CC BY
27
УДК 62-1/-9
ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ГАЗОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ И УРОВЕНЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Д.А. Иванов1, О.Н. Засухин2
1 Санкт-Петербургский государственный университет гражданскойавиации (СПбГУГА),
196210, Cанкт-Петербург, ул. Пилотов, 38; 2Балтийский государственный университет (БГТУ) «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова,
190005, Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, д. 1
В данной работе рассматривается оптимальная продолжительность воздействия пульсирующего газового потока и влияние его скорости на повышение механических свойств и уровень остаточных напряжений.
Ключевые слова: пульсирующий газовый поток, механические свойства, конструкционные стали, остаточные напряжения.
THE EFFECT OF DURATION OF IMPULSE GAS PROCESSING ON MECHANICAL PROPERTIES OF METAL PRODUCTS AND THE LEVEL OF RESIDUAL STRESSES
D.A. Ivanov, O.N. Zasuhin
St. -Petersburg state University of civil aviation (SPbGPU), 196210, St. Petersburg, Pilotov str., 21; The Baltic state university (BGTU) "VOYENMEKH" of D.F. Ustinov 190005, St. Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya St., 1 This paper examines the optimal duration of effects of pulsating gas flow and the impact of his speed at increasing the level of mechanical properties and residual stresses
Keywords: pulsating gas flow, mechanical properties, structural steels, residual stresses.
Обработка пульсирующим газовым потоком (газоимпульсная обработка) оказывает положительное влияние на механические и эксплуатационные свойства металлических деталей бытовых машин и приборов, а также структуру материалов, использующихся при их изготовлении и ремонте [1-10].
Вместе с тем остаются не полностью установленными оптимальная продолжительность воздействия пульсирующего газового потока и влияние его скорости на повышение механических свойств и уровень остаточных напряжений.
Цель исследования - создание экономичных и экологически чистых технологий повышения конструктивной прочности металлических материалов и изделий.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
- изучить зависимость механических и эксплуатационных свойств металлических из-
делий от продолжительности газоимпульсной обработки
- оценить возможность сокращения продолжительности газоимпульсной обработки за счёт увеличения скорости газового потока.
Исследования зависимости механических и эксплуатационных свойств металлических изделий от продолжительности газоимпульсной обработки, и скорости газового потока осуществлялись с использованием ударных образцов (Менаже) из стали 40 в холоднокатаном состоянии. Обработка пульсирующим воздушным потоком осуществлялась в течение 15 мин. Избыточное давление в магистрали подачи газа составляло 1 атмосферу.Такое давление соответствует частотным пикам колебаний параметров потока в сравнительно низкочастотных диапазонах 700 - 1000Гц, способным оказывать существенное влияние на структуру металлического материала даже при значительном удалении от поверхности изделия, на которую натекает пульсирующий газовый поток
1 Иванов Денис Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедрыдиагностики и нераз-рушающего контроля технических систем СПбГУГА, тел.: +7(981)7640822, E mail: tm_06@mail.ru;
2Засухин Отто Николаевич - заведующий лабораторией газодинамики БГТУ «ВОЕНМЕХ», тел.: +7(951)6484544,e-mail: komdep@bstu.spb.su
Импульсное звуковое давление при этом соответствовало значениям до 130 дБ. Ударная вязкость холоднокатаной стали 40 без дополнительной обработки составляла менее 0.7 МДж/м2.
Первый образец в процессе обработки размещался на выходе из успокоительной камеры экспериментальной установки так, что направление обдува совпадало с направлением удара при механическом испытании. В результате подобной обработки ударная вязкость составила 0.85 МДж/м2 или на 21 % больше, чем без обработки.
Второй образец размещали на выходе из успокоительной камеры так, что направление обдува совпадало с направлением удара при испытании, в течение 7,5 мин, после чего осуществляли поворот образца и-образным концентратором навстречу потоку (180 градусов) и производили обдув ещё 7,5 мин. В результате ударная вязкость составила лишь 0,58 МДж/м2, из чего следует, что эффект повышения ударной вязкости достигается за счёт увеличения подвижности дислокаций в направлении обдува, а не только лишь за счёт релаксации остаточных напряжений, которая при двухстороннем обдуве была бы не ниже.
