Применение фрактального анализа для описания и оценки стохастически сформированных поверхностей

Аннотация

В статье, на примере сплава 1201, предложен современный подход для описания и оценки стохастически сформированных поверхностей, основанный на фрактальном анализе. Приведены результаты исследования взаимосвязи численных значений фрактальной размерности и параметров технологии размерной электрохимической обработки.

Полный текст

В последние годы в машиностроении наблюдается тенденция изготовления деталей из материалов, полученных современными методами обработки: эпитаксией, золь-гель процессами, электрофизическими и электрохимическими методами. На поверхностном слое таких изделий присутствуют элементы со сложной и разнообразной формой, распределение которых носит стохастический характер [1]. Случайность структуры проявляется в негауссовой статистке ее поведения с преобладанием степенных законов распределения вероятностей. Описанная выше черта вызывает проблему адекватного описания процесса образования поверхностного слоя стохастически сформированных поверхностей для последующего его изучения. Применение традиционных методов приводит к потере весомой части полезной информации, в результате чего искажается представление о топологии и топографии поверхностей, и как следствие – понижается достоверность прогнозируемых функциональных свойств деталей и изделий в целом. Возможным подходом повышения эффективности исследования наноматериалов, учитывающим особенности формирования структуры, может служить применение методов фрактальной геометрии [2]. Предлагаемая концепция реализуется на примере сплава 1201 и размерной электрохимической обработки (РЭХО). Данный материал обладает доказанными фрактальными свойствами сильной интенсивности [3]. Для достижения поставленной цели необходимо решить две задачи: · установить взаимосвязь между параметрами РЭХО (тип электролита – 15 % NaCl + 15 % NaNO3 или 15 % NaNO3; температура электролита – T; скорость подачи катода-инструмента – Vк; скорость потока электролита – Vэ) и качеством обработанного материала (параметр шероховатости поверхности Ra); · определить зависимость между фрактальной размерностью поверхности обработанного объекта и параметрами РЭХО. Первая задача решена в работе [4]. Согласно полученным данным, для сплава 1201 наибольшее влияние на параметр Ra из всех факторов оказывают: · температура электролита; · скорость подачи электролита. Для решения второй задачи были подсчитаны значения фрактальных размерностей по спектру для ряда РЭХО поверхностей (таблица 1). Расчеты выполнялись в специальной компьютерной программе [5]. Таблица 1 Значения фрактальных размерностей для различных режимов обработки сплава 1201 Исследование взаимосвязей фрактальной размерности и параметров режима обработки (Tэ и Vк) (рисунки 1, 2) показало, что для сплава 1201 с ростом температуры в интервале от 288 °К до 293 °К Ds возрастает от 1,903 до 2,103, что связано с ростом интенсивности и избирательности процесса анодного растворения сплава. Рисунок 1 – Взаимосвязь Ds и T° К: 1 – элемент 15 % NaCl + 15 % NaNO3; 2 – элемент 15 % NaNO3 Рисунок 2 – Взаимосвязь Ds и Vк: 1 – элемент 15 % NaCl + 15 % NaNO3; 2 – элемент 15 % NaNO3 Причём для нитратного электролита наблюдается тенденция к стабилизации значений Ds в указанном диапазоне температур, а для комбинированного электролита – к росту значений Ds. Стабилизация значений Ds в нитратном электролите объясняется установившимся процессом образования фрактальных кластеров (плёночный механизм формирования поверхности), а небольшой рост этих значений в комбинированном электролите – активным действием ионов хлора, способствующим дальнейшему развитию процесса избирательного травления материала. Увеличение скорости подачи катода-инструмента Vк приводит к некоторому снижению Ds (от 2,1 до 2,0) при обработке сплава в нитратном электролите, что связано с пассивирующим действием. Дальнейшее увеличение скорости подачи катода-инструмента приводит к уменьшению гидродинамики процесса ЭХО и увеличению значений Ds. Для комбинированного электролита в диапазоне скоростей от 1 до 1,5 м/мин формируется зона с постоянным значением Ds (~ 2.1). При обработке сплава 1201 в нитратном электролите значение Ds слабо изменяются в зависимости от скорости течения электролита, в силу чего формирующуюся поверхность можно охарактеризовать как самоорганизующуюся иерархическую структуру, обладающую свойством анизотропности. РЭХО также демонстрирует преобладающий вклад химических (электрохимических) процессов в формировании поверхностных структур. Методы фрактальной и электрохимической обработки различаются лишь во втором порядке. Для получения однородной поверхности с развитой иерархией элементов необходимо поддерживать: · температуру электролита в интервале 293 – 295 °К; · скорость течения электролита – в диапазоне от 32 до 52 м/мин; · скорость перемещения катод – инструмента – от 0,5 до 1 м/мин. Заключение Таким образом, можно заключить, что, изменяя параметры различных режимов методов обработки, можно влиять на степень иерархичности поверхностей структуры, её анизотропность и на процесс кластерообразования в целом, что отражается в численных значениях фрактальной размерности. Уровень иерархичности поверхности связан с величиной фрактальной размерности Ds этой поверхности, т.е. фрактальная размерность есть мера иерархичности структуры. Иерархичность поверхности может определять эксплуатационные свойства деталей, например, трибологические свойства, усталостную прочность, коррозионную стойкость и др. Выявленные в данной работе зависимости между фрактальной размерностью и параметрами РЭХО, а также установленные в работе [4] взаимосвязи между параметром шероховатости поверхности Ra и режимами РЭХО дают основания для разработки многомерной шкалы [6, 7]. Это позволит, имея на выходе один параметр (фрактальную размерность), оценивать качество обработанных поверхностей и при необходимости менять его через параметры РЭХО.