CC BY
34
разрешающую способность дефектоскопического оборудования представлены в таблице.
Таким образом, в сравнении с существую_<1 _<5
щими нормами (/д = 3-10 "м,^=3-10 ~ м) неза-
висимо от месторасположения дефектов полученные результаты являются более жесткими для приповерхностной зоны и менее жесткими для осевой зоны вала.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Захаров, В.Н. Современное состояние производства уникальных поковок [Текст] / В.Н. Захаров, П.В. Склюев // Энергомашиностроение,— 1983. № 3,- С. 40-44.
2. Зубарев, Ю.М. Моделирование и решение некоторых прикладных задач механики разрушения с использованием метода фотоупругости |Текст| / Ю.М Зубарев [и др.|.— СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009,— 288 с.
3. Александров, А.Я. Поляризационно-опти-ческие методы механики твердого деформируемого тела |Текст| / А.Я. Александров, М.Х. Ахметзя-нов,- М.: Наука, 1973,- 576 с.
4. А.с. № 1293538 СССР, МКИ4 G 01 N3/00. Способ создания литой модели с трещинами / Ю.А. Бойченко, О.С. Минченков, Н.А. Костенко [и др.].— Опубл. 28.02.87. Бюл. №8.
5. Pearson, G. Stress intensity factors for cracks in pressure vessel nozzles |Текст] / G. Pearson, C. Ruiz // Int. Journ. Of Fract.- 1977. Vol. 13,- P. 319-339.
6. Долгополов, В.В. Определение коэффициентов интенсивности напряжений методом фотоупругости [Текст] / В.В. Долгополов, С.Е. Шилов // Проблемы прочности,— 1975. N° 2,— С. 108, 109.
7. MP 108.7—86. Методические рекомендации. Оборудование энергетическое. Расчеты и испытания на прочность. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений |Текст] / ЦНИИТМАШ,— М„ 1986,- 28 с.
8. Бойченко, Ю.А. Вязкость разрушения и оценка эксплуатационной надежности сталей и сплавов для деталей электрических машин |Текст] / Ю.А. Бойченко, А.В. Соснин,- Л.: ЛДНТП, 1979.— 23 с.
9. Орестов, A.M. Развитие экспериментальных методов механики разрушения с целью оценки трещиностойкости роторных валов [Текст]: авто-реф. дисс. ... канд. техн. наук / A.M. Орестов,— М„ 1984,- 24 с.
УДК621.735.79
М.М. Радкевич, Д.Ю. Фомин
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
ПОЛУГОРЯЧЕЙ ШТАМПОВКИ
Задача улучшения прочностных и эксплуатационных характеристик изделий определяют необходимость разработки прогрессивных или совершенствования существующих технологических процессов изготовления деталей машин. Применение комбинированных методов, состоящих из двух условно самостоятельных циклов воздействия на металл — механического (деформация) и термического (термообработка), позволяет решать данную задачу. При всех видах деформационно-термических обработок эффект упрочнения достигается именно за счет деформационно-термического воздействия на металл. Благодаря возникающим при пластической де-
формации несовершенствам кристаллического строения образуются новые структурные (суб-микроструктурные) состояния, которые в конечном счете определяют более высокие механические свойства.
К подобным технологическим процессам изготовления изделий можно отнести известные виды деформационно-термической обработки, в частности программную механико-термическую обработку и полугорячую штамповку поковок.
Целесообразность внедрения того или иного технологического процесса при изготовлении изделий в производственных условиях предпо-
лагает проведение предварительных всесторонних исследований. Большое значение при этом приобретает физическое моделирование технологического процесса в лабораторных условиях с целью изучения влияния деформационно-термических параметров на формирование структуры и механических свойств различных сталей.
Имеется достаточное количество унифицированного лабораторного оборудования для реализации подобных экспериментов. Лидер в производстве такого оборудования — компания Dynamic System Inc.(США).
В связи с недостаточностью сведений о влиянии режимов полугорячей штамповки поковок на механизм формирования структуры и комплекс механических свойства возникла необходимость проведения моделирования данного технологического процесса.
Цель нашего эксперимента заключалась в установлении влияния деформационных и термических параметров и определении оптимальных режимов полугорячей штамповки (температура нагрева — Гн, температура деформирования — Гд, степень деформации — г, время последеформационной паузы — тп, скорость деформирования — 0Д, температура отпуска — Т0) при изготовлении поковок из сталей 40Х, 20X13,08Х18Н10Т. Моделирование осуществлялось на базе модуля «растяжение—сжатие» пла-стомера Gleeble-3800[1] лаборатории исследования и моделирования структуры и свойств металлических материалов факультета технологии и исследования материалов Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.