Далее исследовалось изменение механических свойств при газоимпульсной обработке во времени и возможность сокращения её продолжительности за счёт увеличения скорости натекающего на изделие газового потока. Ударные образцы из той же стали размещали на выходе из успокоительной камеры экспериментальной установки (Рис. 1 а) и на ноже рассекателя веерной струи за его режущей кромкой (Рис. 1 б). Последний вариант размещения позволяет более чем втрое (до 100 м/с) увеличить скорость натекающего на изделие воздушного потока при тех же амплитудно-частотных характеристиках, что и в случае размещения изделия на выходе из успокоительной камеры. Частота пульсаций газового потока составляла 700-1000 Гц при звуковом давлении до 130 дБ. Направление обдува во всех случаях совпадало с направлением удара при испытании.
При продолжительности обдува 5 минут ударная вязкость составила 0.6 МДж/м2 и в том, и в другом случае, что свидетельствует о недостаточности столь малого времени обработки для влияния на механические свойства. С увеличением продолжительности газоимпульсной обработки повышение ударной вязкости начинается раньше в случае более высокой скорости натекающего на образец газового потока. Так, при продолжительности обдува 10 минут удар-
ная вязкость по-прежнему составила 0.6 МДж/м2 при размещении образца на выходе из успокоительной камеры, и повысилась до 0.7 МДж/м2 при размещении образца на ноже рассекателя, что свидетельствует о том, скорость пульсирующего потока является определяющим механические свойства фактором при равных АЧХ.
а б
Рисунок 1 -Ударные образцы: а -на выходе из успокоительной камеры, б - возле рассекателя
Далее ударная вязкость при размещении образцов на выходе из успокоительной камеры менялась следующим образом: 15 мин - 0.85 МДж/м2; 20 мин - 1,1 МДж/м ; обдув в течение 25 мин дал значение ударной вязкости 0,8 МДж/м2 (табл. 1, график рис. 2). Последнее значение позволяет сделать вывод, что после 20 минут обдува дальнейшего увеличения ударной вязкости не наблюдается. Изломы образцов представлены на рис. 3.
Таблица 1 - Ударнаявязкость КСи, МДж/м2. Размещение образца на выходе из успокоительной камеры
При размещении образцов на ноже рассекателя дальнейшие значения ударной вязкости менялись следующим образом: 15 мин -0.95 МДж/м2; 20 мин - 1,1 МДж/м2; 25 мин -0,7 МДж/м2 (табл. 2, график рис. 4).
Характерно, что в обоих случаях максимальное значение ударной вязкости соответствует продолжительности газоимпульсной обработки 20 минут. То есть, для холодного проката из стали 40, при более высоких скоростях обдува повышение ударной вязкости начинается раньше, достигает максимального значения при равной продолжительности и интенсивнее теряет вязкость при продолжении обработки (график рис. 5, фотографии изломов рис. 6).
Продолжительность газоимпульсной обработки, мин. 5 10 15 20 25
Ударная вязкость КСИ, МДж/м2 0,6 0,6 0,85 1,1 0,8
Таблица 2 - Ударнаявязкость КСи, МДж/м2. Размещение образца на ноже рассекателя за режущей кромкой
Ударная вязкость
Ударная вязкость
1,2
1,1
Л / /
/у
■
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
10 мин 15 мин 20 мин 25 мин Время обработки
Рисунок 2 -Ударнаявязкость образцов из холоднокатаной стали 40 в зависимости от продолжительности газоимпульсной обработки. Образцы во всех случаях расположены поперёк потока, на выходе из успокоительной камеры установки
Рисунок 3 -Сталь40 холодный прокат:
а - обдув 15мин, размещение на выходе из успокоительной камеры, КСи 0.85 МДж/м2. б - без обдува, КСи 0.6 МДж/м2. в - обдув 20 мин, размещение на выходе из успокоительной камеры, КСи 1. 1 МДж/м2
1,2
1,1
Продолжительность газоимпульсной обработки, мин. 5 10 15 20 25 1
Ударная вязкость КСи, МДж/м2. Размещение образца на 0,6 0.7 0,95 1,1 0,7 0,9 0,8
ноже рассекателя за
режущей кромкой 0,7
0,6
/ //
Л V
10 мин 15 мин 20 мин 25 мин Время обработки
Рисунок 4 -Ударнаявязкость образцов из холоднокатаной стали 40 в зависимости от продолжительности газоимпульсной обработки. Образцы
во всех случаях расположены поперёк потока. Размещение образца на ноже рассекателя за режущей кромкой, обеспечивающее более чем трёхкратное увеличение скорости натекающего на образец потока
1,2 1,1 1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4
5 мин 10 мин 15 мин 20 мин 25 мин
Время обработки < 0бработка на выходе из успокоительной камеры
И обработка возле рассекателя
Рисунок 5 -Ударнаявязкость образцов из холоднокатаной стали 40.В зависимости от продолжительности обработки и места размещения образца, определяющего скорость натекающего на образец газового потока
Исследовалась возможность интенсификации процесса уменьшения остаточных растягивающих напряжений на поверхности металлических изделий и сокращения продолжительности газоимпульсной обработки путём увеличения скорости натекающего на изделие газового потока без существенного изменения амплитудно-частотных характеристик. В ходе исследования было изменено расположение обдуваемого изделия, ранее размещавшегося на
2
2
1
выходе из успокоительной камеры установки, с помещением его вблизи рассекателя веерной струи (Рис. 7), в результате получив не менее чем трёхкратное увеличение скорости воздушного потока, натекающего на изделие.
