Исследование методом дифракции рентгеновских лучей остаточных напряжений в деталях с раскатанным фланцем из сплава Л63 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

УДК 539.261

МЕТ^П^БРАБОТКА

Исследование методом дифракции рентгеновских лучей остаточных напряжений в деталях с раскатанным фланцем из сплава Л63

В. Н. Востров, Н. А. Яблокова, П. В. Кононов

Постановка задачи исследования

Целью данной работы является исследование остаточных напряжений поверхностных слоев детали из сплава Л63 с фланцем, изготовленным раскаткой на образующей части трубчатой заготовки.

Детали с фланцами, значительно удаленными от торца, находят широкое применение в машиностроении. Разработанная технология раскатки фланцев на образующей части трубчатой заготовки расширяет технологические возможности процессов объемного формообра-

Ф2 = °°

Ф1 = -45° ^2 Фз = +45°

% = 0° • % = +45°

Атах

о Пятно облучения

а o а

Рис. 1. Измерение остаточных напряжений поверхностных слоев детали с раскатанным фланцем с помощью дифрактометра ХВТИЕВВ ЗООООЗК с %-модифици-рованным гониометром

зования фланцев: поперечно-клиновой прокаткой, выдавливанием, торцовой раскаткой и др. Согласно новой технологии [1], формообразование фланца выполняют в два этапа. На первом этапе осуществляют ротационную высадку заготовки и формируют на деформируемой части заготовки усеченный конус. На втором этапе деформируют раскаткой усеченный конус и формируют фланец.

Для исследования остаточных напряжений поверхностных слоев детали с раскатанным фланцем из сплава Л63 использовался дифрактометр (рентгеновский анализатор напряжений) Х8ТИЕ88 3ОООО3И (рис. 1) с %-мо-дифицированным гониометром [2].

Дифрактометр имеет укороченную дугу гониометра, два полупроводниковых детектора, установленных на гониометре под углом 18О °С (т. е. исследования ведутся одновременно в двух направлениях: ф = О° и ф = 18О°), две оси вращения с возможностью выполнения незначительных осцилляций в направлениях вращения. Углы наклона гониометра % = ±4О°, осцилляция — % = ±4°. Максимальному значению угла наклона гониометра % соответствует минимальное значение эффективной глубины проникновения рентгеновских лучей 2т1п.

Дифрактометр позволяет с высокой точностью проводить анализ параметров напряженного и структурного состояний материала поверхностных слоев деталей с крупнозернистой и текстурированной структурой.

Калибровка дифрактометра проводилась с использованием стандартного порошкового образца А1203 (ГСО 8631-2ОО4) с параметрами кристаллической решетки а = = О,47589 ± О,ООО4 нм и с = 1,29919 ± О,ОООО1 нм (ромбоэдрическая сингония) и эталонного порошкового образца из меди с параметром решетки а = О,36148 ± О,ООО1 нм (кубическая сингония).

Первоначально выполнялась приближенная калибровка с использованием эталонного образца, которая позволила выбрать угловой диапазон сплава Л63. На следующем этапе

новые материалы и технологии производства

ШШШМБОТКА

проводилась точная калибровка с использованием стандартного образца. Данная калибровка обеспечила определение абсолютных значений межплоскостного расстояния исследуемого материала с необходимой точностью для проведения трехосного анализа компонентов напряженного состояния поверхностных слоев деталей и параметров структуры сплава.

Химический состав сплава Л63 исследуемой детали: Си — 62-65 %, Ее — 0,2 %, РЬ — 0,07 %, 8Ь — 0,005 %, Ы — 0,002 %, Р — 0,01 %, примеси — 0,5 %, Zn — остальное. Параметр размера гранецентрированной кубической решетки сплава Л63 а = 0,3650 ± ± 0,0001 нм. Этот параметр больше, чем у чистой меди, что характерно для твердого раствора цинка в меди.

Механические характеристики сплава Л63: модуль Юнга Е = 1,16 • 105 МПа (при температуре Т = 20 °С), коэффициент Пуассона V = 0,364.

