лист 115 95 95 75 75 55 50 35 Пруток 150 105 125 90 105 70 75 55

σ1000, МПа ВДУ-1 ВДУ-2 105 85 65 50

85 65 45 25

140 120 100 65

95 80 65 40

11

Таблица 9 Механические свойства ДКМ на основе никеля и его сплавов t,0C 20 400 600 800 1000 1200 20 500 800 1000 1100 1200 20 400 600 800 1000 1100 1200

σв

σ0,2

δ

МПа 390-410 260-270 210-230 150-160 120-130 100-110 300-350 180-200 120-140 95-100 80-85 75-78 440-460 380-390 250-260 200-220 110-120 85-90 75-80

ВДУ-1 540-570 350-370 280-300 200-220 140-160 120-130 ВДУ-2 450-500 220-250 140-160 105-120 95-100 80-85 TD-нихром 800-850 650-700 480-500 240-260 130-140 95-105 80-90

ψ %

20-24 21-24 21-24 12-18 10-13 7-9

70-75 40-60 25-35 20-25 15-20

20-24 21-24 12-18 10-13 8-10 7-9

70-75 40-50 25-35 25-30 20-25 15-20

18-19 18-19 20-23 20-22 15-16 14-15 10-12

25 20 23 30 25 25 15

12

ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА ДКМ на основе кобальта и его сплавов с хромом, молибденом и вольфрамом упрочняются оксидом тория ThO2, содержание которого находится в пределах 2-4 %. При температурах ниже полиморфного превращения (470°С) ДКМ на основе кобальта имеют более высокое временное сопротивление и меньшую пластичность, чем ДКМ на основе никеля. При высоких температурах свойства кобальтовых и никелевых ДКМ отличаются незначительно. Введение небольших добавок циркония в кобальтовую матрицу повышает пластичность, временный и длительный пределы прочности (табл. 10, 11) [2]. Легирование хромом и никелем существенно повышает жаростойкость кобальта, что позволяет использовать ДКМ при температурах до 1100°С. Дисперсно-упрочненные материалы на основе кобальта и его сплавов применяют для изготовления лопаток газовых турбин авиационных двигателей, а также деталей, работающих при повышенных температурах в парах ртути.

13

Таблица 10 Механические свойства ДКМ на основе кобальта Химический состав матрицы, масс.доля, % Co Ni Cr Mo W Zr

Об.доля ThO2, %

100

-

-

-

-

-

2

99,8

-

-

-

-

0,2

2

62

20

18

-

-

-

2 2 4

58

20

22

-

-

-

4

50

20

30

-

-

-

4

75

15

-

10

-

-

4

70

15

-

15

-

-

4

60

10

20

-

10

-

4

t,0C

σв, МПа

δ, %

25 780 1090 25 780 1090 25 1090 1090 780 1090 780 1090 780 1090 780 1090 780 1090

960 170 85 1020 250 140 1037 158 191 465 163 585 138 580 154 731 128 698 137

8 16 9 13 24 13 13 14 Таблица 11

Длительная прочность ДКМ на основе кобальта Химический состав матрицы, масс.доля, % Co Ni Cr Zr 99,8 0,2 61,8 20 18 0,2 61,8 20 18 0,2 61,8 20 18 0,2

Об.доля ThO2, %

t,0C

σ100, МПа

2 2 2 4

1090 780 1090 1090

100—110 200 70—80 80—90

14

ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ХРОМА Для упрочнения хрома и его сплавов используется оксид магния MgO или оксид тория ThO2. ДКМ на основе сплава 99,5 % Сr и 0,5 % Ti, упрочненный 6 % MgO, называется хром-30; на основе сплава 97 % Сr, 2,5% V и 0,5 % Si, упрочненный 3 % MgO - хром-90, а на основе 93,5 % Сr, 2,5 % V, 1 % Si, 0,5 % Ti, 2 % Та и 0,5 % С, упрочненный 3 % MgO - хром90 S. Основное назначение ДКМ на основе хрома - конструкционный материал для деталей, работающих при высоких температурах в окислительной среде. Высокая эрозионная стойкость этих ДКМ под действием мощных тепловых потоков делает их перспективными материалами для сопл плазмотронов. Свойства ДКМ на основе хрома приведены в табл. 12, 13 [2]. Таблица 12 Механические свойства ДКМ хром-30 t,0C

σв, МПа

δ, %

20 300 650 980 1370

340 265 245 125 33

15 - 20 30 - 40 -

Таблица 13 Длительная прочность ДКМ на основе хрома t,0C

σ100, МПа Хром-30 930 35 980 25 1090 17,5

t,0C

σ100, МПа Хром-90 980 56 1090 17,5 -

t,0C σ100, МПа Хром-90 S 980 195 1090 56 -

15

ВОЛОКНИСТЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Методы изготовления композиционных материалов (КМ) из различных комбинаций волокон и матриц определяются свойствами этих волокон и матриц. Некоторые из основных методов, используемых для получения композиционных материалов, приведены в табл. 14 [4]. Эти методы (табл. 4) могут быть использованы для производства как готовых изделий, так и полуфабрикатов: листов, полос, труб. Простые полуфабрикаты, из которых получают более сложные и более крупногабаритные изделия, представляют собой моноволокна или прутки, покрытые материалом матрицы, пучки или полосы из одного и нескольких слоев волокон, заключенные в матрицу, широкоформатные листы, состоящие из матрицы, содержащей волокна. Эти полуфабрикаты могут быть при укладке сориентированы в одном направлении или перекрестно, уложены друг на друга и сформированы в изделия диффузионной сваркой или другим термомеханическим методом. Таблица 14 Существующие и перспективные методы изготовления композиционных материалов Общее название метода Порошковая металлургия

Заключительные технологические операции Спекание, горячее прессоУкладка волокон в матрицу или шликерное литье в каркас из воло- вание или горячее изостатикон или скрепление волокон лету- ческое прессование чим связующим Технология Использование летучего связующего Диффузионная сварка горячим прессованием или горяс использо- или склеивающего вещества для ванием скрепления волокон с фольгой, или чим изостатическим прессофольги прессование чередующихся слоев во- ванием локон и фольги (гладкой или с канавками), или точечное либо непрерывное (например, прокаткой) соединение фольги с волокнами Литье Литье готового изделия или нанесе- При получении готовых заключительные ние жидкого металла на поверхность изделий операции не нужны. В друотдельных волокон или изготовленгих случаях - горячее пресных из непрерывных лент сование или горячее изостатическое прессование Предварительные технологические операции

16

В специфических условиях использования в авиационной и космической технике КМ с металлической матрицей имеют определенные преимущества по сравнению с КМ с полимерной матрицей по своим высокотемпературным свойствам, стойкости к воздействию повышенной влажности, эрозии и повреждению посторонними объектами. Методы производства композиционных материалов с металлической матрицей удобно классифицировать, разделив их на три основные категории процессов: твердофазные, жидкофазные и осаждения. Свойства композиционных материалов в большой степени определяются армирующим материалом, его видом (волокно, проволока), количеством и ориентацией в матрице. Неметаллические волокна - борные, углеродные, карбида кремния, оксида алюминия, оксида циркония, нитевидные кристаллы карбида и нитрида кремния, оксида и нитрида алюминия и др. Металлические армирующие - волокна (проволока) бериллия, вольфрама, молибдена, стали, титановых и других сплавов (табл. 15) [2]. Таблица 15 Свойства волокон, проволоки и нитевидных кристаллов для армирования композиционных материалов Материал Волокно: борное углеродное карбида кремния оксида алюминия оксида циркония Проволока: бериллиевая вольфрамовая стальная титановая Нитевидные кристаллы: оксида алюминия нитрида алюмния карбида кремния нитрида кремния

t,0C

ρ, т/м3

σв, МПа

2040 3000 2827 2054 2677

2,63 1,70 3,21 3,96 6,27

2,45-3,43 372,0-411,0 95-133 14,4-15,9 1,96-2,96 196,0-296,0 117-176 11,7-17,4 62-24 451,0 1,96-3,92 14,3 52-65 490,0 2,06-2,55 12,6 39-43 461,0 2,35-2,65 7,4

1284 3400 1300 1668

1,84 1,93 7,80 4,50

0,98-1,25 4,11 3,53-3,92 1,47-1,96

284,0 392,0 196,0 117,9

55-65 21 45-51 33-41

15,7 2,0 2,5 2,6

2054 2400 2650 1900

3,96 3,30 3,21 3,18

27,4 14,7 36,2 14,7

490,0 372,0 569,0 485,0

710 455 1150 472

12,6 11,5 18,0 15,6

E, ГПа

σв / (ρg)

E /(ρg) ּ10-3

17

Наиболее широкое применение в качестве матрицы КМ получил алюминий, так как именно он определяет в первую очередь те самые удельные, т.е. отнесенные к плотности, характеристики композиционных материалов, благодаря которым эти материалы считаются перспективными во многих областях новой техники. Композиционный материал ВКА-1 состоит из чередующихся слоев фольги алюминия или алюминиевых сплавов и волокон бора. Для предотвращения взаимодействия фольги с борными волокнами при нагреве в условиях длительной эксплуатации на последние наносят барьерный слой карбида кремния или нитрида бора толщиной 3-5 мкм. Композиционный материал марки ВКУ-1 на алюминиевой основе, армированный углеродными волокнами, обладает малой плотностью в сочетании с высокими прочностными свойствами и является перспективным для создания новых конструкций. Для применения в различных отраслях техники перспективными являются КМ на основе алюминия, армированные высокопрочной стальной и бериллиевой проволокой, имеющие высокие прочностные характеристики и сравнительно малую стоимость. Композиционный материал марки KAC-1 на алюминиевой основе, армированный стальной проволокой, отличается от других КМ доступностью и низкой стоимостью армирующего материала, а также лучшей тепло- и электропроводностью. В качестве матрицы в этой композиции используется фольга из алюминия и алюминиевых сплавов, армирующим элементом служит проволока из аустенитной стали ЭП322 или аустенитномартенситной стали ВНС-9 диаметром 0,15-0,3 мм с временным сопротивлением 3,5-4,0 ГПа. Весьма перспективными для применения в различных отраслях техники являются композиционные материалы на основе алюминия, армированные высокопрочной стальной и бериллиевой проволокой, имеющие высокие прочностные характеристики и сравнительно малую стоимость. В аэрокосмической технике находят все более широкое применение жаропрочные КМ, которые могут работать в условиях высоких температур и знакопеременных нагрузок. В этом случае малая плотность конструкционного материала не имеет такого большого значения, как его способность работать при более высоких температурах. При испытаниях на длительную прочность измеряется высокотемпературная прочность КМ и ее стабильность в условиях действия постоянной нагрузки. Такие испытания КМ не только выявляют преимущества и недостатки в их изготовлении (эти вопросы в некоторой степени решаются при испытаниях на растяжение), но также и совместимость их компонен-

18

тов в условиях испытания, т. е. под воздействием напряжений при высоких температурах в течение различных периодов времени. В большинстве исследований жаропрочных КМ приводятся характеристики их прочности в течение 100 часов испытаний в интервале температур 649-1204 °С.

19

ЭВТЕКТИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Эвтектическими композиционными материалами (ЭКМ) называются сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой служат ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. Методы, применяемые для направленной кристаллизации эвтектических сплавов (аналогичные методам получения монокристаллов: Бриджмена, Чохральского, зонной плавки), должны обеспечивать плоский фронт кристаллизации — поверхность раздела между жидкой и твердыми фазами и однонаправленный отвод теплоты. В этом случае фазы эвтектики кристаллизуются перпендикулярно к поверхности раздела и следуют за ней по мере перемещения фронта кристаллизации, образуя ориентированные волокнистые или пластинчатые кристаллы. Структура эвтектических композиционных материалов, создаваемая естественным путем, а не в результате искусственного введения армирующей фазы в матрицу, обладает высокой прочностью, термической стабильностью до температур, близких к температуре плавления эвтектики, и лишена многих недостатков, связанных с химической совместимостью между матрицей и упрочняющей фазой искусственных композиционных материалов. Из эвтектических композиционных материалов изделия можно получать за одну операцию, исключая трудоемкие процессы изготовления армирующих волокон, введение и ориентацию их в матрице. К недостаткам эвтектических композиционных материалов относятся повышенные требования к чистоте исходных материалов, зависимость свойств от скорости процесса направленной кристаллизации и ограниченная возможность изменения объемного содержания армирующей фазы, которое определяется в основном диаграммой состояния системы. Выбор эвтектических композиционных материалов заключается в подборе матричной основы, удовлетворяющей заданной плотности, температуре эксплуатации, коррозионной стойкости, и эвтектики, обеспечивающей необходимую прочность.

