CC BY
55
УДК 629.113.004.67
А.С. Денисов, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина АНАЛИЗ НАПРЯЖЕНИЙ ВТОРОГО РОДА В КОЛЕНЧАТОМ ВАЛЕ, ВОССТАНОВЛЕННОМ НАПЛАВОЧНЫМИ МЕТАЛЛОПОКРЫТИЯМИ
Проведена оценка остаточных напряжений 2-го рода различных металлопокрытий. Представлены математические зависимости и сделаны соответствующие выводы.
Коленчатый вал, наплавка, остаточные напряжения 2-го рода A.S. Denisov, B.F. Tugushev, E.Yu. Gorshenina
STRESS ANALYSIS OF THE SECOND KIND IN THE CRANKSHFT,
THE RESTORATION OF SURFACING METAL COATING
The estimation of residual stress of the 2nd kind of different metal coatings. The mathematical dependence and draw appropriate conclusions.
Crankshaft, welding-up, residual stresses of the 2nd kind
Предельные износы 85% деталей не превышают 0,3 мм, причем многие из них имеют остаточные ресурсы 60% и более и только 20% деталей автомобилей и тракторов, поступающих в ремонт, подлежат окончательной выбраковке. Остальные можно восстановить, причем себестоимость восстановления составит 15...70% от себестоимости изготовления [1].
В связи с этим повышение технологического обеспечения качества восстановления коленчатого вала на основе комплексного изучения базовой операции металлопокрытия, служащей для формирования вторичной заготовки восстанавливаемой детали, и дальнейшей механической обработки явилось актуальной задачей.
На практике чаще всего применяются восстановительные технологии, основанные на элек-тродуговой наплавке под слоем флюса. Технологическая операция нанесения металлопокрытий на поверхности коленчатых валов дизельных двигателей проводилась на станке с наплавочной головкой А-580М и источником питания дуги ВДУ-506.
Объект исследования - коленчатый вал двигателя КамАЗ-740, материал - сталь 42ХМФА ТУ 14-1-129675, имеющий следующий химический состав: углерод - 0,40...0,45%; кремний - 0,27...0,37%; марганец -0,5...0,8%; ванадий - 0,08.0,12%; хром - 1,0__1,8%; молибден - 0,35.0,45%; сера - 0,01.0,035%; фос-
фор - 0,025%; медь - 0,35%; никель - 0,3%; остальное - железо, восстановленный методом наплавки под флюсом АН-348А ГОСТ 9087-81 следующего химического состава: SiO2 - 41.44%; MnO - 34.38%; CaO < 6,5%, MgO - 5 - 7,5%, AI2O2 <4,5%, CaF2 - 4 - 5%, Fe2Os < 2,1%, S < 0,15%, P < 0,12%.
Для нанесения металлопокрытий применяли наплавочные материалы в виде проволок сплошного сечения: Св-08Г2С, Св-08Х20Н9Г7Т, Св-15ГСТЮЦА (ГОСТ 2246-70), Нп-З0ХГСА (ГОСТ 10543-
Покрытия наносили на образцы, которыми служили коренные и шатунные шейки коленчатых валов дизельных двигателей марки КамАЗ-740.
Расчет микронапряжений покрытия, переходной зоны и зоны термического влияния осуществлялся методом гармонического анализа формы дифракционных линий [2]. Для расчета также были использованы дифрактограммы эталонов, микронапряжения в которых сводились к минимуму путем отжига аналогичных образцов при температуре 800оС в течение 1 часа.
Дифрактограммы исследуемых зон образцов с наплавленными металлопокрытиями и их эталонов были получены на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3 с фокусировкой по методу Брэгга-Брентано [3]. Регистрация проводилась при непрерывном вращении образца и счетчика. При съемке использовался селективно-поглощающий №-фильтр. Для снятия внутренних напряжений поверхности шлифа образцы были подвергнуты химическому травлению на глубину 0,1 мм.
Регистрировались распределения интенсивности отражения от кристаллографических плоскостей с интерференционными индексами 110 и 220. Режим съемки: напряжение на аноде - 26 кВ, сила тока - 10 мА. Дифрактограммы записывались на самописце. Скорость движения ленты составляла 0,2-10-3 м/с. Угловая скорость вращения детектора при регистрации линий первого порядка - 1/1 град/мин, при регистрации линий второго порядка - 1/8 град/мин. Промер рентгенограмм производился масштабной линейкой с погрешностью + 0,5 мм.
