Исследование остаточных напряжений в раскатанных деталях методом дифракции рентгеновских лучей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»



УДК 539.261

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

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В РАСКАТАННЫХ ДЕТАЛЯХ МЕТОДОМ ДИФРАКЦИИ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ

Целью данной работы было исследование неразрушающим методом дифракции рентгеновских лучей параметров напряженного и структурного состояний поверхностей детали с фланцем, изготовленным раскаткой на образующей части трубчатой заготовки из алюминиевого сплава АК7. Полученные данные необходимы для оценки ресурса работы детали.

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 формообразования фланцев (поперечно-клиновая прокатка [1], выдавливание [2], торцовая раскатка [3] и др.).

Согласно новой технологии [4] деформирование заготовки осуществляют при поступательном перемещении инструмента одновременно с синхронным вращением заготовки и инструмента за счет контактного трения между их поверхностями. Процесс выполняется деформирующим роликом, установленным с возможностью вращения и поворота относительно оси заготовки.

Формообразование фланца выполняют в два этапа. На первом этапе осуществляют ротационную высадку заготовки и формируют на деформируемой части заготовки усеченный конус. При этом деформирующий ролик устанавливают под углом а1 к оси приводной матрицы в диапазоне 15° < а1 < 40°. На втором этапе деформируют образованный на первом этапе усеченный конус заготовки путем принудительного перемещения воздействующего ролика под углом а2 к оси заготовки, причем 40° < а2 < 75°.

Исследовался процесс раскатки деталей из алюминиевого сплава АК7. Химический состав сплава АК7 в процентах составляет: А1 — от 87,4 до 93,86; Fe — до 1,3; Si — от 6 до 8; N1 — до 0,3; Си — до 1,5; Mg — от 0,2 до 0,5; /и — до

0,5; примесей — всего 4,1. Механические характеристики сплава: модуль упругости Е = = 0,7-105 МПа (при температуре Т = 20 °С), коэффициент Пуассона V = 0,345.

Решетка сплава АК7 — гранецентрированная кубическая с размером ребра ячейки а = = 0,4047 ± 0,0001 нм. Данный параметр меньше,

чем у чистого алюминия, что характерно для алюминиевых сплавов, содержащих кремний.

На точность определения методами рентге-ноструктурного анализа величин компонентов напряжений в исследуемых деталях влияют метрологические параметры измерительного оборудования, структура и фазовый состав материала, форма и качество поверхности детали.

В деталях из алюминиевых сплавов, в отличие от других сплавов (никелевые, железо-никелевые, титановые и т. д.), неразрушающим методом дифракции рентгеновских лучей можно исследовать поверхностные слои до глубины порядка 20 мкм, используя рентгеновские трубки с разной длиной волны излучения. Таким путем можно получить информацию о влиянии способа обработки на напряженное состояние поверхностных слоев и структуру материала.

В работе использовался рентгеновский анализатор напряжений XSTRESS 3000 03Я. Данный дифрактометр имеет укороченную дугу гониометра, два полупроводниковых детектора, установленных на гониометре под углом 180 градусов, две оси вращения и проведения небольших осцилляций по направлениям вращения. Такая конструкция дифрактометра позволяет с высокой точностью проводить анализ параметров напряженного и структурного состояний сложных поверхностных слоев с крупнозернистой и текстурированной структурой материала.

Калибровка дифрактометра проводилась с использованием стандартного порошкового образца А1203 (ГСО 8631—2004) с параметрами кристаллической решетки а = 0,47589±0,00004 нм

и с = 1,29919+0,00001 нм (ромбоэдрическая син-гония), а также эталонного порошкового образца из алюминия с параметром решетки а = 0,4049+0,0001 нм (кубическая сингония).

Первоначально выполнялась приближенная калибровка с использованием эталонного образца, которая позволила выбрать угловой диапазон сплава АК7. На следующем этапе проводилась точная калибровка с использованием стандартного образца. Данная калибровка обеспечила определение абсолютных значений межплоскостного расстояния исследуемого материала с точностью, необходимой для проведения трехосного анализа компонентов напряженного состояния поверхностных слоев деталей и параметров структуры материала.

Расчет структурных параметров детали

Точное определение положения дифракционной линии (пик интенсивности) — одна из наиболее важных задач при анализе параметров напряжений методом рентгеновской дифракции. Для определения положения дифракционной линии используют несколько видов расчетных функций, например кросс-корреляцию, функцию Пирсона VII и другие.

Функция Пирсона VII определяется по следующей формуле [5]:

F (X) =

1 + 4

/ X - a, 4

V a2

( -1)

(1)

где а0 — амплитуда интенсивности (интенсивность дифракционной линии при углах наклона V и ф ; ^ — угол между нормалями к поверхности образца и к отражающей плоскости ; Ф — азимутальный угол), а1 — центр дифракционной линии, а2 — ширина дифракционной линии на полувысоте дифракционного макси-

мума, а3 — ширина дифракционной линии на основании пика.