20

ЭВТЕКТИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ЭКМ на основе алюминия получают в основном методом направленной кристаллизации (методом Бриджмена). Прочность ЭКМ зависит от скорости кристаллизации и ориентации армирующей фазы по отношению к направлению приложения нагрузки [5]. Наибольшая прочность и минимальное удлинение соответствуют растяжению образцов ЭКМ Al-Al3Ni вдоль волокон (θ = 0°), а минимальная прочность и максимальное удлинение - растяжению под углом 45°. В ЭКМ Al-CuAl2 с пластинчатой формой армирующей фазы СuА12 максимальный прогиб aпр наблюдается при ориентации пластинок под углом 30-45°. Существенным недостатком пластинчатой эвтектики А1-СuА12 является большая хрупкость при испытаниях на ударную вязкость. При повышенных температурах ЭКМ на основе алюминия достаточно хорошо сохраняют прочность на разрыв, при этом, начиная с температуры 227 °С, у ЭКМ Al-CuAl2 многократно возрастает относительное удлинение (табл. 16) [2], [5]. Таблица 16 Механические свойства ЭКМ Al-Al3Ni , Al-CuAl2 при повышенных температурах t,0C 20 100 200 300 400 500 20 100 200 300 400 500

σв, МПа Al – Al3Ni 335 295 240 180 120 75 Al – CuAl2 270 270 220 120 70 30

δ, % 2,3 0,7 3-6 6-8 50 110 185

21

Системы Al-Al3Ni и А1-СuА12 обладают высокой стабильностью структуры при повышенных температурах. Волокна Al3Ni не укорачиваются и не подвергаются сфероидизации при нагреве до 611 °С. ЭКМ на основе алюминия обрабатываются холодной пластической деформацией и хорошо свариваются методом диффузионной сварки.

22

ЭВТЕКТИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И КОБАЛЬТА ЭКМ на основе никеля и кобальта получают методом направленной кристаллизации или методом зонной плавки. Никелевые и кобальтовые ЭКМ являются жаропрочными материалами и по поведению при растяжении делятся на две группы: хрупкие и пластичные. Хрупкими, например, являются никелевые пластинчатые ЭКМ с объемной долей упрочнителя более 33-35 %. К пластичным относятся волокнистые ЭКМ с объемной долей упрочнителя 3-15%, например, сплавы никеля и кобальта, упрочненные монокарбидами тантала, ниобия, гафния. Физико-механические свойства никелевых и кобальтовых ЭКМ представлены в табл. 17 [2], [6].

23

Таблица 17 Свойства никелевых и кобальтовых ЭКМ

Матрица

Упрочнитель

Ni NiBe Ni Ni3Nb Ni Cr Ni NiMo Ni Ni3Ti Ni W Ni TiC Ni HfC Ni NbC Ni TaC Ni-Cr NbC Ni-Co-Cr-Al TaC Ni3-Al Ni3Nb Ni 3 -Al Ni3Nb Ni-Ni3Al Ni3Nb Ni3Al Ni3Ta Ni-Ni3Al Ni3Ta Ni3Al Ni7Zr2 Ni3Al Mo Ni3Al Cr Ni-Cr (Cr,Ni)7C3 Co CoAl Со СоВе Со Co3Nb Со2Та Со Co7W6 Со ТiC Со HfC Со VC Со NbC Со ТаС Со NbC Со-Сr ТаС Со-Сr (Cr,Ni)7C3 Со-Сr (Cr,Ni)23C6 Со-Сr Со-Сr-А1 (Cr,Ni)7C3

Об. Доля упрочнителя, % 38-40 26 23 50 29 6 5,5 15-28 11 ~10 11 ~9 44 32 ~65 42 26 34 30 35 23 ~50 35 23 16 15 20 12 16 12 ~9 30 40 28

tпл, С

ρ, т/м3

E, ГПа

σв, МПа

δ, %

1157 1270 1345 1315 1300 1500 1307 1260 1328 1320 1280 1280 1270 1360 1360 1192 1306 1450-1455 1305 1400 1120 1235 1276 1480 1360 1365 1402 1340 1360 1304 1340 1295

8,8 8,0 9,5 8,2 8,8 8,8 8,44 10,8 8,18 6,4 8,8 9,1 9,0 8,0 7,91 7,8

215 242 138 182 200-290 172 222 210 296 276 283

918 745 718 1250 830 890 1650 1240 1230 1140 930 1060 1120 1240 685-960 500-585 750 1030 1035 1280 1035-1160 1280-1380 1200 1730-2011

9,0 12,4 29,8 1 1 45 9,5 5 0,8 2,0 2,3 1 5 21 1 2-11 6 <1 2 11,8 2 16-20 1,5 0,96 2,5-1,0

24

Высокие механические свойства волокнистых ЭКМ на основе никеля и кобальта, упрочненных карбидами, объясняются композиционной структурой, при которой пластичная матрица армирована высокопрочными ориентированными кристаллами. Дополнительное увеличение прочности ЭКМ достигается легированием твердого раствора матрицы или ее дисперсным упрочнением. Пластинчатые ЭКМ, по сравнению с волокнистыми, более чувствительны к скорости кристаллизации, влияющей на расстояние между пластинами. Быстрая кристаллизация, приводящая к уменьшению расстояния между пластинами, способствует значительному упрочнению ЭКМ. По сравнению с жаропрочными сплавами с интерметаллидным упрочнением ЭКМ при высоких температурах разупрочняются менее интенсивно (табл. 18, 19) [2], [6]. Таблица 18 Временное сопротивление волокнистых ЭВМ в зависимости от температуры σв, t,0C σв, МПа t,0C σв, МПа t,0C σв, МПа t,0C МПа (Ni-Со-Сг-А1)(Со-Сг)Ni-NbC (Со-Сг)-ТаС ТаС (Сг,Со):С3 1380 20 1160 20 1650 20 890 20 1370 200 1070 200 1545 200 780 200 1350 400 940 400 1400 400 680 400 1240 600 830 600 1205 600 590 600 920 800 680 800 910 800 490 800 690 900 560 900 690 900 420 900 410 1000 410 1000 500 1000 320 1000 330 1100 200 1100 200 1200 120 1200 (Со-Сг-Аl)NiAl-Cr Ni3Al- Ni3Ta (Со-Cr-Ni)-ТаС (Cr,Ni)7C3 1730 20 1060 20 930 20 1240 20 1615 200 1020 200 895 200 1180 200 1500 400 920 400 820 400 980 400 1310 600 850 600 780 600 650 600 940 800 690 800 700 800 400 800 700 900 580 900 630 900 330 900 520 1000 440 1000 580 1000 280 1000 350 1100 390 1100 210 1100 240 1200 260 1200 70 1200

25

Таблица 19 Временное сопротивление пластинчатых ЭВМ в зависимости от температуры t,0C σв, МПа t,0C σв, МПа t,0C σв, МПа t,0C Ni-NiMo 20 1250 200 1190 400 1140 600 1090 800 1000 900 800 1000 550 1100 320 1200 140

Ni-Ni3Nb 20 840 200 780 400 700 600 630 800 470 900 350 1000 250 -

Ni3Al-Ni3Nb 20 1130 200 1100 400 1030 600 1000 800 950 900 900 1000 810 1100 650 1200 300

σв, МПа

Ni-Ni3Ti 20 940 800 540 900 320 1000 130 (Ni3Al – NiTi) – Ni2TiAl2 1100 270 Ni3Al – Ni7Zr2 1100 430 -

Пределы длительной прочности ряда ЭКМ на основе никеля и кобальта превышают пределы длительной прочности современных жаропрочных сплавов, особенно при температурах выше 900°С (табл. 20) [2], [3]. ЭКМ на основе никеля и кобальта используют в основном для изготовления литых рабочих и сопловых лопаток, а также крепежных деталей камер сгорания газотурбинных двигателей.

26

Таблица 20 Жаропрочность ЭКМ на основе никеля и кобальта t,0C 900 1000 1100

σв, МПа Ni3AI-Ni3Nb 520 300 140-150

τ, ч 100 100 100

(Ni-Ni3AI)-Ni3Nb 800 670 100 900 450 100 1000 200 100 1100 135 (Ni-Co-Cr-Al-W-Re-V)-TaC 156 520 871 154 550 871 125 310 982 300 275 982 171 140 1093 300 120 1093 (Co-Cr)-TaC 800 300 710 1072 120 170 1100 105 618

t,0C

σв, МПа (Со-Cr-Ni)-TaC 800 300 1070 120 1100 100 1150 100 (Со-Сг)-(Сr, Со)7С3 1000 150 – 160 1100 70 – 80

649 760 871 982 1050 1093 1250

(Со-Cr)-TaC 375 350 300 225 160 140 55

τ, ч 4000 1300 1200 100 100 100

1000 1000 1000 1000 403 1000 100

27

ЭВТЕКТИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ТАНТАЛА И НИОБИЯ ЭКМ на основе тантала и ниобия получают методом направленной кристаллизации. Если армирующая фаза ЭКМ Та-Та2С кристаллизуется в форме пластин, то временное сопротивление составляет 560 МПа при относительном удлинении 2 %. При кристаллизации армирующей фазы в форме стержней временное сопротивление этого ЭКМ достигает 1050 МПа при относительном удлинений 1,5% (табл. 21) [2], [5]. Прочность ЭКМ Nb-Nb2C при комнатной температуре в 5 раз выше прочности ниобия и, благодаря высокой термической стабильности, сохраняет такие высокие значения при повышении температуры. ЭКМ на основе тантала и ниобия используют для изготовления деталей самолетов и ракет, работающих при повышенных температурах (лопатки двигателей, защитные кромки). Таблица 21 Временное сопротивление ЭКМ Та-Та2С в зависимости от температуры σв, МПа t,0C Ta – Ta2C 1050 20 390 1100 365 1200 325 1300 270 1400 230 1500 180 1600 165 1640

28

ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ В конструкции летательных аппаратов все более широко начинают применяться полимерные композиционные материалы (КМ), которые по сравнению с традиционными сплавами имеют ряд преимуществ, позволяющих значительно снизить массу, повысить прочность, жесткость, теплостойкость конструкций. При создании таких материалов применяют непрерывные и дискретные поликристаллические волокна и нитевидные кристаллы бора, углерода и различных соединений (оксидов, карбидов, боридов, нитридов). Из большого числа разработанных полимерных КМ наиболее перспективными являются КМ на основе углеродных волокон, (углепластики). К основным преимуществам углепластиков следует отнести: сравнительно малую плотность, высокую статическую прочность, сопротивление усталости, жесткость, коррозионную стойкость, износостойкость, малый коэффициент температурного расширения и электропроводность. Показатель, наиболее чувствительный к температурному воздействию, - предел прочности при изгибе и межслойном сдвиге, линейно понижающийся с ростом температуры вплоть до температуры стеклования связующего. Теплозащитные КМ для летательных аппаратов многократного использования изготовляют из тугоплавких волокон (химически чистого кремния, алюмоборосиликатных волокон); они обладают сильной анизотропией теплофизических характеристик в плоскости формования и перпендикулярных к ней. Низкая теплопроводность материала по нормали к плоскости формования обеспечивается преимущественной ориентацией волокон при формовании. Плоскость КМ, его прочностные и теплофизические характеристики определяются относительным объемным содержанием волокон. Эффективность теплозащитного материала повышается при нанесении тонкого покрытия, служащего радиационным экраном и обеспечивающего отвод (до 80%) теплового потока. Низкая прочность материала и малый коэффициент линейного расширения вызывают необходимость обеспечения термической совместимости теплозащитного КМ и защищаемой конструкции или изоляции КМ от деформируемой поверхности путем введения компенсирующих прокладок [2]. Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют по-

29

лимерные углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20-30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталому разрушению. По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и оргоноволокниты. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки.