Методика исследования остаточных напряжений

Исследование и анализ остаточных напряжений проводились согласно требованиям стандарта [3].

В соответствии с требованиями стандарта для повышения точности определения напряжений необходимо выполнение условий: 1) ширина дифракционной линии более 1/3 углового диапазона регистрации спектра; 2) текстура — незначительная; 3) размер зерна материала не превышает эффективной глубины проникновения рентгеновских лучей в материал; 4) значение шероховатости Яа анализируемой поверхности не должно превышать минимальное значение эффективной глубины проникновения рентгеновских лучей; 5) незначительный градиент напряжений.

Для определения положения и интенсивности пиков остаточных напряжений, при измерении их методом рентгеновской дифракции дифракционной линии, использовалась функция Пирсона VII.

Функция Пирсона VII определялась по формуле [4]

F (X) =

1 + 4

X - a1

a0_

2

(1)

(21/оз - 1)

где а0 — амплитуда интенсивности (интенсивность дифракционной линии) при углах наклона у и ф; а1 — центр дифракционной линии; а2 — ширина дифракционной линии на полувысоте дифракционного максимума; а3 — ширина дифракционной линии на основании пика; Х — координата в направлении измерения.

В табл. 1 представлены режимы рентгеносъемки, используемые при неразрушаю-щем методе исследования параметров напряжений и структурного состояния детали. В эксперименте применялись рентгеновские трубки с различной длиной волны излучения.

В табл. 1 обозначены: 1 — длина волны излучения; т — линейный коэффициент ослабления рентгеновских лучей в сплаве Л63; Z — эффективная глубина проникновения рентгеновских лучей; 29 — угол дифракции (угол Вульфа-Брегга); у — угол между нормалями к поверхности образца и к отражающей плоскости (НЫ); НЫ1 — индексы Миллера.

Глубину Z проникновения рентгеновских лучей определяли по формуле [5]

Z =

cos(29)cosc msin 9 [cos(29) - 1]

(2)

На рис. 2 обозначены участки детали из сплава Л63, в которых измерялись остаточные напряжения поверхностных слоев.

В качестве примера на рис. 3 показаны рентгеновские спектры детали с раскатанным фланцем из сплава Л63 в области точки 3 в направлении измерения Х, полученные с использованием режимов рентгеносъемки № 3 и № 4.

Параметры рентгеносъемки детали с раскатанным фланцем из сплава Л63

Таблица 1

Режим рентгеносъемки Излучение 1, нм Фаза hkl 29° m, 1/мм Z (при y = 0°), мкм Z (при y = 40°), мкм

№ 1 Си-Ка 0,154184 а-твердый раствор цинка в меди 420 141,2 43 10,7 8,2

№ 2 331 134,1 10,3 7,9

№ 3 Мп-Ка 0,210314 311 145,7 105 4,5 3,5

№ 4 Сг-Ка 0,229100 220 124,9 134 3,1 2,4

МЕШПООБМБОТК|»

Л 1 (311)

.....г.

1 2 29

"г—г 140

145

150

Н-

155

-гт"г-160

165

~Н

140

Тг 145

150

1—г" 155

"^Т 160

165

Для оценки условной текстурированности при анализе остаточных напряжений методом дифракции рентгеновских лучей используется параметр текстурированности:

v _ "шах Kt —

"

(3)

Рис. 2. Участки на детали из сплава Л63, в которых измерялись остаточные напряжения поверхностных слоев:

1, 2 — участок недеформированный (после токарной обработки); 3 — цилиндрическая поверхность раскатанного фланца; 4 — цилиндрическая поверхность раскатанной ступицы

Установлено, что режим рентгеносъемки № 3 является наиболее предпочтительным: наименьшее время экспозиции, низкий уровень фона, оптимальный угол дифракции, оптимальная глубина анализируемого поверхностного слоя при анализе напряжений.

а) 7

300 250 200 150 100 50 0

I

300 250 200 150 100 50 0

где Imax — максимальная интенсивность дифракционной линии при используемых углах наклона гониометра c; Imin — минимальная интенсивность дифракционной линии при углах наклона

В случае, когда параметр текстурированности Кт < 3, межплоскостное расстояние кристаллической решетки рекомендуется определять методом линейной аппроксимации функции d — f (sin2 c) [3].