Известно [4], что характер распределения интенсивности отражения на дифрактограмме обусловлен как физическими факторами, так и условиями съемки, то есть геометрическими факторами. Физическими факторами в данном случае являются внутренние напряжения 2-го рода (микронапряжения) и величина областей когерентного рассеивания (блоков дисперсности).
Для выделения искомого распределения интенсивности, зависящего от физических факторов /(х), из экспериментального распределения к(х) исключалось распределение интенсивности, обусловленное геометрическими факторами g(x). Распределение интенсивности g(x) получали в результате исследования эталона, роль физических факторов в котором незначительна. Для нахождения /(х) следовало разложить в ряды Фурье кривые к(х) и g(x). Пределы интегрирования определялись от точки на оси с двойным углом Вульфа-Брэгга 2
О, соответствующей максимуму интерференционной кривой до точки, где кривые к(х) и g(x) сливались с фоном.
При анализе отражений выбор интервала разложения осуществлялся в соответствии со следующим правилом: если интервал разложения для линии первого порядка соответствовал А2Онши, то для линии второго порядка он соответствовал А2ОЬ2к22 , что определялось по формуле:
Д2в„2.2,2 =Д2#М(Ш1 ■ . . (1)
С08 2к 212
Коэффициенты Фурье для каждой из этих интерференционных линий определялись по формулам:
98).
(2)
2 N
L 1 i=-N
akh
2 Л ( 2пк Л
- • > hi • cos---------------i ; (4)
1 i v 2 N +1 , ( )
2 N + 1 ^N \ 2 N + 1 у
2 ^ ( 2nk
akg =---------------- ^ gi ■ cos
1 i= - N
2 N +
i=-N
N
V
2 N +1
(5)
2 ^ . ( 2nk . |
= 2N + 1 ^ £N8i ’Sin I 2N + 1 ’i J ’ (7)
где aoh, ..bkg - коэффициенты Фурье соответствующих кривых; N - половина числа отрезков разбиения; hi, gi - ординаты соответствующих кривых, вычисленные по формулам:
h =-^г— -100’ (8)
1 I/i /
i max
gi=-T--100’ (9)
g
о i max
где hi/ , gi/ - ординаты соответствующих кривых на дифрактограммах; hi/max, gi/max - максимальное значение соответствующих ординат; k - номер гармоники разложения; i - номер точки на оси 20.
Коэффициенты кривой истинного уширения fx) связаны с коэффициентами Фурье кривых h(x) и g(x) зависимостями:
a0f = • ——2—. 2 " ; (Ю)
akf = ТЛ I 2 ~ ; (11)
bf =——"2 Т " . (12)
kk 2N +1 a 2 + bkg К 1
Количество гармоник брали не более 6.7. Затем выполнялись вычисления по формуле:
Pk = у/akf + bkf , (13)
Для дальнейших расчетов полученные значения необходимо было нормировать на один, то есть выполнялись преобразования по формулам:
a = 1; (14)
aoh 1 ;
1 0 + Cg 0 0 ^3 •K
2 N +1 alg + К
1 a h a g + b h
2 N +1 a g ^ + b g ^
= 1 bkh ' akg akh -bkg
akh =
af
JkL (15)
aof ;
Ьа =т-. <16)
о/
Номер коэффициента Фурье п связан с расстоянием в кристаллической решетке 1п следующим выражением
2 Ч_±_
) h 2 k 212
’’ = !Щ---------------------------------dhU'"■ (17)
где О - угол Вульфа-Брэгга, соответствующий дифракционной линии; ёш - межплоскостное расстояние, определяемое по формуле:
2
(18)
й ш =
2 8Ш в
где X - длина волны излучения, определяемая, в свою очередь, по формуле
22а1 + 2
X =
а 2
3
(19)
где Ха1 - длина волны аI - составляющей рентгеновского спектра; Ха2 - длина волны а2 - составляющей рентгеновского спектра.
Существует зависимость [2]:
Кл -а:
бл мн (20)
где Ак л - коэффициент, зависящий от размера областей когерентного рассеивания; Акмн - коэффициент, зависящий от величины микроискажений решетки.