30

ПОВЫШЕНИЕ ЖАРОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛОВ Жаростойкость сплавов магния с Мn, Zn, A1 выше, чем нелегированного магния. Улучшает жаростойкость магния бериллий (0,02 - 0,05%), устраняя самовозгорание при технологической обработке. Жаростойкость промышленных медных сплавов (латуней и бронз) выше жаростойкости меди, так как они легированы элементами четвертой группы. Высокой жаростойкостью отличаются сплавы меди с Be, А1, Мn; немного уступают им сплавы с Zn, Sn, Si. Жаростойкость промышленных алюминиевых сплавов такая же хорошая, как и нелегированного алюминия. Исключение составляют сплавы с магнием типа АМг, так как при нагреве образуется собственный рыхлый оксид MgO. Жаростойкость сплавов титана можно повысить применением жаростойких покрытий. Основные жаростойкие сплавы созданы на основе железа и никеля. Химический состав высоколегированных сталей и сплавов на железной, железоникелевой и никелевой основах, предназначенных для работы в коррозионно-активных средах и при высоких температурах, приведен в ГОСТ. Согласно стандарту жаростойкие (окалиностойкие) сплавы относятся к группе II и характеризуются как стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температуре выше 5500С, работающие в ненагружённом или слабонагруженном состоянии. Жаропрочные стали и сплавы, отнесенные к группе III, также обладают достаточной жаростойкостью. Широкое применение в промышленности находит жаростойкий чугун как наиболее дешевый и доступный материал [2]. Жаростойкость чугуна определяется его сопротивлением околинообразованию не более 0,5г/(м2ּ ч), увеличению массы и росту (не более 0,2%) при заданной температуре в течение 150 часов. Незначительное легирование хромом (иногда совместно с никелем) позволяет повысить температуру использования чугунов до 7000С [2].

31

РАЗВИТИЕ ПРОИЗВОДСТВА БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ При конструировании современных машин, механизмов и приборов возникает потребность в материалах, обладающих комплексом различных, иногда противоположных свойств. Наиболее целесообразно эта проблема решается путем изготовления биметаллических отливок. Существует несколько методов производства биметалла: совместная прокатка двух разнородных сплавов, гальваническое покрытие, металлизация, заливка элементов изделия из одного металла сплавом другого состава. Изготовление биметаллических изделий способом литья получает широкое распространение в промышленности. Известны два основных способа получения биметаллических отливок: последовательная заливка двух разных сплавов в одну и ту же форму и заливка расплавленным металлом заранее изготовленных частей изделия. Более прост в осуществлении и поэтому более широко применяется в промышленности второй способ. Биметаллические отливки можно получать практически любым известным способом литья. Крупные биметаллические отливки из чугуна и бронзы, армированные стальными прутками или трубами, получают чаще в песчаных формах. Технология литья в этом случае мало отличается от обычной. Биметаллические средние и мелкие отливки с чистой поверхностью и более точным расположением армирующих вставок можно получить литьем в оболочковые формы, изготовляемые из смесей на термореактивных смоляных связующих. Наиболее широко для изготовления биметаллических отливок применяют литье в кокиль. Этот метод литья позволяет получить отливки с прочной металлической связью и применяется чаще всего для цветных сплавов на медной и алюминиевой основах в комплексе с различными сталями и чугунами. Биметаллические отливки, имеющие форму тел вращения, чаще отливают центробежным способом. Точные, но не крупные биметаллические отливки получают способом литья под давлением [11]. Значительное развитие получило производство биметаллов на основе серебра [13]. Разработаны и применяются композиционные порошковые, волокнистые, слоистые материалы, содержащие Ag. В промышленности используются следующие композиты: Ag + (1-40)% Ni; Ag + (10-70)% Mo; Ag + (10-90)% W; Ag + (5-20)% CdO; Ag + (8-10)% CuO; Ag + ( ≤ 15)% ZnO;

32

Ag + ( ≤ 10)% SnO2; Ag + (<10)% PbO; Ag + (30-80)% WC; Ag + (1-20)% графита. Наиболее распространены композиты Ag + CdO и Ag + Ni. Исследованы композиты Ag + сталь, Ag + усы Al2O3 (сапфира), Ag + Cu, AgNi + латунь. Композиты на основе серебра применяются преимущественно для изготовления электрических контактов.

33

НОВЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОЙ ОТЛИВКИ Предложен новый способ получения отливки (патент Российской Федерации № 2283724), который относится к металлургии и может быть применен в литейном производстве для получения композиционных изделий. Авторы этого изобретения: Черный А.А., Черный В.А., Соломонидина С.И., Ковалева А.В., патентообладатель – Пензенский государственный университет. Известен способ получения отливки, включающий изготовление формы из песчаной смеси по модели и заливку в собранную форму жидкого металла (Гринберг Б.Г., Юдин С.Т. Основы литейного производства. М.: Трудрезервиздат, 1958, с.74-80). Этим способом получают отливки с малой теплостойкостью поверхностного слоя. При необходимости применения отливок для работы при температурах выше 700°С в формы заливают специальные легированные металлические сплавы или на металлические изделия наносят дорогостоящими способами покрытия (Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н.Арзамасов, В.А.Брострем, Н.А.Буше и др.; Под общ. ред. Б.Н.Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1990. - с.419423, 474-498). Недостатками этих способов являются высокая стоимость легирующих материалов и нанесения покрытий, большая энергоемкость процессов, трудность регулирования толщины покрытий, их огнеупорности, теплостойкости и прочности изделий. Из известных, наиболее близким по технической сущности, является способ получения отливки, включающий изготовление формы из песчаной смеси по модели, когда на поверхность модели наносят сначала облицовочный слой, а затем засыпают наполнительную смесь, и все это уплотняют, извлекают модель из формы, форму окрашивают или присыпают противопригарными веществами, производят сборку формы и заливают в форму жидкий металл (Литейное производство. - 2-е изд., перераб. и доп.М.: Машиностроение, 1987, с.84-86). Этот способ также имеет недостатки. Он не позволяет получать отливки с теплостойкой поверхностью. На поверхности отливок не образуется слой разнородных композиционных материалов, который служил бы защитой металла от воздействия высоких температур и агрессивных сред. Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение и снижение трудоемкости создания на поверхности отливки слоя разнородных композиционных материалов, защищающих металл от воздействия высоких температур и агрессивных сред, уменьшение затрат на процесс образования защитного слоя на поверхности металла отливки. На основе исследований предлагается способ получения отливки, включающий изготовление формы и заливку в собранную форму жидкого

34

материала, который отличается от известного способа тем, что поверхностный слой формы выполняют требуемой толщины из зернистого материала, температура плавления которого выше температуры плавления заливаемого материала, в смеси с материалом, температура плавления которого ниже температуры плавления заливаемого материала, а затем заливают в форму жидкий материал, выплавляют им менее тугоплавкий материал между более тугоплавкими зернами поверхностного слоя, связывают затвердевающим материалом тугоплавкие зерна и образовывают на поверхности отливки слой разнородных композиционных материалов. Согласно предлагаемому изобретению осуществляют нанесение на поверхность модели или на поверхность постоянной формы, например, металлической формы, слой зернистого материала высокой огнеупорности, например, раздробленных высокоглиноземистых огнеупоров, кварцита, циркона, рутила, хромомагнезита, хромита, муллита, шамота, в смеси с материалом низкой огнеупорности, например, легкоплавкими глинами, криолитом, солями, стеклами, легкоплавкими металлами и сплавами в виде порошков. В эти материалы добавляют крепители, которые должны быть легкоплавкими. Материалы поверхностного слоя формы могут быть крупнозернистыми и мелкозернистыми, неметаллическими и металлическими. Зернистость материалов может быть неодинаковой, если это требуется по условиям использования отливок. Толщина слоя, величина, форма зерен и состав могут быть одинаковыми и неодинаковыми в разных местах формы в зависимости от предъявляемых требований. Заливаемый в форму материал может быть металлом или неметаллом, чугуном, сталью, медными, алюминиевыми, титановыми сплавами, расплавленными керамическими материалами и шлаком, а также материалом, который применяется для производства каменного литья. При заливке в форму жидкий материал своим теплом выплавляет менее тугоплавкий материал между более тугоплавкими зернами поверхностного слоя, проникает в образующиеся зазоры между тугоплавкими зернами, затвердевает и прочно связывает эти зерна. На поверхности отливки образуется слой разнородных композиционных материалов. При этом основная часть отливки может иметь высокую механическую и строительную прочность, а поверхностный слой отливки будет защищать металл от воздействия высоких температур и агрессивных сред, будет износостойким. Такое сочетание новых признаков с известными позволяет упростить получение отливок для химических аппаратов, печей, строительных конструкций, тепловых агрегатов, водопроводов, канализационных устройств. Предложенный способ является простым по осуществлению, не трудоемким, энергосберегающим, безопасным, экологически чистым.

35

Выбор материалов для получения поверхностного слоя отливки обусловлен назначением отливки, условиями ее эксплуатации. Если отливка предназначена для работы в условиях высоких температур, то применяются высокоогнеупорные (оксиды кремния, алюминия, титана, хрома, магния) зернистые материалы для получения поверхностного композиционного слоя. Материалом, связывающим зерна, может быть чугун или сталь. При производстве литья из сплавов алюминия зерна поверхностного слоя могут быть в виде битого стекла, гранул шлака, чугунной дроби, а также в виде зерен тугоплавких оксидов, боридов и их смесей. Расплавленные алюминиевые сплавы, выплавляя легкоплавкий материал (криолит, соли) между более тугоплавкими зернами, связывают тугоплавкие зерна, причем в поверхностном слое отливки часть алюминия, может образовывать тугоплавкий оксид алюминия. Пример осуществления предлагаемого способа. Изготавливали отливку для двери камерной термической печи. На поверхность формы нанесли слой толщиной 20 мм из смеси раздробленного высокоглиноземистого огнеупора, температура плавления которого была 1800-1850°С, и бентонитовой глины с добавлением криолита, температура плавления которых была ниже 1000°С. В форму заливали жидкий чугун при его температуре 1420°С. Жидкий чугун выплавил легкоплавкую глину и криолит, которые прошли через жидкий металл, всплыли и были удалены из формы через выпоры. Затвердевший между тугоплавкими зернами металл прочно связал тугоплавкие частицы и образовал "шубу", то есть шершавый огнеупорный поверхностный слой композиционных материалов. Были получены жаростойкие отливки простым, дешевым эффективным способом, вместо ранее применявшихся дорогих и недолговечных отливок из легированных хромом чугунов, которые необходимо было со стороны печного пространства обкладывать огнеупорным кирпичом, что повышало трудоемкость такой защиты и требовало использования дорогого шамотного или высокоглиноземистого кирпича. Были также получены предлагаемым способом отливки из алюминиевых сплавов с защитным поверхностным слоем из раздробленных шамотных изделий. Эти отливки были предназначены для работы в условиях воздействия на поверхностный слой движущихся порошкообразных веществ с повышенной температурой. Долговечность этих отливок была высокой. Такие отливки были в 3-4 раза дешевле, чем композиционные отливки с созданием защитного слоя известными способами. Предлагаемый способ обеспечивает технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств.