В процессе рентгеносъемки использование при осцилляции углов наклона гониометра c по семи положительным и отрицательным значеням углов, а также различных отражающих плоскостей hkl позволило уменьшить влияние текстуры на точность определения угла дифракции.

На рис. 4 приведены графики функции межплоскостного расстояния d — f (sin2 c) кри-

б) 7 500

400

300

200

100 0

1 (220)

с——...... 12 2 29

11 ■ 120 .1,1.11111 125 130 ,1,1. 135 , . | . , i , , . 140 145

\ 1 (220) г*"—--

\ 12 2 29

120

125

130

135

140

145

Рис. 3. Экспериментальные 1 и расчетные 2 (функция Пирсона VII) рентгенограммы детали с фланцем из сплава Л63 в области точки 3 в направлении измерения Х: а — режим рентгеносъемки № 3, отражающая плоскость (311); б — режим рентгеносъемки № 4, отражающая плоскость (220). Верхний график соответствует углу расположения детектора ф = 0°, а нижний — ф = 180°; 26 — угол дифракции, или угол Вульфа—Брегга; I — интенсивность дифракционной линии в относительных единицах

I

Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj

d, нм

sin2 c

Рис. 4. Графики функции межплоскостного расстояния d = f (sin2 c) кристаллической решетки в области точки 3 цилиндрической поверхности фланца детали из сплава Л63 в направлении измерения Y с параметром текстурированности Кт = 2,2 при режиме рентгеносъемки № 3:

1 — функция d при положительном угле наклона с+-гонио-метра; 2 — функция d при отрицательном угле наклона с--гонио-метра

сталлической решетки в области точки 3 поверхности раскатанного фланца детали из сплава Л63 в направлении измерения Y с параметром текстурированности Кт = 2,2 при режиме рентгеносъемки № 3 и углах наклона гониометра с+ и с-.

Установлено, что для всех используемых режимов рентгеносъемки параметр текстури-рованности в пластически деформированных поверхностных слоях детали Кт = 2,0 ^ 2,2. Текстура при Кт < 3 не влияет на точность измерения межплоскостного расстояния кристаллической решетки [3].

В поликристаллическом материале атомные плоскости строго параллельны. В этом случае действуют только нормальные напряжения. После пластической деформации в поверхностных слоях материала деталей атомные плоскости становятся непараллельными, что приводит к появлению сдвиговых компонентов напряжений.

Нормальные напряжения вычислялись по формуле [7]

s = JE__1 1 djy . (4)

j 1 + V dj 0 cos2 в sin2 y

Здесь аф — нормальное напряжение в направлении азимутального угла j; y — угол между нормалями к поверхности образца и к отражающей плоскости hkl; в = (p ± 29) / 2, где 29 — угол дифракции; dj0 и djy — меж-

плоскостные расстояния кристаллической решетки соответственно недеформированно-го и деформированного материала для отражающей плоскости hkl фазы Си; Е — модуль Юнга; v — коэффициент Пуассона.

Суммарная составляющая касательных напряжений тф в направлении азимутального угла j равна сдвигу ветвей функции d = f (sin2 c), полученных при углах наклона гониометра

C+ и c- [7].

Результаты эксперимента

Результаты определения остаточных напряжений в поверхностных слоях детали с раскатанным фланцем из сплава Л63 представлены в табл. 2.

Режим рентгеносъемки влияет на остаточные напряжения. Это объясняется наличием в тонких поверхностных слоях раскатанной детали значительных градиентов напряжений. В точках измерения 1, 2 и 4 характер и значения остаточных напряжений приблизительно одинаковы. В точке 3, расположенной на цилиндрической поверхности формообра-зованного фланца, установлена значительная нелинейность функции d = f (sin2 c).