Для расчета параметров дифракционной линии использовали следующие обозначения: FWHM = а2; I = а0; 29 = А — (k а,), где 29 — угол дифракции (угол Вульфа — Брегга); А — верхний предел диапазона углов дифракции 29, установленный во время калибровки; k — коэффициент перевода координаты шкалы линейного пози-ционно-чувствительного детектора на углы 29.

Процедура подгонки рентгеновского спектра с помощью рентгеновского анализатора напряжений XSTRESS 3000 G3R основывается на алгоритме Левенберга — Марквардта (Levenberg— Marquardt) [6, 7].

Экспериментальные и расчетные параметры рентгеносъемки

Анализ остаточных напряжений на поверхностях раскатанной детали с фланцем из сплава AK7 выполнялся для фазы Al при помощи рентгеновского анализатора напряжений XSTRESS 3000 G3R c геометрий рентгеносъемки х -модифицированного гониометра. Углы наклона гониометра составляют х = ±40°, осцилляция

Ах = ±4°.

В табл. 1 охарактеризованы режимы рентгеносъемки для неразрушающего анализа параметров напряжений и структурного состояния детали с фланцем из сплава АК7, которая проводилась с использованием рентгеновских трубок с различной длиной волны излучения.

В таблице обозначено: Z — глубина проникновения рентгеновского излучения; q — угол дифракции; m-линейный коэффициент ослабления излучения; (hkl) — отражающая плоскость; l — длина волны рентгеновского излучения.

Для х-модифицированного дифрактометра [8]

Z =

cos29cosх ц sin 9(cos29-1)

(2)

Таблица 1

Параметры рентгеносъемки раскатанной детали с фланцем из сплава АК7

a

0

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

№ 1 T - Ka 0,274963 Al 220 147,8 76,8 6,2 4,8

№ 2 C - Ka 0,229090 311 139,5 45,8 10,0 7,7

"-И—1 130

1—г-*

135

' I '

1«

2 1 | г" ^'" шш ц Iу м" у

(311)

26

(311)

26

130

135

Рис. 1. Экспериментальные и расчетные рентгенограммы: а, в — режим 1 рентгеносъемки; отражающая плоскость (220); б, г — режим 2 рентгеносъемки; отражающая плоскость (311). Кривая 1 — экспериментальные значения, кривая 2 — расчетная функция Пирсона VII. Графики а, б соответствуют углу расположения детектора ф = 0, а в, г — ф = 180°

2

1

На рис. 1 показаны рентгеновские спектры сплава АК7, полученные с использованием режимов 1 и 2 рентгеносъемки. Верхняя кривая соответствует экспериментальным данным, нижняя — расчетной функции Пирсона VII. На графиках рис. 1 буквой /обозначена величина спектра в относительных единицах. Коэффициент подгонки экспериментальной кривой и расчетной функции составляет 0,991 для 1-го режима рентгеносъемки и 0,999 — для 2-го режима. Вычитание фона основано на параболической функции. Режим 1 рентгеносъемки характеризуется значительным изменением величины интенсивности дифракционной линии в различных направлениях измерения. На дифрактометре XSTRESS 3000 03R детекторы А и В расположены под углом 180°, что позволяет одновременно исследовать два направления — ф = 0° и ф = 180°.

Максимальному значению угла наклона х

соответствует минимальное значение эффективной глубины проникновения рентгеновских лучей — . При оценке глубины проникновения рентгеновских лучей значение параметра шероховатости Ra анализируемой поверхности не должно превышать Ига1и .

Ослабление рентгеновских лучей зависит от длины волны излучения и от характеристик материала. Массовый коэффициент ослабления

рентгеновских лучей для многокомпонентного (легированного) сплава АК7 определяли по формуле [9]

Р = Еаг- *, Р / Р/

(3)

где / — количество компонентов; аг- — весовая

доля /-го компонента; рг- — плотность /-го компонента сплава; Р — плотность сплава.

Измерение параметров напряженного и структурного состояний детали

Расположение точек и направления измерения на поверхностях раскатанной детали с фланцем из сплава АК7, где определялись остаточные напряжения (стф и тф), и структурное состояние

поверхностей детали показаны на рис. 2. Направления измерения обозначены как Хи У Во всех точках направление измерения Х — тангенциальное. В точках 1, ..., 4, расположенных на цилиндрических поверхностях, направление У совпадает с осью детали, а в точках 0, А, Б, В, находящихся на торцевых поверхностях, направление У — радиальное.

Остаточные напряжения вычислялись по следующим формулам [6]:

нормальное напряжение в направлении измерения азимутального угла ф

а)

I

w

в)

Рис. 2. Расположение точек и направления измерения параметров напряженного и структурного состояний раскатанной детали с фланцем из сплава АК7

стф = стп cos2 ф + ст12 sin 2ф + ст22 sin2 ф; (4)

касательное напряжение в направлении измерения азимутального угла ф

где сти, а22, азз,

тф = т13 cosф + т23 sin2ф ,

(5)

42'

г13' т23 — нормальные

и касательные компоненты тензора напряжений.