36

При использовании предлагаемого способа снижается трудоемкость в 2-3 раза, уменьшаются затраты на осуществление процесса, энергию и материалы в 5-7 раз по сравнению с известными способами. Предлагаемый способ позволяет широко использовать металлонеметаллические композиционные конструкции в строительной индустрии. Например, можно производить стены зданий из прочных металлических отливок, поверхностный слой которых будет неметаллическим, теплоизоляционным, износостойким.

37

ВЫЯВЛЕНИЕ НОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Разработка новых композиционных материалов и выявление требуемых свойств этих материалов – важная задача, решение которой связано с ускорением научно-технического прогресса. Новые исследования по композиционным материалам рационально проводить с применением математического моделирования на основе планирования экспериментов. Планы проведения экспериментов и компьютерные программы математического моделирования приведены ниже. Рационально применять математическое моделирование при планировании экспериментов на трех уровнях факторов. Для случаев одно-, двух-, трехфакторных процессов разработки выполнены в соответствии с полными факторными экспериментами [15]. Преимуществами предложенной методики математического моделирования являются оригинальная разработка ортогонализации матриц, вывод формул для расчета коэффициентов ортогонализации коэффициентов регрессии, дисперсий в определении коэффициентов регрессии, буквенное обозначение показателей степени факторов в уравнении регрессии и возможность изменять величины показателей степени факторов, добиваясь точности математических моделей.

38

ПЛАНЫ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 31, 32, 33 ПРИМЕНИТЕЛЬНО К КОМПЬЮТЕРНЫМ ПРОГРАММАМ В табл. 22-24 представлены соответственно планы проведения экспериментов 31, 32 и 33 применительно к использованию ЭВМ для математического моделирования. Таблица 22

1

План 3 (Х = 3 – количество опытов по плану) Номер опыта 1 2 3

Фактор F(J) А1 В2 Е1

Показатель Y(J) Y(1) Y(2) Y(3) Таблица 23

2

План 3 (Х = 9 – количество опытов по плану) Номер опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Факторы F(J) A1 B1 A1 B1 A1 B1 E1 E1 E1

H(J) A2 A2 B2 B2 E2 E2 A2 B2 E2

Показатель Y(J) Y(1) Y(2) Y(3) Y(4) Y(5) Y(6) Y(7) Y(8) Y(9)

39

Таблица 24

3

План 3 (Х = 27) Номер опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Показатель Y(J)

Факторы F(J) A1 B1 A1 B1 A1 B1 A1 B1 A1 B1 Е1 Е1 Е1 Е1 A1 B1 A1 B1 A1 B1 A1 B1 Е1 Е1 Е1 Е1 Е1

H(J) A2 A2 B2 B2 A2 A2 B2 B2 Е2 Е2 A2 B2 Е2 Е2 A2 A2 B2 B2 Е2 Е2 Е2 Е2 А2 В2 А2 В2 Е2

L(J) А3 А3 А3 А3 В3 В3 В3 В3 Е3 Е3 Е3 Е3 А3 В3 Е3 Е3 Е3 Е3 А3 А3 В3 В3 А3 А3 В3 В3 Е3

Y(1) Y(2) Y(3) Y(4) Y(5) Y(6) Y(7) Y(8) Y(9) Y(10) Y(11) Y(12) Y(13) Y(14) Y(15) Y(16) Y(17) Y(18) Y(19) Y(20) Y(21) Y(22) Y(23) Y(24) Y(25) Y(26) Y(27)

40

АЛГОРИТМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Применительно к использованию ЭВМ разработан следующий алгоритм математического моделирования: 1. Начало выполнения программы, ввод количества опытов по плану, величин факторов на принятых уровнях и показателей степени в уравнении регрессии. 2. Расчет коэффициентов ортогонализации. 3. Ввод величин показателей процесса. 4. Расчет коэффициентов регрессии до их анализа. 5. Ввод количества опытов на среднем уровне факторов. 6. Расчет показателей до анализа коэффициентов регрессии. 7. Выявление дисперсии опытов, расчетных величин t-критерия для каждого коэффициента регрессии. 8. Ввод табличного t-критерия. 9. Выявление статистически значимых коэффициентов регрессии. 10. Ввод табличного F-критерия. 11. Расчет показателей после анализа коэффициентов регрессии. 12. Выявление расчетной величины F-критерия и адекватности модели. 13. Выполнение расчетов по модели и проверка точности модели. 14. Вычисления показателей по математической модели с использованием циклов и построение графиков. 15. Конец выполнения программы. Для персональных компьютеров программирование рационально выполнять на языке Бейсик. Для случаев планирования 31(Х = 3), 32(Х = 9), 33(Х = 27) разработана на языке Бейсик программа WN3.

41

ПРОГРАММА WN3 ДЛЯ СЛУЧАЕВ ПЛАНИРОВАНИЯ 31(Х = 3), 32(Х = 9), 33(Х = 27)

42

5 PRINT "ПРОГРАММА WN3,РАЗРАБОТКА А.А.ЧЕРНОГО" 6 CLS 7 PRINT "РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОГРАММЫ WN3" 8 PRINT "ЗАНОСЯТСЯ В ФАЙЛ,ИМЯ КОТОРОГО НАДО ВВЕСТИ," 9 PRINT "НАПРИМЕР, ВВЕСТИ ИМЯ ФАЙЛА WN31" 10 INPUT "ВВОД ИМЕНИ ФАЙЛА ", FA$ 14 OPEN "O", #1, FA$ 17 PRINT "РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОГРАММЫ WN3 ЗАНОСЯТСЯ В ФАЙЛ "; FA$ 40 PRINT " РАЗРАБОТКИ ДЛЯ X=3,X=9,X=27" 41 PRINT #1, "РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОГРАММЫ WN3, РАЗРАБОТАННОЙ А.А. ЧЕРНЫМ" 42 DIM F(50), H(50), L(50), Y(27), I(50), K(50), M(50), P(50) 44 DIM Q(50), U(50), V(50), O(27), B(27), Z(50), G(20), T(27) 46 DIM K6(50), K7(50), K8(50), J7(50), J8(50), J9(50) 51 PRINT "ВВОД X-КОЛИЧЕСТВО ОПЫТОВ ПО ПЛАНУ " 52 PRINT #1, "КОЛИЧЕСТВО ОПЫТОВ ПО ПЛАНУ " 60 INPUT X: PRINT #1, "X="; X 61 PRINT #1, "ВЕЛИЧИНЫ ФАКТОРОВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТЕПЕНИ" 62 PRINT "ВВОД ВЕЛИЧИН ФАКТОРОВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТЕПЕНИ" 120 PRINT "ВВОД A1,E1,B1,J1,O1": INPUT A1, E1, B1, J1, O1 130 PRINT #1, "A1="; A1; " E1="; E1; " B1="; B1 133 PRINT #1, "J1="; J1; " O1="; O1: A = A1: B = B1: E = E1: N = J1: R = O1 140 GOSUB 3660: V1 = V0: U1 = U0: Q1 = Q0 144 PRINT #1, "V1="; V1; " U1="; U1; " Q1="; Q1 150 IF X = 9 GOTO 350 160 IF X = 27 GOTO 350 190 IF X = 3 GOTO 590 350 PRINT "ВВОД A2,E2,B2,J2,O2": INPUT A2, E2, B2, J2, O2 360 PRINT #1, "A2="; A2; " E2="; E2; " B2="; B2 363 PRINT #1, "J2="; J2; " O2="; O2 365 A = A2: B = B2: E = E2: N = J2: R = O2 370 GOSUB 3660: V2 = V0: U2 = U0: Q2 = Q0 375 PRINT #1, "V2="; V2; " U2="; U2; " Q2="; Q2 380 IF X = 27 GOTO 550 390 IF X = 9 GOTO 620 550 PRINT "ВВОД A3,E3,B3,J3,O3" 555 INPUT A3, E3, B3, J3, O3 560 PRINT #1, "A3="; A3; " E3="; E3; " B3="; B3 563 PRINT #1, "J3="; J3; " O3="; O3 565 A = A3: B = B3: E = E3: N = J3: R = O3 570 GOSUB 3660: V3 = V0: U3 = U0: Q3 = Q0 575 PRINT #1, "V3="; V3; " U3="; U3; " Q3="; Q3 580 GOTO 990 589 REM ПЛАНЫ 590 F(1) = A1: F(2) = B1: F(3) = E1: GOTO 1130 620 F(1) = A1: H(1) = A2: F(2) = B1: H(2) = A2: F(3) = A1: H(3) = B2 630 F(4) = B1: H(4) = B2: F(5) = A1: H(5) = E2: F(6) = B1: H(6) = E2

43

640 F(7) = E1: H(7) = A2: F(8) = E1: H(8) = B2: F(9) = E1: H(9) = E2 650 GOTO 1130 990 F(1) = A1: H(1) = A2: L(1) = A3: F(2) = B1: H(2) = A2: L(2) = A3 1000 F(3) = A1: H(3) = B2: L(3) = A3: F(4) = B1: H(4) = B2: L(4) = A3 1010 F(5) = A1: H(5) = A2: L(5) = B3: F(6) = B1: H(6) = A2: L(6) = B3 1020 F(7) = A1: H(7) = B2: L(7) = B3: F(8) = B1: H(8) = B2: L(8) = B3 1030 F(9) = A1: H(9) = E2: L(9) = E3: F(10) = B1: H(10) = E2: L(10) = E3 1040 F(11) = E1: H(11) = A2: L(11) = E3: F(12) = E1: H(12) = B2: L(12) = E3 1050 F(13) = E1: H(13) = E2: L(13) = A3: F(14) = E1: H(14) = E2: L(14) = B3 1060 F(15) = A1: H(15) = A2: L(15) = E3: F(16) = B1: H(16) = A2: L(16) = E3 1070 F(17) = A1: H(17) = B2: L(17) = E3: F(18) = B1: H(18) = B2: L(18) = E3 1080 F(19) = A1: H(19) = E2: L(19) = A3: F(20) = B1: H(20) = E2: L(20) = A3 1090 F(21) = A1: H(21) = E2: L(21) = B3: F(22) = B1: H(22) = E2: L(22) = B3 1100 F(23) = E1: H(23) = A2: L(23) = A3: F(24) = E1: H(24) = B2: L(24) = A3 1110 F(25) = E1: H(25) = A2: L(25) = B3: F(26) = E1: H(26) = B2: L(26) = B3 1120 F(27) = E1: H(27) = E2: L(27) = E3: GOTO 1130 1130 PRINT "IF I0=6 GOTO 40-НАЧАЛО" 1135 PRINT "IF I0=7 GOTO 1160-ПРОДОЛЖЕНИЕ" 1140 INPUT I0: IF I0 = 6 GOTO 40 1150 IF I0 = 7 GOTO 1160 1160 PRINT "ВВОД ВЕЛИЧИН ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПО ПЛАНУ Y(J) " 1161 PRINT #1, "ВЕЛИЧИНЫ ПОКАЗАТЕЛЕЙ В СООТВЕТСТВИИ С ПЛАНОМ Y(J)" 1165 FOR J = 1 TO X 1166 PRINT "Y("; J; ")": INPUT Y(J) 1170 PRINT #1, "Y("; J; ")="; Y(J): NEXT J 1180 PRINT "IF I0=1 GOTO 1160-ПОВТОРЕНИЕ ВВОДА ПОКАЗАТЕЛЕЙ" 1185 PRINT "IF I0=2 GOTO 1210-ПРОДОЛЖЕНИЕ" 1190 PRINT "ВВОД I0": INPUT I0: IF I0 = 1 GOTO 1160 1200 IF I0 = 2 GOTO 1210 1210 IF X = 3 GOTO 1310 1240 IF X = 9 GOTO 1340 1300 IF X = 27 GOTO 1400 1310 GOSUB 4150: GOTO 1410 1340 GOSUB 4150: GOSUB 4170: GOTO 1410 1400 GOSUB 4150: GOSUB 4170: GOSUB 4190: GOTO 1410 1410 S = 0: O(1) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + Y(J): O(1) = O(1) + 1: NEXT J 1420 B(1) = S / O(1): S = 0: O(2) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + I(J) * Y(J) 1430 O(2) = O(2) + I(J) ^ 2: NEXT J: B(2) = S / O(2): S = 0: O(3) = 0 1440 FOR J = 1 TO X: S = S + K(J) * Y(J): O(3) = O(3) + K(J) ^ 2: NEXT J 1450 B(3) = S / O(3): IF X = 3 GOTO 2390 1480 S = 0: O(4) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + P(J) * Y(J) 1490 O(4) = O(4) + P(J) ^ 2: NEXT J: B(4) = S / O(4): S = 0: O(5) = 0 1500 FOR J = 1 TO X: S = S + I(J) * P(J) * Y(J): O(5) = O(5) + (I(J) * P(J)) ^ 2 1510 NEXT J: B(5) = S / O(5): S = 0: O(6) = 0: FOR J = 1 TO X 1520 S = S + Q(J) * Y(J): O(6) = O(6) + Q(J) ^ 2: NEXT J: B(6) = S / O(6) 1530 S = 0: O(7) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + I(J) * Q(J) * Y(J) 1540 O(7) = O(7) + (I(J) * Q(J)) ^ 2: NEXT J: B(7) = S / O(7): S = 0 1550 O(8) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + P(J) * K(J) * Y(J)