а б в
Рисунок 6 -Сталь40, холодный прокат:
а - 15 мин, б - 20 и в - 25 мин обдува возле рассекателя. Максимально вязкий характер излома при 20 минутах обработки.
В результате продолжительность газоимпульсной обработки, необходимой для снятия остаточных растягивающих напряжений на поверхности металлических кольцевых и трубных изделий уменьшилась с 10 - 15, до 5 минут.
Рисунок 7 -Кольцо, зафиксированное проволочной сеткой, размещено непосредственно возле рассекателя и взаимодействующей с ним веерной струи
Так, в частности, над рассекателем веерной струи было размещено тонкостенное шовное кольцо (толщина стенки 0,3 мм) наружным диаметром 65 мм и высотой 35 мм. Обдув осуществлялся при частоте порядка 2100 герц, звуковом давлении около 130 дБ и скорости воздушного потока до 75 - 80м/с, что втрое выше скорости на выходе из успокоительной камеры, где прежде размещались при обработке подобные изделия.
В результате, растягивающие тангенциальные остаточные напряжения, составлявшие 340 МПа, за 5 минут газоимпульсной обработки снизились на 67% .
Полученные данные свидетельствуют о ведущей роли газовых импульсов в воздействии нестационарных течений на напряженное
состояние, структуру и свойства металлических изделий и резерве для повышения эффективности и сокращения продолжительности газоимпульсной обработки за счёт повышения скорости натекающего на изделие пульсирующего газового потока.
В дальнейшем были проведены исследования зависимости механических и эксплуатационных свойств легированных сталей от продолжительности воздействия пульсирующего газового потока и его скорости на примере холодного проката из стали 40Х.
Размещение образцов осуществлялось на выходе из успокоительной камеры установки для газоимпульсной обработки и возле рассекателя газоструйного генератора, где скорость пульсирующего газового потока более чем втрое (до 100 м/с) выше, чем на выходе из успокоительной камеры. Образцы размещались так, что направление обдува совпадало с направлением удара при испытании. Частота пульсаций газового потока составляла 7001000 Гц при звуковом давлении до 130 дБ. Амплитудно-частотные характеристики при этом не зависели от места расположения образца и единственным варьируемым параметром, таким образом, была скорость натекания пульсирующего газового потока на образец. Результаты исследования представлены в таблицах 3,4 и на рисунках 8-13.
В случае размещения образца возле рассекателя уже через 5 минут обработки ударная вязкость увеличивается с 0,65 до 1,6 МДж/м2, достигает максимума при 10 минутах и затем начинает снижаться. При этом максимальное значение ударной вязкости 1,8 МДж/м2 против 0,875 МДж/м2 при размещении на выходе из успокоительной камеры, где скорость более чем втрое ниже.
Таблица 3 - Сталь40Х холодный прокат. Зависимость КСи от продолжительности обдува. Размещение образца на выходе из успокоительной камеры так, что направление обдува совпадало с направлением удара при испытании.