Для проведения эксперимента в лабораторных условиях были изготовлены образцы специальной формы (рис. 1). Наличие в образцах отверстий позволяло обеспечить равномерное распределение температуры и деформации.
Проведение эксперимента проводилось в соответствии с выбранной температурно-времен-ной схемой [2]: аустенизация при Гн = 1200 °С, последующее охлаждение до температуры деформации Гд = 950—1100 °С, деформация сжатием со скоростью 5 с-1 и степенью деформации £ — 30 % и последеформационная пауза тп = 20— 40 с, охлаждение в масло или воду и заключительный отпуск при Т0 = 520 °С.
Для стали 40Х был назначен следующий режим: нагрев до Гн = 1200 °С, аустенизация; свободное охлаждение до Гд = 950 °С со скоростью 30 °С/с; деформация по достижении Гд = 950 °С (в = 30 %, скорость деформации 5 с-1); последеформационная пауза 30 с — свободное охлаждение до Т= 860 °С; закалка (охлаждение в масле со скоростью 100 °С/с); отпуск при Т= 520 °С, охлаждение в масле.
Для стали 20X13: нагрев до Гн = 1200 °С, аустенизация; свободное охлаждение до Т= 1000 °С со скоростью 15—20 °С/с; деформация по достижении Т = 1000 °С (s = 30 %, скорость деформации 5 с" ); последеформационная пауза 30 с при Т= 1000 °С; закалка: охлаждение в масле со скоростью 100—120 °С/с; отпускпри Т= 450 °С, свободное охлаждение на воздухе.
Для стали 08Х18Н10Т: нагрев до Гн= 1200 °С, аустенизация; свободное охлаждение до Гд = = 1100 °С со скоростью 10 °С/с; деформация по достижении Гд = 1100 °С (с = 30 %, скорость деформации 5 с-1); последеформационная пауза 40 с — свободное охлаждение со скоростью 7—8 °С/с до Т= 850 °С; охлаждение в масле, со скоростью 100 °С/с.
Нагрев образцов производился электрическим током. При этом температура и скорости охлаждения контролировались термопарами, приваренными в двух точках рабочей части образца (рис. 2), одна из термопар была управляющей. Заданная температура в процессе проведения эксперимента выдерживалась с точностью ±1°С. Охлаждение
Рис. 1. Опытные образцы
а)
Температура, °С
б)
Температура, °С
600 400 200 о
800 1000 1200 1400 Время, с
200 400 600
1000 1200 1400 Время, С
в)
Температура, °С
1000800600
о 100 200 300 400 Время, с
Рис. 2. Температурно-временная диаграмма процесса полугорячей штамповки а — сталь 40Х, режим 1; б— сталь 20X13, режим 2; в — сталь 08Х18Н10Т, режим 2
производилось за счет теплоотвода водоохлаждае-мых медных захватов, в которых закреплялся опытный образец. Усилия деформации, а также продольная и поперечная деформации записывались с помощью соответствующих тензодатчиков.
На рис. 3 представлены графики режимов процесса полугорячей штамповки исследуемых сталей 40Х, 20X13 и 08Х18Н10Т, реализованного в лабораторных условиях. Графики получены с помощью датчиков, установленных на испытательном модуле. Анализ графиков показал, что фактические режимы штамповки практически полностью совпали с назначенными по параметрам (температуры, скорости нагрева и охлаждения, степень деформации).
После проведения экспериментов из образцов, подвергнутых обработке, были изготовлены шлифы для металлографического анализа.
Металлографические исследования позволили установить, что в результате физического
моделирования процесса полугорячеи штамповки структура стали 40Х (рис. 3, а) состоит из измельченного феррита, перлита и небольшого количества равномерно распределенного мартенсита, в то время как при обработке металла по заводскому режиму горячей штамповки [2] структура стали представляет смесь феррита и перлита с укрупненными областями свободного феррита.
Микроструктурные исследования лабораторных образцов из стали 20X13 (рис. 3, б) показали, что в структуре образуется в основном мартенсит с незначительным количеством свободного феррита, в то время как при горячей штамповке по заводскому режиму в структуре стали образуются мартенсит, феррит и карбиды [2].
Структура образцов из стали 08Х18Н10Т (рис. 3, в) состоит из мелкозернистого равномерно распределенного аустенита.