44

1560 O(8) = O(8) + (P(J) * K(J)) ^ 2: NEXT J: B(8) = S / O(8): S = 0: O(9) = 0 1570 FOR J = 1 TO X: S = S + K(J) * Q(J) * Y(J): O(9) = O(9) + (K(J) * Q(J)) ^ 2 1580 NEXT J: B(9) = S / O(9): IF X = 9 GOTO 2390 1590 IF X = 27 GOTO 2040 2040 S = 0: O(10) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + U(J) * Y(J) 2050 O(10) = O(10) + U(J) ^ 2: NEXT J: B(10) = S / O(10): S = 0: O(11) = 0 2060 FOR J = 1 TO X: S = S + I(J) * U(J) * Y(J): O(11) = O(11) + (I(J) * U(J)) ^ 2 2070 NEXT J: B(11) = S / O(11): S = 0: O(12) = 0: FOR J = 1 TO X 2080 S = S + P(J) * U(J) * Y(J): O(12) = O(12) + (P(J) * U(J)) ^ 2: NEXT J 2090 B(12) = S / O(12): S = 0: O(13) = 0: FOR J = 1 TO X 2100 S = S + I(J) * P(J) * U(J) * Y(J): O(13) = O(13) + (I(J) * P(J) * U(J)) ^ 2 2110 NEXT J: B(13) = S / O(13): S = 0: O(14) = 0: FOR J = 1 TO X 2120 S = S + V(J) * Y(J): O(14) = O(14) + V(J) ^ 2: NEXT J: B(14) = S / O(14) 2130 S = 0: O(15) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + I(J) * V(J) * Y(J) 2140 O(15) = O(15) + (I(J) * V(J)) ^ 2: NEXT J: B(15) = S / O(15): S = 0 2150 O(16) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + P(J) * V(J) * Y(J) 2160 O(16) = O(16) + (P(J) * V(J)) ^ 2: NEXT J: B(16) = S / O(16): S = 0 2170 O(17) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + U(J) * K(J) * Y(J) 2180 O(17) = O(17) + (U(J) * K(J)) ^ 2: NEXT J: B(17) = S / O(17): S = 0 2190 O(18) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + U(J) * Q(J) * Y(J) 2200 O(18) = O(18) + (U(J) * Q(J)) ^ 2: NEXT J: B(18) = S / O(18): S = 0 2210 O(19) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + I(J) * P(J) * V(J) * Y(J) 2220 O(19) = O(19) + (I(J) * P(J) * V(J)) ^ 2: NEXT J: B(19) = S / O(19) 2230 S = 0: O(20) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + I(J) * U(J) * Q(J) * Y(J) 2240 O(20) = O(20) + (I(J) * U(J) * Q(J)) ^ 2: NEXT J: B(20) = S / O(20) 2250 S = 0: O(21) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + P(J) * U(J) * K(J) * Y(J) 2260 O(21) = O(21) + (P(J) * U(J) * K(J)) ^ 2: NEXT J: B(21) = S / O(21) 2270 S = 0: O(22) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + K(J) * V(J) * Y(J) 2280 O(22) = O(22) + (K(J) * V(J)) ^ 2: NEXT J: B(22) = S / O(22) 2290 S = 0: O(23) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + Q(J) * V(J) * Y(J) 2300 O(23) = O(23) + (Q(J) * V(J)) ^ 2: NEXT J: B(23) = S / O(23) 2310 S = 0: O(24) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + I(J) * Q(J) * V(J) * Y(J) 2320 O(24) = O(24) + (I(J) * Q(J) * V(J)) ^ 2: NEXT J: B(24) = S / O(24) 2330 S = 0: O(25) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + P(J) * K(J) * V(J) * Y(J) 2340 O(25) = O(25) + (P(J) * K(J) * V(J)) ^ 2: NEXT J: B(25) = S / O(25) 2350 S = 0: O(26) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + U(J) * K(J) * Q(J) * Y(J) 2360 O(26) = O(26) + (U(J) * K(J) * Q(J)) ^ 2: NEXT J: B(26) = S / O(26) 2370 S = 0: O(27) = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + K(J) * Q(J) * V(J) * Y(J) 2380 O(27) = O(27) + (K(J) * Q(J) * V(J)) ^ 2: NEXT J: B(27) = S / O(27): GOTO 2390 2390 PRINT #1, "B(J) ДО АНАЛИЗА": FOR J = 1 TO X 2395 PRINT #1, "B("; J; ")="; B(J) 2397 NEXT J: PRINT 2400 PRINT "ВВОД N0-КОЛИЧЕСТВО ОПЫТОВ НА СРЕДНЕМ УРОВНЕ ФАКТОРОВ" 2407 INPUT N0 2408 PRINT #1, "КОЛИЧЕСТВО ОПЫТОВ НА СРЕДНЕМ УРОВНЕ ФАКТОРОВ" 2410 PRINT #1, "N0="; N0 2415 IF X = 3 GOTO 2510

45

2440 IF X = 9 GOTO 2540 2500 IF X = 27 GOTO 2600 2510 GOSUB 4390: GOTO 2610 2540 GOSUB 4450: GOTO 2610 2600 GOSUB 4770: GOTO 2610 2610 PRINT #1, "РАСЧЕТНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ ПОКАЗАТЕЛЕЙ Z(J) ДО АНАЛИЗА B(J)" 2620 FOR J = 1 TO X: PRINT #1, "Z("; J; ")="; Z(J): NEXT J 2630 PRINT "ВВОД F8=N0-1": INPUT F8 2633 PRINT #1, "F8=N0-1="; F8 2635 PRINT "F8="; F8 2640 PRINT #1, "ПРОВЕРКА ПО РАЗНОСТИ Y(J)-Z(J)" 2641 PRINT #1, "В ПРОЦЕНТАХ (Y(J)-Z(J)) * (100/Y(J))" 2650 FOR J = 1 TO X: PRINT #1, "Y("; J; ")-Z("; J; ")="; Y(J) - Z(J) 2651 PRINT #1, "(Y("; J; ")-Z("; J; ")) * (100 / Y("; J; ")) = "; (Y(J) - Z(J)) * (100 / Y(J)) 2655 NEXT J 2660 PRINT "IF I0=3 GOTO 2720-ВВОД РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТОВ " 2663 PRINT " НА СРЕДНЕМ УРОВНЕ ФАКТОРОВ" 2666 PRINT "IF I0=4 GOTO 2770-ВВОД ДИСПЕРСИИ ОПЫТОВ" 2670 PRINT "IF I0=5 GOTO 3240-ПРОВЕРКА ТОЧНОСТИ И " 2672 PRINT " РАСЧEТЫ ПО МОДЕЛИ" 2773 PRINT "IF I0=6 GOTO 40-НАЧАЛО" 2677 PRINT "IF I0=20 GOTO 6830-КОНЕЦ" 2678 PRINT "IF I0=25 GOTO 4880-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ" 2679 PRINT "IF I0=27 GOTO 7000-ВЫЧИСЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ Z(K5)" 2681 PRINT " С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИКЛОВ И " 2684 PRINT " ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ" 2689 PRINT "ВВОД I0": INPUT I0: IF I0 = 3 GOTO 2720 2690 IF I0 = 4 GOTO 2770 2700 IF I0 = 5 GOTO 3240 2710 IF I0 = 6 GOTO 40 2715 IF I0 = 20 GOTO 6830 2717 IF I0 = 25 GOTO 4880 2718 IF I0 = 27 GOTO 7000 2720 PRINT "ВВОД G(J)-РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТОВ "; 2721 PRINT "НА СРЕДНЕМ УРОВНЕ ФАКТОРОВ " 2722 PRINT #1, "РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТОВ "; 2723 PRINT #1, "НА СРЕДНЕМ УРОВНЕ ФАКТОРОВ " 2724 FOR J = 1 TO N0: PRINT "G("; J; ")": INPUT G(J) 2730 PRINT #1, "G("; J; ")="; G(J): NEXT J: S = 0: FOR J = 1 TO N0: S = S + G(J) 2740 NEXT J: S0 = S / N0: PRINT "S0="; S0: S = 0: FOR J = 1 TO N0 2750 S = S + (G(J) - S0) ^ 2: NEXT J: U9 = S / F8 2751 PRINT #1, "ДИСПЕРСИЯ ОПЫТОВ U9="; U9 2760 GOTO 2780 2770 PRINT "ВВОД U9-ДИСПЕРСИЯ ОПЫТОВ": INPUT U9 2771 PRINT #1, "ДИСПЕРСИЯ ОПЫТОВ U9="; U9 2780 PRINT #1, "РАСЧЕТНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ T(J)": FOR J = 1 TO X 2790 T(J) = ABS(B(J) / SQR(U9 / O(J))): PRINT #1, "T("; J; ")="; T(J): NEXT J 2800 PRINT " ДЛЯ УРОВНЯ ЗНАЧИМОСТИ 5% "