Полученные данные свидетельствуют о ведущей роли газовых импульсов в воздействии нестационарных течений на структуру и свойства металлических изделий, в частности, из легированных сталей и резерве для повышения эффективности и сокращения продолжительности газоимпульсной обработки за счёт
Продолжительность газоимпульсной обработки, мин. 5 10 15 20 25
Ударная вязкость КСи, МДж/м2 0,65 0,65 0,8 0,875 0,8
повышения скорости натекающего на изделие вергнуты воздействию пульсирующего дозвукового газового потока частотой 1130 Гц и звуковым давлением 122 дБ, продолжительностью 5,10 и 15 минут.
пульсирующего газового потока.
♦ Ударная вязкость МДж/м2
0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6
а т с /
н ра я д о кь з я в Л
10 мин 15 мин 20 мин 25 мин Время обработки Рисунок 8 -Сталь40Х холодный прокат: Зависимость КСи от продолжительности обду-ваОбразец размещен на выходе из успокоительной камеры так, что направление обдува совпадало с направлением удара при испытании
б
а
в
г
Рисунок 9 -Сталь40Х холодный прокат. Изломы ударных образцов: а - безобдува, б - обдув20 мин. Размещение образца на выходе из успокоительной камеры так, что направление обдува совпадало с направлением удара при испытании
Рисунок 10 -Сталь40Х холодный прокат. Изломы ударных образцов, обдув: а - 5,б - 10,в - 15,г - 20, д - 25мин. Размещение образца на выходе из успокоительной камеры так, что направление обдува совпадало с направлением удара при испытании.
Ударная вязкость МДж/м2
2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6
Г/ / / Ч \ \
//
//
0 мин 5 мин 10 мин 15 мин 20 мин 25 мин
УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ МДж/М2
Также в рамках изучения влияния газоимпульсной обработки и её продолжительности на уровень остаточных напряжений были проведены исследования с использованием колец шариковых подшипников из стали ШХ15, обладавших наружным диаметром 72 мм и толщиной стенки 5 мм. Кольца были под-
---Полиномиальная (УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ
МДж/М2)
Рисунок 11 -Сталь40Х холодный прокат.
Зависимость КСи от продолжительности обдува. Образец размещался возле рассекателя так, что направление обдува совпадало с направлением удара при испытании
д
а
б
Таблица 4 - Сталь 40Х холодный прокат. Зависимость КСи от продолжительности обдува. Ударный образец размещался возле рассекателя так, что направление обдува совпадало с направлением удара при испытании
Продолжительность газоимпульсной обработки, мин. 5 10 15 20 25
Ударная вязкость КСи, МДж/м2 1,6 1,8 1,45 1,25 0,6
1,9 1,7 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 0,5
Ударная вязкость МДж/м'
5 мин 10 мин 15 мин 20 мин 25 мин 0бработка на выходе из успокоительной камеры
обработка возле рассекателя
Полиномиальная (0бработка на выходе из успокоительной камеры)
- Полиномиальная (обработка возле рассекателя)
Рисунок 13 -Ударнаявязкость образцов из холоднокатаной стали 40Х.В зависимости от продолжительности обработки и места размещения образца, определяющего скорость натекающего на образец газового потока
Таблица 5 - Значениятангенциальных остаточных напряжений в поверхностных слоях колец шарикового подшипника в зависимости от продолжительности газоимпульсной обработки
Продолжительность обработки, мин. без обработки 5 10 15
Остаточные нароя-жения, МПа +27 +13,5 27 0
Д е
Рисунок 12 -Изломыударных образцов. Сталь 40Х холодный прокат. Обдув: а - 0, б - 5, в - 10, г - 15, д - 20, е - 25мин. Образцы в установке размещались возле рассекателя
Тангенциальные растягивающие
напряжения на поверхности необработанного кольца составили +27 МПа, в результате обдува в течение 5 минут они показали значение +13,5 МПа , после газоимпульсной обработки в течение 10 минут остаточные напряжения на поверхности стали сжимающими, величиной -27 МПа и на 15 -й минуте обработки показали нулевое значение (см. таблицу 5 и график рис. 14), выказав тем самым уже знакомый по предыдущим исследованиям характер зависимости уровня остаточных напряжений на поверхности изделия от продолжительности газоимпульсной обработки.
Дополнительно было проведено более детальное исследование влияния продолжительности газоимпульсной обработки на величину тангенциальных остаточных напряжений в поверхностных слоях металлических изделий.