Таблица 2

Значения остаточных напряжений в поверхностных слоях детали с раскатанным фланцем из сплава Л63

Область измерения Направление Режим рентгеносъемки № 3 Режим рентгеносъемки № 4

измерения аф, МПа j, МПа j МПа j, МПа

1 X -212 -15 -150 -12

Y -282 -10 -180 -8

2 X -230 -10 -140 -10

Y -250 -5 -150 -8

3 X -40 -5 -5 -9

Y -90 -40 -80 -17

4 X -150 -10 -70 -2

Y -210 -10 -170 -2

Таблица 3

Распределение параметров напряженного и структурного состояний материала детали с раскатанным фланцем из сплава Л63 по глубине X поверхностных слоев в области точки 3

Режим рентге-носъем-ки Направление измерения Z (при y = 40°), мкм аф, МПа j, МПа Кт

1 Х 10,3 -70 -15 1,1

2 Х 9,2 -85 -20 1,2

3 Х 4,5 -40 -5 1,2

4 Х 3,1 -5 -9 1,2

МЕШПООБМБОТК|»

Глубина поверхностного слоя Z, мкм 2 4 6 8 10

12

-10

-20

-30

а -40

S -50

-60

D -70

-80

-90

100

\ * \

\ \ \ r

\

Л

-1

Рис. 5. Распределение остаточных напряжений оф в поверхностных слоях детали с раскатанным фланцем из сплава Л63 в области точки измерения 3

Анализ остаточных напряжений и параметров текстурированности Кт, представленных в табл. 2, показал, что в поверхностных слоях материала детали с раскатанным фланцем из сплава Л63 действуют остаточные напряжения сжатия, которые оказывают положительное влияние на эксплуатационные свойства детали.

Распределение параметров напряженного и структурного состояний материала детали с раскатанным фланцем из сплава Л63 по глубине Z поверхностных слоев в области точки 3 приведено в табл. 3 и на рис. 5. График рис. 5 построен с использованием различных режимов рентгеносъемки.

Из табл. 3 и рис. 5 следует, что в области точки измерения 3 цилиндрической поверхности раскатанного фланца действуют на глубине Z = 8,2 - 10,3 мкм максимальные остаточные напряжения сжатия и достигают аф = = -85 МПа, тф = -20 МПа. Значения параметра текстурированности в этой области Кт = = 2,0 - 2,2. Причем в направлениях измерения X и У параметр Кт отличается незначительно.

Выводы

Методом дифракции рентгеновских лучей исследованы параметры напряженного и структурного состояний поверхностных слоев деталей с раскатанными фланцами из сплава Л63. Установлено, что раскатка детали создает в пластически деформированных поверхностных слоях на глубине до 8-10 мкм благоприятные для эксплуатации остаточные напряжения сжатия.

Литература

1. Кононов П. В., Востров В. Н. Формообразование фланцев деформированием образующей части трубчатых заготовок // Материалы 2-й Междунар. науч.-практ. конф. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2012. C. 391-397.

2. Яблокова Н. А. Анализ напряженно-деформированного состояния лопаток ГТД методом рентгенострук-турного анализа и механическим методом // Науч.-техн. вед. СПбГПУ. Наука и образование. 2011. № 1 (117). С. 117- 122.

3. XPA 09—285. Методы испытаний для анализа остаточных напряжений дифракцией рентгеновских лучей. AFNOR (французская ассоциация по стандартизации), 1999. 108 р.

4. Fitzpatrick M. E., Fry A. T., Holdway P. Determination of residual stresses by X-Ray diffraction // Measurement Good Practice Guide. 2005. N 52. - P. 1-68.

5. Suominen L., Carr D. Selected methods of evaluating residual stress gradients measured by X-ray diffraction traditional, full tensor, and wavelet // Copyright(c) JCPDS-International Centre for Diffraction. Advances in X-ray Analysis. 2000. Vol. 43. P. 78-82.

6. Качанов Н. Н., Миркин Л. И. Рентгеноструктурный анализ (поликристаллов). М.: Гос. науч.-техн. изд-во. машиностр. лит., 1960. 213 с.

7. Noyan I. C., Cohen J. B. Residual stress Measurement by diffraction and interpretation, Materials research and engineering // Springer-Verlag. 2003. P. 122-126.

0