46

2801 PRINT " ПРИ F8 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6" 2802 PRINT "СООТВЕТСТВЕННО T0 4.303 ;3.182 ;2.776 ;2.571 ;2.447" 2803 PRINT "F8=N0-1="; N0; "-1="; F8 2804 PRINT "ВВОД T0-ТАБЛИЧНЫЙ Т-КРИТЕРИЙ" 2805 INPUT T0 2806 PRINT #1, "ТАБЛИЧНЫЙ Т-КРИТЕРИЙ T0="; T0 2810 PRINT #1, "B(J) ПОСЛЕ АНАЛИЗА": FOR J = 1 TO X 2820 IF T(J) < T0 GOTO 2840 2830 IF T(J) >= T0 GOTO 2850 2840 B(J) = 0 2850 PRINT #1, "B("; J; ")="; B(J): NEXT J 2860 K9 = 0: FOR J = 1 TO X: IF B(J) = 0 GOTO 2871 2870 K9 = K9 + 1 2871 NEXT J 2872 PRINT #1, "КОЛИЧЕСТВО СТАТИСТИЧЕСКИ ЗНАЧИМЫХ" 2873 PRINT #1, " КОЭФФИЦИЕНТОВ РЕГРЕССИИ K9="; K9 2881 PRINT #1, "F9=X-1": F9 = X - 1 2882 PRINT #1, "F9="; F9: CLS 2883 PRINT "! ! ЗНАЧЕНИЯ F-КРИТЕРИЯ F7 ДЛЯ 5%-ГО УРОВНЯ ЗНАЧИМОСТИ" 2884 PRINT "! !---------------------------------------------------" 2885 PRINT "!F8! F9 " 2886 PRINT "! !---------------------------------------------------" 2887 PRINT "! ! 2 ! 3 ! 4 ! 8 ! 11 ! 14 " 2888 PRINT "-------------------------------------------------------" 2889 PRINT "! 2! 19.0 ! 19.16 ! 19.25 ! 19.37 ! 19.4 ! 19.42 " 2890 PRINT "! 3! 9.55 ! 9.28 ! 9.12 ! 8.84 ! 8.76 ! 8.71 " 2891 PRINT "! 4! 6.94 ! 6.59 ! 6.39 ! 6.04 ! 5.93 ! 5.87 " 2892 PRINT "! 5! 5.79 ! 5.41 ! 5.19 ! 4.82 ! 4.7 ! 4.64 " 2893 PRINT "! 6! 5.14 ! 4.76 ! 4.53 ! 4.15 ! 4.03 ! 3.96 " 2894 PRINT "!======================================================" 2895 PRINT "! F8 \ F9 ! 15...16 ! 19...20 ! 24 ! 26...30 !" 2896 PRINT "!------------------------------------------------------" 2897 PRINT "! 2 ! 19.43 ! 19.44 ! 19.45 ! 19.46 !" 2898 PRINT "! 3 ! 8.69 ! 8.66 ! 8.64 ! 8.62 !" 2899 PRINT "! 4 ! 5.84 ! 5.8 ! 5.77 ! 5.74 !" 2900 PRINT "! 5 ! 4.6 ! 4.56 ! 4.53 ! 4.5 !" 2901 PRINT "! 6 ! 3.92 ! 3.87 ! 3.84 ! 3.81 !" 2902 PRINT "-------------------------------------------------------" 2907 PRINT "F8="; F8; "F9="; F9 2908 PRINT "ВВОД F7-ТАБЛИЧНЫЙ F-КРИТЕРИЙ" 2909 INPUT F7: PRINT #1, "ТАБЛИЧНЫЙ F-КРИТЕРИЙ F7="; F7 2910 IF X = 3 GOTO 3010 2940 IF X = 9 GOTO 3040 3000 IF X = 27 GOTO 3100 3010 GOSUB 4390: GOTO 3110 3040 GOSUB 4450: GOTO 3110 3100 GOSUB 4770: GOTO 3110 3110 PRINT #1, "РАСЧЕТНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ ПОКАЗАТЕЛЯ";

47

3115 PRINT #1, " Z(J) ПОСЛЕ АНАЛИЗА B(J)" 3120 FOR J = 1 TO X: PRINT #1, "Z("; J; ")="; Z(J): NEXT J 3121 PRINT #1, "ПРОВЕРКА ПО РАЗНОСТИ Y(J)-Z(J)" 3122 PRINT #1, "В ПРОЦЕНТАХ (Y(J)-Z(J)) * (100/Y(J))" 3123 FOR J = 1 TO X: PRINT #1, "Y("; J; ")-Z("; J; ")="; Y(J) - Z(J) 3124 PRINT #1, "(Y("; J; ")-Z("; J; ")) * (100 / Y("; J; ")) = "; (Y(J) - Z(J)) * (100 / Y(J)) 3125 NEXT J 3130 S = 0: FOR J = 1 TO X: S = S + (Z(J) - Y(J)) ^ 2: NEXT J 3140 F6 = S / (F9 * U9) 3145 PRINT #1, "РАСЧЕТНАЯ ВЕЛИЧИНА F-КРИТЕРИЯ F6="; F6 3150 IF F6 <= F7 GOTO 3170 3160 IF F6 > F7 GOTO 3180 3170 PRINT #1, "АДЕКВАТНО,ТАК КАК F6<=F7": GOTO 3190 3180 PRINT #1, "НЕАДЕКВАТНО,ТАК КАК F6>F7" 3190 PRINT "IF I0=7 GOTO 3240-ПРОВЕРКА ТОЧНОСТИ И " 3193 PRINT " РАСЧЕТЫ ПО МОДЕЛИ" 3194 PRINT "IF I0=8 GOTO 40-НАЧАЛО" 3197 PRINT "IF I0=17 GOTO 4880-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ" 3198 PRINT "IF I0=22 GOTO 7000-ВЫЧИСЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ Z(K5)" 3200 PRINT " С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИКЛОВ И " 3203 PRINT " ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ" 3207 PRINT "IF I0=9 GOTO 6830-КОНЕЦ": PRINT "ВВОД I0": INPUT I0 3210 IF I0 = 7 GOTO 3240 3220 IF I0 = 8 GOTO 40 3227 IF I0 = 17 GOTO 4880 3228 IF I0 = 22 GOTO 7000 3230 IF I0 = 9 GOTO 6830 3240 PRINT "ПРОВЕРКА ТОЧНОСТИ И РАСЧЕТЫ ПО МОДЕЛИ" 3241 PRINT "F(S),H(S),L(S)-1, 2, 3-й ФАКТОРЫ," 3243 PRINT "ГДЕ S=X="; X; "-КОЛИЧЕСТВО ОПЫТОВ ПО ПЛАНУ" 3245 PRINT #1, "РАСЧЕТЫ ПО МОДЕЛИ" 3250 IF X = 3 GOTO 3350 3280 IF X = 9 GOTO 3420 3340 IF X = 27 GOTO 3560 3350 FOR S = 1 TO X: F(S) = 0: Z(S) = 0: PRINT "ВВОД F("; S; ")" 3360 INPUT F(S): PRINT #1, "ФАКТОР F("; S; ")="; F(S) 3365 IF X = 3 GOTO 3390 3390 GOSUB 4150: GOSUB 4390: GOTO 3412 3412 PRINT #1, "Z("; S; ")="; Z(S): NEXT S: GOTO 3610 3420 FOR S = 1 TO X: F(S) = 0: H(S) = 0: Z(S) = 0 3430 PRINT "ВВОД F("; S; "),H("; S; ")": INPUT F(S), H(S) 3432 PRINT #1, " ФАКТОРЫ F("; S; ")="; F(S); "H("; S; ")="; H(S) 3440 IF X = 9 GOTO 3500 3500 GOSUB 4150: GOSUB 4170: GOSUB 4450: GOTO 3552 3552 PRINT #1, "Z("; S; ")="; Z(S): NEXT S: GOTO 3610 3560 FOR S = 1 TO X: F(S) = 0: H(S) = 0: L(S) = 0: Z(S) = 0 3570 PRINT "ВВОД F("; S; "),H("; S; "),L("; S; ")" 3572 INPUT F(S), H(S), L(S): PRINT #1, "ФАКТОР F("; S; ")="; F(S)

48

3574 PRINT #1, "ФАКТОРЫ H("; S; ")="; H(S); "L("; S; ")="; L(S) 3580 GOSUB 4150: GOSUB 4170: GOSUB 4190: GOSUB 4770: GOTO 3590 3590 PRINT #1, "Z("; S; ")="; Z(S): NEXT S: GOTO 3610 3610 PRINT "IF I0=10 GOTO 3240-ПРОВЕРКА ТОЧНОСТИ И "; 3611 PRINT "РАСЧЕТЫ ПО МОДЕЛИ" 3612 PRINT "IF I0=11 GOTO 4880 - МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ" 3615 PRINT "IF I0=14 GOTO 7000-ВЫЧИСЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ Z(K5)" 3616 PRINT " С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИКЛОВ И " 3617 PRINT " ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ" 3620 PRINT "IF I0=12 GOTO 6830-КОНЕЦ" 3625 PRINT "ВВОД I0": INPUT I0 3630 IF I0 = 10 GOTO 3240 3640 IF I0 = 11 GOTO 4880 3650 IF I0 = 12 GOTO 6830 3653 IF I0 = 14 GOTO 7000 3660 N0 = (A ^ N + B ^ N + E ^ N) / 3: R0 = (A ^ R + B ^ R + E ^ R) / 3 3670 L2 = 2 * N: N3 = (A ^ L2 + B ^ L2 + E ^ L2) / 3: N4 = N + R 3680 N5 = (A ^ N4 + B ^ N4 + E ^ N4) / 3: V0 = -N0 3690 U0 = (N0 * R0 - N5) / (N3 - N0 ^ 2): Q0 = -(R0 + U0 * N0) 3700 PRINT #1, "КОЭФФИЦИЕНТЫ ОРТОГОНАЛИЗАЦИИ": RETURN 4150 FOR J = 1 TO X: I(J) = F(J) ^ J1 + V1 4160 K(J) = F(J) ^ O1 + U1 * F(J) ^ J1 + Q1: NEXT J: RETURN 4170 FOR J = 1 TO X: P(J) = H(J) ^ J2 + V2 4180 Q(J) = H(J) ^ O2 + U2 * H(J) ^ J2 + Q2: NEXT J: RETURN 4190 FOR J = 1 TO X: U(J) = L(J) ^ J3 + V3 4200 V(J) = L(J) ^ O3 + U3 * L(J) ^ J3 + Q3: NEXT J: RETURN 4390 FOR J = 1 TO X: Z(J) = B(1) + B(2) * I(J) + B(3) * K(J): NEXT J: RETURN 4450 FOR J = 1 TO X: N3 = B(1) + B(2) * I(J) + B(3) * K(J) + B(4) * P(J) 4460 N4 = B(5) * I(J) * P(J) + B(6) * Q(J) + B(7) * I(J) * Q(J) 4470 N5 = B(8) * P(J) * K(J) + B(9) * K(J) * Q(J) 4480 Z(J) = N3 + N4 + N5: NEXT J: RETURN 4770 FOR J = 1 TO X: N3 = B(1) + B(2) * I(J) + B(3) * K(J) + B(4) * P(J) 4780 N4 = B(5) * I(J) * P(J) + B(6) * Q(J) + B(7) * I(J) * Q(J) + B(8) * P(J) * K(J) 4790 N5 = B(9) * K(J) * Q(J) + B(10) * U(J) + B(11) * I(J) * U(J) + B(12) * P(J) * U(J) 4800 N6 = B(13) * I(J) * P(J) * U(J) + B(14) * V(J) + B(15) * I(J) * V(J) 4810 N7 = B(16) * P(J) * V(J) + B(17) * U(J) * K(J) + B(18) * U(J) * Q(J) 4820 R0 = B(19) * I(J) * P(J) * V(J) + B(20) * I(J) * U(J) * Q(J) 4830 R4 = B(21) * P(J) * U(J) * K(J) + B(22) * K(J) * V(J) + B(23) * Q(J) * V(J) 4840 R5 = B(24) * I(J) * Q(J) * V(J) + B(25) * P(J) * K(J) * V(J) 4850 R6 = B(26) * U(J) * K(J) * Q(J) + B(27) * K(J) * Q(J) * V(J) 4860 Z(J) = N3 + N4 + N5 + N6 + N7 + R0 + R4 + R5 + R6: NEXT J: RETURN 4880 PRINT #1, "МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ": IF X = 3 GOTO 4910 4890 IF X = 9 GOTO 4930 4900 IF X = 27 GOTO 4980 4910 PRINT #1, "Z(J)="; B(1); "+"; B(2); "*I(J)+"; B(3); "*K(J)," 4920 IF X = 3 GOTO 5110 4930 PRINT #1, "Z(J)="; B(1); "+"; B(2); "*I(J)+"; B(3); "*K(J)+" 4940 PRINT #1, "+"; B(4); "*P(J)+"; B(5); "*I(J)*P(J)+"