В качестве объекта исследований была выбрана бесшовная холоднокатаная труба наружным диаметром 38 мм и толщиной стенки 1,1 мм, изготовленная из стали 12Х18Н10Т. Ширина вырезанных колец - 10 мм. Тангенциальные растягивающие напряжения на поверхности кольца составляли +183 МПа.
Обдув в течение 5 минут пульсирующим газовым потоком при частоте пульсаций 1130 Гц и звуковом давлении, равном 122 дБ, обеспечил снижение о.н. на 70% (до + 55 МПа), а в течение 10 минут - на 75% (до + 46 МПа), что является неплохим результатом, если принять во внимание сочетание высокой вязкости материала с пределом прочности 1100-1300 МПа (в наклёпанном состоянии).
В целом зависимость тангенциальных остаточных напряжений от продолжительности обдува: 2,5 мин - +293 МПа; 5 мин - + 55 МПа; 7,5 мин - + 110 МПа; 10 мин - + 46 МПа. 12,5
в
г
мин - +82 МПа;15 мин - + 73 МПа;17,5 мин - + 55 МПа (см. график рис. 15).
350 300 250 200 150 100 50 0
\\
\ \
2,5 5 7,5 10 12,5 15 17 Время обработки, мин
Рисунок 14 -Уровеньтангенциальных остаточных напряжений на поверхности колец подшипника качения из стали ШХ15 в зависимости от продолжительности газоимпульсной обработки
Периодическое увеличение значений уровня тангенциальных о.н. в процессе обдува может быть связано с уменьшением влияния осевых и радиальных о.н., обладающих противоположным знаком вследствие их релаксации.
В целом можно сказать, что под действием пульсаций газового потока растягивающие остаточные напряжения на поверхности изделий уменьшаются вплоть до перехода в сжимающие. При этом остаточные напряжения в процессе обдува меняются по кривой с экстремумом, напоминающей кривую затухающих колебаний. В ряде случаев наблюдается повторное изменение знака остаточных напряжений на противоположный.
Таким образом, существует оптимальная продолжительность газоимпульсной обработки, зависящая от материала и геометрических параметров образца, а также от амплитудно-частотных характеристик самого потока. Дальнейшее продолжение обдува делает процесс менее технологичным и может привести к снижению положительного эффекта от газоимпульсной обработки.
Литература
1. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Газоимпульсная обработка машиностроительных материалов без предварительного нагрева // Двигателестроение. - СПб., 2010, №2, с. 20-22.
2. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Повышение конструктивной прочности машиностроительных материалов в результате сочетания термической и газоимпульсной обработки // Двигателестроение. - СПб., 2012, №3, с. 12-15.
Напряжения, МПа
— • — Логарифмическая (Напряжения, МПа)
Рисунок 15 -Зависимостьтангенциальных остаточных напряжений от продолжительности газоимпульсной обработки кольцевых образцов, вырезанных из бесшовной холоднокатаной трубы наружным диаметром 38 мм и толщиной стенки 1,1 мм, изготовленная из стали 12Х18Н10Т
3. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Обработка пульсирующим газовым потоком высокопрочных и пружинных сталей // Двигателестроение. - СПб., 2014, №3, с. 34-36.
4. Иванов Д.А. Влияние дозвукового пульсирующего водовоздушного потока на напряженное состояние сталей при термообработке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2007, №1, с. 97-100.
5. Иванов Д.А. Закалка сталей, алюминиевых и титановых сплавов в пульсирующем дозвуковом водо-воздушном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2008, №2, с. 57-61.
6. Иванов Д.А. Прокаливаемость сталей при закалке в пульсирующем дозвуковом воздушном и водовоз-душном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2010, № 11, с. 50-53.
7. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Использование газоимпульсной обработки в процессе термического упрочнения деталей бытовых машин // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2012, № 4, с. 33-37.
8. Булычев А.В., Иванов Д.А. Воздействие газоимпульсной обработки на структуру, свойства и напряженное состояние металлических изделий // Технология металлов. - М., 2013, №11, с. 30-33.
9. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Использование пульсирующего дозвукового газового потока для повышения эксплуатационных свойств металлических изделий // Технология металлов. - М., 2015, №1, с. 34-38.
10. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Повышение коррозионной стойкости конструкционных сталей газоимпульсной обработкой // Технология металлов. - М., 2015, №10, с. 27-31.