Коэффициент Акбл не зависит от величины (Н2+К2+Ь2), где Н, К, Ь - индексы Миллера отражающей плоскости. Поэтому, если получить значения 1н(Рк) для нескольких линий дифрактограмм, то можно найти 1п(АКбл) и Іп( Акмн) , построив график в координатах (1п(Рк), (Н2+К2+Ь2)) для разных к. Величину 1п (Акбл) находили по отрезку, отсекаемому на оси ординат. Затем определяли 1п (Акмн):
(21)
Іп (АГ) = 1п(Рк) - 1п(Акбл)
Величину среднеквадратической деформации АІп определяли по формуле
АI
й
ны
■лРїпЛ
мн
к
л/2 • п
Относительные микродеформации еп определяли по уравнению
АI
. (22)
£п =
І
. (23)
Размер областей когерентного рассеивания Вокр определяли в соответствии с зависимостью:
Я™. =
І1
окр
I бл
Лб ’
(24)
Алгоритм расчета был реализован в виде программы, составленной на языке ВА8ІС применительно к персональному компьютеру [5].
Расчет периодов кристаллических решеток исследуемых образцов осуществлялся по формуле
Х •" у[н
а =
2 + К2 + Ь2
(25)
2$т в
где а - период кристаллической решетки; 2 - длина волны рентгеновского излучения, вычисляемая по формуле (19); в - угол скольжения рентгеновских лучей; Н, К, L - индексы Миллера
Остаточные напряжения второго рода - это внутренние напряжения, возникающие в кристаллитах металла [2]. Распределение остаточных напряжений второго рода представлены на рис. 1-4.
-Зона наплавленного металла Зона сплавления
Рис. 1. Распределение остаточных напряжений второго рода в образцах, наплавленных 08Г2С
1
Расстояние, х102 нм
• Зона наплавленного металла ' Зона термического влияния
■ Зона сплавления
Рис. 2. Распределение остаточных напряжений второго рода в образцах, наплавленных Нп-30ХГСА
Расстояние, х102 нм
о -I------------------------------------------------------------------------------------------------
0,1 'Ш ж ой 0,7 О'Й Ш
Расстояние, х102 нм
—♦—Зона наплавленного металла —*—Зона сплавления А Зона термического влияния
Рис. 4. Распределение остаточных напряжений второго рода в образцах, наплавленных проволокой Св-15ГСТЮЦА
Из этого следует: при наплавке Св-08Г2С в зоне сплавления наблюдается высокий градиент изменения относительных микродеформаций, что говорит о наличии дефектов кристаллической структуры металла.
При наплавке Нп-30ХГСА изменение внутренних напряжений 2-го рода носит плавный характер, присущий как зоне наплавке, так и другим характерным зонам металла.
Напряжения в образцах, наплавленных Св-08Х20Н9Г7Т, имеют периодически плавно изменяющийся характер, что свидетельствует о наличиях незначительных дефектов в структуре металла.
При наплавке Св-15ГСТЮЦА ,так же как и в случае с Св-08Г2С, наблюдается высокий градиент изменения напряжений.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что наиболее благоприятными свойствами, с точки зрения сопротивления развитию трещин, обладают металлопокрытия, наплавленные Св-08Х20Н9Г7Т и Нп-30ХГСА.
ЛИТЕРАТУРА
1. Анализ эксплуатационных дефектов коленчатого вала двигателя КамАЗ-740 / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков, Б.Ф. Тугушев, Е.Ю. Горшенина, А.А. Видинеев // Ремонт, восстановление, модернизация. 2010, № 6. С. 30-38.
2. Горелик С.С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ / С.С. Горелик, Л.Н. Расторгуев, Ю.А. Скаков. М.: Металлургия, 1970. 366 с.
3. Русаков А.А. Рентгенография металлов /А.А. Русаков. М.: Атомиздат, 1977. 480 с.
4. Васильев Д.М. Дифракционные методы исследования структур / Д.М. Васильев. М.: Металлургия, 1977. 248 с.
5. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ: справочник / В.П. Дьяконов. М.: Наука, 1989. 240 с.
Денисов Александр Сергеевич -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета
Aleksandr S. Denisov -
Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department «Automobiles and automotive enterprise»
Saratov State Technical University
Тугушев Борис Федорович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета
Горшенина Екатерина Юрьевна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета
Статья
Boris F. Tugushev -
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department «Automobiles and automotive enterprise»
Saratov State Technical University
Ekaterina Yu. Gorshenina -
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department «Automobiles and automotive enterprise»
Saratov State Technical University
в редакцию 13.05.2011, принята к опубликованию 24.06.2011