49

4950 PRINT #1, "+"; B(6); "*Q(J)+"; B(7); "*I(J)*Q(J)+" 4960 PRINT #1, "+"; B(8); "*P(J)*K(J)+"; B(9); "*K(J)*Q(J)," 4970 IF X = 9 GOTO 5110 4980 PRINT #1, "Z(J)="; B(1); "+"; B(2); "*I(J)+"; B(3); "*K(J)+" 4990 PRINT #1, "+"; B(4); "*P(J)+"; B(5); "*I(J)*P(J)+" 5000 PRINT #1, "+"; B(6); "*Q(J)+"; B(7); "*I(J)*Q(J)+" 5010 PRINT #1, "+"; B(8); "*P(J)*K(J)+"; B(9); "*K(J)*Q(J)+" 5020 PRINT #1, "+"; B(10); "*U(J)+"; B(11); "*I(J)*U(J)+" 5030 PRINT #1, "+"; B(12); "*P(J)*U(J)+"; B(13); "*I(J)*P(J)*U(J)+" 5040 PRINT #1, "+"; B(14); "*V(J)+"; B(15); "*I(J)*V(J)+" 5050 PRINT #1, "+"; B(16); "*P(J)*V(J)+"; B(17); "*U(J)*K(J)+" 5060 PRINT #1, "+"; B(18); "*U(J)*Q(J)+"; B(19); "*I(J)*P(J)*V(J)+" 5070 PRINT #1, "+"; B(20); "*I(J)*U(J)*Q(J)+"; B(21); "*P(J)*U(J)*K(J)+" 5080 PRINT #1, "+"; B(22); "*K(J)*V(J)+"; B(23); "*Q(J)*V(J)+" 5090 PRINT #1, "+"; B(24); "*I(J)*Q(J)*V(J)+"; B(25); "*P(J)*K(J)*V(J)+" 5100 PRINT #1, "+"; B(26); "*U(J)*K(J)*Q(J)+"; B(27); "*K(J)*Q(J)*V(J)," 5110 PRINT #1, "ГДЕ" 5120 PRINT #1, "I(J)=F(J)^"; J1; "+"; V1; ";" 5130 PRINT #1, "K(J)=F(J)^"; O1; "+"; U1; "*F(J)^"; J1; "+"; Q1 5131 PRINT #1, "ОБОЗНАЧЕНИЕ: F(J)- 1-й ФАКТОР " 5140 IF X = 3 GOTO 6790 5150 PRINT #1, "P(J)=H(J)^"; J2; "+"; V2; ";" 5160 PRINT #1, "Q(J)=H(J)^"; O2; "+"; U2; "*H(J)^"; J2; "+"; Q2 5161 PRINT #1, "ОБОЗНАЧЕНИЕ: H(J)- 2-й ФАКТОР" 5170 IF X = 9 GOTO 6790 5180 PRINT #1, "U(J)=L(J)^"; J3; "+"; V3; ";" 5190 PRINT #1, "V(J)=L(J)^"; O3; "+"; O3; "+"; U3; "*L(J)^"; J3; "+"; Q3 5191 PRINT #1, "ОБОЗНАЧЕНИЕ: L(J)- 3-й ФАКТОР" 6000 IF X = 27 GOTO 6790 6790 PRINT "IF I0=18 GOTO 2660-ПЕРЕХОДЫ" 6792 PRINT "IF I0=19 GOTO 3190-ПЕРЕХОДЫ " 6793 PRINT "IF I0=35 GOTO 1160-ВВОД НОВЫХ Y(J)" 6795 PRINT "IF I0=44 GOTO 6830-КОНЕЦ" 6796 PRINT "IF I0=50 GOTO 40-НАЧАЛО" 6797 PRINT "IF I0=51 GOTO 3240-ПРОВЕРКА ТОЧНОСТИ И " 6798 PRINT " РАСЧЕТЫ ПО МОДЕЛИ" 6799 PRINT "IF I0=52 GOTO 7000-" 6800 PRINT " ВЫЧИСЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ Z(K5) " 6802 PRINT " С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИКЛОВ " 6803 PRINT " И ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ" 6805 PRINT "ВВОД I0": INPUT I0 6810 IF I0 = 18 GOTO 2660 6820 IF I0 = 19 GOTO 3190 6823 IF I0 = 35 GOTO 1160 6825 IF I0 = 44 GOTO 6830 6827 IF I0 = 50 GOTO 40 6828 IF I0 = 51 GOTO 3240 6829 IF I0 = 52 GOTO 7000

50

6830 CLOSE #1 6832 PRINT "РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОГРАММЫ СМОТРИ В "; 6835 PRINT "ФАЙЛЕ "; FA$ 6840 END 7000 PRINT #1, "ВЫЧИСЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ Z(K5)" 7004 PRINT #1, " ПО МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ" 7005 PRINT #1, " С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИКЛОВ" 7006 PRINT #1, "И ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ" 7010 PRINT "ВВОД I0=61 ПРИ Х=3" 7020 PRINT "ВВОД I0=62 ПРИ Х=9" 7030 PRINT "ВВОД I0=63 ПРИ Х=27" 7040 PRINT "IF I0=64 GOTO 40-НАЧАЛО" 7050 PRINT "IF I0=65 GOTO 6830-КОНЕЦ" 7060 INPUT I0 7070 IF I0 = 61 GOTO 7190 7080 IF I0 = 62 GOTO 7330 7090 IF I0 = 63 GOTO 7580 7100 IF I0 = 64 GOTO 40 7110 IF I0 = 65 GOTO 6830 7190 PRINT "ВВОД I0=73 ПРИ X=3" 7200 INPUT I0 7210 F3 = 0: F4 = 0: K5 = 0: PRINT #1, "ФАКТОР F(1)=F3+F4" 7213 PRINT "ФАКТОР F(1)=F3+F4" 7215 FOR J = 1 TO X: F(J) = 0: Z(J) = 0: NEXT J: X = 0 7220 PRINT #1, "F4-ШАГ ПРИРАЩЕНИЯ ФАКТОРА" 7225 PRINT "F4-ШАГ ПРИРАЩЕНИЯ ФАКТОРА" 7226 PRINT #1, "X-КОЛИЧЕСТВО ЗНАЧЕНИЙ ФАКТОРА" 7227 PRINT "X-КОЛИЧЕСТВО ЗНАЧЕНИЙ ФАКТОРА" 7230 PRINT "ВВОД ПРИНЯТЫХ ВЕЛИЧИН X,F3,F4" 7240 INPUT X, F3, F4: PRINT #1, "X="; X; "F3="; F3; "F4="; F4 7250 FOR K5 = 1 TO X: F(K5) = F3 + K5 * F4 7255 PRINT #1, "F("; K5; ")="; F(K5) 7260 IF I0 = 73 GOTO 7290 7290 GOSUB 4150: GOSUB 4390: GOTO 7320 7320 PRINT #1, "Z("; K5; ")="; Z(K5) 7325 NEXT K5: GOTO 8001 7330 PRINT "ВВОД I0=76 ПРИ X=9" 7350 INPUT I0 7360 F3 = 0: F4 = 0: H3 = 0: H4 = 0: K5 = 0: PRINT #1, "ФАКТОР F(1)=F3+F4" 7361 PRINT "ФАКТОР F(1)=F3+F4" 7365 FOR J = 1 TO X: F(J) = 0: H(J) = 0: Z(J) = 0: NEXT J: X = 0 7370 PRINT #1, "F4-ШАГ ПРИРАЩЕНИЯ 1-ГО ФАКТОРА" 7371 PRINT "F4-ШАГ ПРИРАЩЕНИЯ 1-ГО ФАКТОРА" 7380 PRINT #1, "ФАКТОР H(1)=H3+H4" 7381 PRINT "ФАКТОР H(1)=H3+H4" 7390 PRINT #1, "H4-ШАГ ПРИРАЩЕНИЯ 2-ГО ФАКТОРА" 7391 PRINT "H4-ШАГ ПРИРАЩЕНИЯ 2-ГО ФАКТОРА" 7392 PRINT #1, "X-КОЛИЧЕСТВО ЗНАЧЕНИЙ 1, 2-ГО ФАКТОРОВ"

51

7393 PRINT "X-КОЛИЧЕСТВО ЗНАЧЕНИЙ 1, 2-ГО ФАКТОРОВ" 7400 PRINT "ВВОД ПРИНЯТЫХ ВЕЛИЧИН X,F3,F4,H3,H4" 7410 INPUT X, F3, F4, H3, H4: PRINT #1, "X="; X; "F3="; F3; "F4="; F4 7420 PRINT #1, "H3="; H3; "H4="; H4 7430 FOR K5 = 1 TO X: F(K5) = F3 + K5 * F4 7435 PRINT #1, "F("; K5; ")= "; F(K5) 7440 H(K5) = H3 + K5 * H4: PRINT #1, "H("; K5; ")= "; H(K5) 7450 IF I0 = 76 GOTO 7510 7510 GOSUB 4150: GOSUB 4170: GOSUB 4450: GOTO 7570 7570 PRINT #1, "Z("; K5; ")="; Z(K5) 7575 NEXT K5: GOTO 8001 7580 F3 = 0: F4 = 0: H3 = 0: H4 = 0: L3 = 0: L4 = 0 7590 K5 = 0: PRINT #1, "ФАКТОРЫ F(1)=F3+F4,H(1)=H3+H4,L(1)=L3+L4" 7595 FOR J = 1 TO X: F(J) = 0: H(J) = 0: L(J) = 0: Z(J) = 0: NEXT J 7600 X = 0: PRINT #1, "F4,H4,L4- ШАГ ПРИРАЩЕНИЯ 1,2,3-ГО ФАКТОРОВ" 7601 PRINT "F4,H4,L4- ШАГ ПРИРАЩЕНИЯ 1,2,3-ГО ФАКТОРОВ" 7602 PRINT #1, "X-КОЛИЧЕСТВО ЗНАЧЕНИЙ 1,2,3-ГО ФАКТОРОВ" 7603 PRINT "X-КОЛИЧЕСТВО ЗНАЧЕНИЙ 1,2,3-ГО ФАКТОРОВ" 7610 PRINT "ВВОД ПРИНЯТЫХ ВЕЛИЧИН X,F3,F4,H3,H4,L3,L4" 7620 INPUT X, F3, F4, H3, H4, L3, L4 7630 PRINT #1, "X="; X; "F3="; F3; "F4="; F4; "H3="; H3; 7640 PRINT #1, "H4="; H4; "L3="; L3; "L4="; L4 7650 FOR K5 = 1 TO X: F(K5) = F3 + K5 * F4 7655 PRINT #1, "F("; K5; ")="; F(K5) 7660 H(K5) = H3 + K5 * H4: PRINT #1, "H("; K5; ")="; H(K5) 7670 L(K5) = L3 + K5 * L4: PRINT #1, "L("; K5; ")= "; L(K5) 7680 GOSUB 4150: GOSUB 4170: GOSUB 4190: GOSUB 4770: GOTO 7685 7685 PRINT #1, "Z("; K5; ")=" ; Z(K5): NEXT K5: GOTO 8001 8001 PRINT #1, "ВЫЯВЛЕНИЕ MAX Z(K5) И MIN Z(K5)": K8 = 0: K8 = Z(1) 8002 PRINT "ВВОД I0=90-ПРОДОЛЖЕНИЕ" 8004 INPUT I0 8010 FOR K5 = 1 TO X 8020 IF Z(K5) >= K8 THEN K8 = Z(K5) 8040 NEXT K5: PRINT #1, "MAX Z(K5)="; K8 8041 FOR K5 = 1 TO X 8042 IF Z(K5) = K8 THEN PRINT #1, "MAX Z("; K5; ")="; Z(K5) 8044 NEXT K5 8050 K7 = 0: K7 = Z(1) 8060 FOR K5 = 1 TO X 8070 IF Z(K5) <= K7 THEN K7 = Z(K5) 8090 NEXT K5: PRINT #1, "MIN Z(K5)="; K7 8091 FOR K5 = 1 TO X 8092 IF Z(K5) = K7 THEN PRINT #1, "MIN Z("; K5; ")="; Z(K5) 8094 NEXT K5: K6 = 0: PRINT #1, "MIN Z(K5)=К7, MAX Z(K5)=K8" 8095 PRINT #1, "K6(K5)=(Z(K5)+ABS(K7))/(ABS(K7)+ABS(K8))" 8096 FOR K5 = 1 TO X: K6(K5) = (Z(K5) + ABS(K7)) / (ABS(K7) + ABS(K8)) 8097 PRINT #1, "K6("; K5; ")="; K6(K5): NEXT K5 8098 J5 = 0: J5 = ABS(K7) / (ABS(K7) + ABS(K8))