Рис. 3. Структура образцов после эксперимента а - сталь 40Х; б- сталь 20X13; е - сталь 08Х18Н10Т
Механические свойства образцов
Сталь Твердость <7в, МПа вол, МПа б, % кси, кДж/м2
40Х ззняс 1178 950 9 46?2 800
20X13 46 НЯС 1283 1082 13,1 46,4 630
08Х18Н10Т 144 НВ 610 290 63 82 2200
Анализ прочностных и пластических характеристик показал их улучшение по сравнению со стандартной обработкой, применяемой на заводах: для стали 40Х повышаются твердость на 39 %, предел прочности на 13 %, предел текучести на 8 %, ударная вязкость на 38 %
для стали 20X13 повышаются твердость на 39 %, предел прочности на 44 %, предел текучести выше на 50 %, но ударная вязкость понижается на 25 %;
для стали 08Х18Н10Т повышаются твердость на 5 %, предел прочности на 3 %, предел
текучести на 2 %, а ударная вязкость понижается на 25 %.
Таким образом, проведенное физическое моделирование предложенного технологического процесса полугорячей штамповки показало, что назначенные режимы обработки исследуемых сталей, реализованные в лабораторных условиях, являются оптимальными. Использование данных режимов в заводских условиях для изготовления поковок из сталей 40Х, 20X13 и 08Х18Н10Т обеспечит комплекс высоких механических свойств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Колбасников, Н.Г. Лаборатория «Исследование и моделирование структуры и свойств металлических материалов» |Текст| / Н.Г. Колбасников,- СПб.: Изд-во СПбГПУ,- 2009.
2. Радкевич, М.М. Технология упрочняющей деформационно-термической обработки [Текст] / М.М. Радкевич,— Саратов: Изд-во «ЛОДИ», 2003.
УДК 623.946.001.4:534.647
А.П. Ушаков
ИНФОРМАТИВНОСТЬ ЛАЗЕРНОЙ ВИБРОДИАГНОСТИКИ МАШИН И КОНСТРУКЦИЙ
Безопасность и надежность эксплуатации машин и конструкций, особенно используемых в энергетических системах, авиации, на железнодорожном, морском и автомобильном транспортах, в значительной степени зависит от совершенствования средств технической диагностики и неразрушающего контроля.
Из всего комплекса этих средств наиболее информативной можно считать вибродиагностику: в виброакустическом сигнале содержится большой объем информации, позволяющей с использованием статистических и спектральных методов выявлять разнообразные дефекты, в том числе на ранних стадиях их развития.
Известно, что информативность традиционной контактной вибродиагностики ограничивается верхней частотой измеряемого сигнала, которая существенно снижается из-за установочного резонанса вибродатчика и наличия волнового резонанса пьезоэлемента вибропреобразователя.
Кроме того, в случае повышенной температуры поверхности объекта контроля снижается ресурс работы вибропреобразователя и искажаются результаты измерений.
К тому же, при вибродиагностике машин и механизмов, у которых применяются корпуса из легких немагнитных сплавов, невозможно использовать магнит для крепления датчиков в районе диагностируемых узлов.
Применение бесконтактной лазерной вибродиагностики в процессе отработки и эксплуатации машин и механизмов существенно расши-
ряет области использования методов диагностирования в силу следующих преимуществ:
возможности дистанционного бесконтактного измерения вибрации объекта контроля в любой точке в пределах зоны прямой видимости луча лазера;
широкого диапазона частот (от долей Гц до 50 кГц и более) и высокой точности измеряемой вибрации, в том числе конструкций с повышенной температурой корпуса.
Принцип действия лазерного бесконтактного виброметра основан на измерении сдвига частоты лазерного излучения, направленного на поверхность объекта контроля (ОК). Этот сдвиг пропорционален колебательной скорости объекта (эффект Доплера). В работе [1] подробно описан принцип работы лазерного виброметра.
Основные параметры отечественного лазерного виброметра, используемого автором при экспериментальных исследованиях, следующие: частотный диапазон — от 0 до 50 кГц; диапазон измеряемых виброскоростей — до 400 мм/с;
динамический диапазон — не менее 80 дБ; расстояние до объекта — Ь — от 0,5 до 5 м (примечание: расстояние определяется мощностью лазера).
Например, лазерный виброметр РЭУ-100 фирмы «РоШек» позволяет измерять вибрацию на расстоянии до объекта контроля от 0,2 до 30 м.
Лазерный виброметр предназначен для измерения продольной (клучу лазера) проекции виброскорости поверхности исследуемого объекта