52

8099 PRINT #1, "J5=ABS(K7)/(ABS(K7)+ABS(K8))" 8111 PRINT #1, "J5="; J5 8112 PRINT "IF I0=70 GOTO 7000-ПОВТОРЕНИЕ "; 8113 PRINT " ВЫЧИСЛЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ Z(K5) "; 8114 PRINT " И ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ" 8115 PRINT "IF I0=80 GOTO 9000-ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКА" 8120 INPUT I0 8125 IF I0 = 70 GOTO 7000 8130 IF I0 = 80 GOTO 9000 9000 PRINT "X0="; X0; "Y0="; Y0; "K0="; K0; "K3="; K3 9001 K0 = 0: K3 = 0: K4 = 0: K4 = X: K7 = 0: K8 = 0: X0 = 0: Y0 = 0 9010 PRINT #1, "ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКА" 9015 PRINT #1, "ЗАВИСИМОСТЬ K6(K5) ОТ ФАКТОРА" 9020 PRINT #1, "K6(K5)-ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ВЕЛИЧИНА ПОКАЗАТЕЛЯ" 9025 PRINT #1, "K5-НОМЕР ВЕЛИЧИНЫ ФАКТОРА И ПОКАЗАТЕЛЯ" 9030 PRINT #1, "ВЕЛИЧИНЫ ФАКТОРОВ ЗАДАНЫ " 9035 PRINT "ВВОД:X0-ОТСТУП ВПРАВО ПО ОСИ Х (ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНО Х0=20)" 9036 PRINT " Y0-ОТСТУП ВНИЗ ПО ОСИ Y (ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНО Y0=180)" 9037 PRINT " K0-ДЛИНА ГРАФИКА ПО ОСИ Х" 9038 PRINT " K3-ВЫСОТА ГРАФИКА ПО ОСИ Y" 9045 INPUT X0, Y0, K0, K3 9046 PRINT #1, "X0="; X0; "Y0="; Y0; "K0="; K0; "K3="; K3; ", ГДЕ" 9047 PRINT #1, " X0-ОТСТУП ВПРАВО ПО ОСИ Х " 9048 PRINT #1, " Y0-ОТСТУП ВНИЗ ПО ОСИ Y " 9049 PRINT #1, " K0-ДЛИНА ГРАФИКА ПО ОСИ Х" 9050 PRINT #1, " K3-ВЫСОТА ГРАФИКА ПО ОСИ Y" 9054 KEY OFF: CLS 9055 COLOR 0, 0: SCREEN 2 9056 FOR K5 = 1 TO K4: K7(K5) = K5 * K0: K8(K5) = K3 * K6(K5) 9057 LINE (K7(K5) - X0, Y0)-(K7(K5) - X0, Y0 - K8(K5)): NEXT K5 9059 J6 = 0: J6 = X - 1: J7 = 0: J8 = 0: J9 = 0: K7 = 0: K8 = 0: J9 = K3 * J5 9060 FOR K5 = 1 TO J6: K7(K5) = K5 * K0: K8(K5) = K3 * K6(K5) 9061 J7(K5) = (K5 + 1) * K0: J8(K5) = K3 * K6(K5 + 1) 9062 LINE (K7(K5) - X0, Y0)-(J7(K5) - X0, Y0) 9063 LINE (K7(K5) - X0, Y0 - J9)-(J7(K5) - X0, Y0 - J9) 9065 LINE (K7(K5) - X0, Y0 - K8(K5))-(J7(K5) - X0, Y0 - J8(K5)): NEXT K5 9071 A$ = "" 9072 A$ = INKEY$: IF A$ = "" THEN 9072 9073 SCREEN 0: CLS : COLOR 2, 0 9074 PRINT "ВВОД I0=75 GOTO 9000-ПОВТОРЕНИЕ ПОСТРОЕНИЯ ГРАФИКА" 9075 PRINT "ВВОД I0=85 GOTO 7000-ПОВТОРЕНИЕ" 9076 PRINT " ВЫЧИСЛЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ Z(K5)" 9078 PRINT " С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИКЛОВ " 9079 PRINT " И ПОСТРОЕНИЕ ГРАФИКОВ" 9080 PRINT "ВВОД I0=95 GOTO 6830-КОНЕЦ": PRINT 9081 INPUT I0 9083 IF I0 = 75 GOTO 9000

53

9090 IF I0 = 85 GOTO 7000 9095 IF I0 = 95 GOTO 6830

54

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Композиционные материалы обладают уникальными свойствами. Они широко применяются в машиностроении, авиастроении, космической технике. Композиционные материалы (композиты) представляют собой неоднородные системы, состоящие из двух или более фаз. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей, второй, разделенный в объеме композиции, является армирующим. Матричными материалами могут быть металлы, сплавы, термореактивные или термопластичные полимеры, керамика или другое вещество. Армирующие компоненты - это мелкодисперсные порошки или волокнистые материалы различной природы. По виду армирующего материала композиты делятся на две основные группы - дисперсно-упрочненные и волокнистые. Структура дисперсно-упрочненного композиционного материала представляет собой металлическую матрицу, в которой равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго компонента. В промышленности нашли применение следующие композиты: на основе алюминия широко применяют в авиационной промышленности композиты типа САП (спеченный алюминиевый порошок), представляющие собой алюминиевую матрицу, упроченную оксидными частицами А12О3; на основе бериллия (предназначены для длительной работы при высоких температурах); на основе магния (обладают низкой плотностью, высокой длительной прочностью и высоким сопротивлением ползучести); на основе никеля и кобальта (предназначены для эксплуатации при высоких температурах - свыше 1000 оС); волокнистые (матрица армирована высоко-прочными волокнами нитевидными кристаллами, проволокой и др., воспринимающими нагрузку, за счет чего и достигается упрочение композита; их свойства определяются природой материалов матрицы и волокна, а также способами армирования); стеклопластики (применяют в авиационной промышленности для изготовления баллонов высокого давления); органопластики - легкие композиты (используют в качестве облицовочного материала); углепластики - перспективный вид композитов (применяют в авиационной и космической технике, автомобилестроении); боропластики (используют в силовых конструкциях);

55

композиты с углеродной матрицей (применяют для тепловой защиты дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры); композиты с металлической матрицей (алюминиевой, магниевой, титановой; используют в авиационной промышленности, в качестве жаропрочного материала). 2. Уникальные свойства композиционных материалов позволяют развивать и совершенствовать машиностроение, производство ювелирных изделий. 3. Перспективно использование композиционных материалов в металлургической промышленности, строительной индустрии. 4. Возможности применения композиционных материалов раскрыты не полностью, а технология производства их материалов требует дальнейшего совершенствования. 5. Появляются новые изобретения по композиционным материалам, по улучшению их свойств, применению отходов для получения композиционных материалов и изделий. 6. Разработан новый способ получения отливки, который относится к литейному производству и может быть использован в строительной промышленности для получения композиционных конструкций. Формула этого изобретения следующая: способ получения отливки, включающий выполнение поверхностного слоя формы из смеси зернистого материала, температура плавления которого выше температуры плавления заливаемого материала, и материала, температура плавления которого ниже температуры плавления заливаемого материала, заливку в форму жидкого материала, расплавление заливаемым материалом менее тугоплавкого материала и связывание зерен тугоплавкого материала с образованием на поверхности отливки слоя из разнородных материалов, отличающийся тем, что на поверхность формы наносят слой толщиной 20 мм из смеси раздробленного высокоглиноземистого огнеупора, температура плавления которого 1800-1850°С, и бентонитовой глины с добавлением криолита, температура плавления которых ниже 1000°С, и в форму заливают жидкий чугун при температуре 1420°С. (Патент Российской Федерации № 2283724). 7. Новые исследования по композиционным материалам рационально проводить с применением математического моделирования на основе планирования экспериментов.

56

ЛИТЕРАТУРА 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

15.

А. М. Дальский. Технология конструкционных материалов. - М.: Машиностроение, 1985. – 448 с. Б. Н. Арзамасов. Конструкционные материалы: Справочник. - М.: Машиностроение. 1990 – 688 с. Композиционные материалы: Справочник / Под ред. Д. М. Карпиноса. - Киев: Наукова думка, 1985. С.373 – 474. Волокнистые композиционные материалы / Под ред. Дж. Уитона. Э. Скала. - М.: Металлургия, 1088. – 42 с. Залкинд М., Лемке Ф., Джордж Д. Монокристаллитные волокна и армированные ими материалы: М.: Мир, 1973. с. 332 - 378. Томсон Е. Р., Лемке Ф. Д. Композиционные материалы с металлической матрицей / Под ред. К. Крейдера. - М.: Машиностроение, 1978. С.110 – 164. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с. Материалы будущего: перспективные материалы для народного хозяйства. Пер. с нем./ Под ред. А. Неймана. – Л.: Химия, 1985. Васильева Е.В., Воронова Т.А., Горбова А.С. Новые способы повышения прочностных свойств ниобия //Труды МВТУ. 1983. № 280. Бялобжевский А.В., Цирлин М. С., Красилов Б. И. Высокотемпературная коррозия и защита сверхтугоплавких металлов: М.: Атомиздат, 1977. - 224 с. Лакедемонский А. В. Биметаллические отливки. - М.: Машиностроение, 1964. – 180 с. Тарнопольский Ю.М., Жигун И.Г., Поляков В.А. Пространственноармированные композиционные материалы. Справочник: - М.: Машиностроение, 1987. - 224 с. Мастеров В.А. Серебро, сплавы и биметаллы на его основе [Текст]: Справочник / В.А. Мастеров, Ю.В. Саксонов. – М.: Металлургия, 1979. – 296 с. Пат. 2283724 Российская Федерация, МПК В22D 27/18. Способ получения отливки [Текст] / Черный А.А., Черный В.А., Соломонидина С.И., Ковалева А.В.; заявитель и патентообладатель Пензанский государственный университет. - № 2005112432/02; заявл. 25.04.05; опубл. 20.09.06. Бюл. № 26. – 4 с. Черный А.А. Математическое моделирование при планировании экспериментов на трех уровнях факторов: учебное пособие / А.А.Черный – Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2006. – 80 с.

57

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ………………….……………………………………………….. 3 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ТЕХНИКЕ …………………….. 4 ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕНЫЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ………………………………. 6 ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ БЕРИЛИЯ …………………………………... 9 ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ МАГНИЯ ………………………………….. 10 ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ ………………………………….... 11 ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА ………………………………... 13 ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ХРОМА …………………………………… 15 ВОЛОКНИСТЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ …………………………………… 16 ЭВТЕКТИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ……………. 20 ЭВТЕКТИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ……………………………………………….. 21 ЭВТЕКТИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И КОБАЛЬТА …………………………………… 23 ЭВТЕКТИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ТАНТАЛА И НИОБИЯ …………………………………….. 28 ВОЛОКНИСТЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ …………………………………... 29 ПОВЫШЕНИЕ ЖАРОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛОВ …………………... 31 РАЗВИТИЕ ПРОИЗВОДСТВА БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ …….32 НОВЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОЙ ОТЛИВКИ … 34

58

ВЯВЛЕНИЕ НОВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ …………… 38 ПЛАНЫ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 31, 32, 33 ПРИМЕНИТЕЛЬНО К КОМПЬЮТЕРНЫМ ПРОГРАММАМ ……….…. 39 АЛГОРИТМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ……………. 41 ПРОГРАММА WN3 ДЛЯ СЛУЧАЕВ ПЛАНИРОВАНИЯ 31(Х = 3), 32(Х = 9), 33(Х = 27) ……………………………………………… 42 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………... 55 ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………………………… 57

59

Анатолий Алексеевич Черный, Вадим Анатольевич Черный

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ТЕХНИКЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОТЛИВОК

Учебное пособие

__________________________________________________________________

Издательство Пензенского государственного университета. 440026, Пенза, Красная, 40.

60