Анализ напряженного состояния раскатанной детали с фланцем проводили по методике исследования трехосных напряжений согласно требованиям стандарта [8].

Согласно требованиям стандарта при рент-геноструктурном оценивании алюминиевых сплавов характеристики структуры металла должны удовлетворять следующим условиям: 1) ширина дифракционной линии должна быть более 1/3 углового диапазона регистрации спектра; 2) текстура — незначительная; 3) величина зерна материала должна быть не менее величины эффективной глубины проникновения рентгеновских лучей в материал. Выполнение этих требований важно не только для повышения точности оценки напряжений, но и для контроля возможности разрушения материала.

Структурное состояние материала, под которым понимается его текстура, косвенно характеризуют параметры FWHM (ширина пика на полувысоте дифракционного максимума) и Kт (коэффициент текстурированности отражающей плоскости) [10]:

f = Imax K\t =-,

T I

(6)

где /тах , !тщ — максимальная и минимальная

интенсивности дифракционной линии при углах наклона х .

В случае, когда параметр текстурированно-сти KT < 3 , анализ напряжений проводился по

методике, использующей линейную функцию аппроксимации межплоскостного расстояния

кристаллической решетки — d = d(sin х). Если KT > 3 , то необходимо учитывать влияние текстуры [11].

Увеличение значения параметра FWHM служит признаком повышения микротвердости. Применение параметра FWHMдля оценки уровня микротвердости позволяет неразрушающим способом провести приближенную оценку изменения величины микротвердости поверхности после ее обработки. Значение параметра FWHM зависит от режимов рентгеносъемки, свойств и структуры материала.

Для уменьшения влияния текстуры на точность определения угла дифракции применялись режимы рентгеносъемки с осцилляцией по углам наклона гониометра х . Использовались

по семь положительных и отрицательных углов наклона х , а также различные плоскости кристаллической решетки. Это позволило уменьшить максимальную величину параметра KT

для режима 1 рентгеносъемки с 3,9 до 3,2, а для режима 2 — с 3,0 до 2,6 (см. табл. 3).

На рис. 3 показаны графики зависимости

функции d = d(sin2 х) межплоскостного расстояния кристаллической решетки от угла наклона х-модифицированного гониометра на поверхностях детали с раскатанным фланцем из сплава АК7 в точках измерения 0 и В при режиме 1 рентгеносъемки с различными параметрами текстурированности KT . На рис. 4 графики соответствуют режиму 2 рентгеносъемки.

y

x

y

а)

й, нм

ОД 431 0,14308 0,14306 ■ 0,14304

1-]-1-1-I-Е-1-1-1-|-1-1-Га ОД од

б)

й, нм 0,1431 0,14308 ■ 0,14306 ■ 0,14304

0,1

0,2

: . 81и2, х

Рис. 3. Зависимости межплоскостного расстояния кристаллической решетки й от я1и2х

при режиме 1 рентгеносъемки: а) точка измерения — В; направление измерения — Х (Кт = 2,2); б) точка измерения — 0; направление измерения — Х(КТ = 3,1).Кривая 1 ответствует положительному углу наклона (х+) х-модифицированного гониометра; кривая 2 — отрицательному углу наклона (х-)

1

1

2

- ят2, х

Из рис. 3 и 4 следует, что для режима 1 рентгеносъемки с использованием титанового излучения параметр текстурированности больше, чем для режима 2. В процессе рентгеносъемки различным отражающим плоскостям — (220) и (311) — соответствует различная эффективная глубина проникновения рентгеновских лучей — 6,2 и 10,0 мкм. Это связано с тем, что в материале детали отражающая плоскость (311) менее текстурирована, чем отражающая плоскость (220).

В режиме 1 рентгеносъемки на точность определения межплоскостного расстояния

в анализируемом слое детали шероховатость поверхности, степень пластической деформации поверхностного слоя после обработки и текстурированность материала влияют в большей степени, чем при использовании режима 2.

Анализ результатов экспериментов

В табл. 2 представлены результаты определения параметров напряженного состояния поверхностей раскатанной детали с фланцем из сплава АК7 неразрушающим методом дифракции рентгеновских лучей.

а)

й, нм 0,1221 -

0,12203 -

0,12206

0,12204 -

0.12202 -

б)

й, нм

0,1221 0,12208 0,12206 ■ 0,12204 ■

0,1

0,2

0,3

т—1—1—1—1—I—г

0 0,1

я1и2, х

ят2, х

Рис. 4. Зависимости межплоскостного расстояния кристаллической решетки й от ят2х

при режиме 2 рентгеносъемки: а) точка измерения — В; направление измерения — Х(Кт = 1,8); б — точка измерения — 0; направление измерения — Х (Кт = 2,6). Кривая 1 отвечает положительному углу наклона (х+) х-модифицированного гониометра, кривая 2 — отрицательному углу наклона (х-)

1

1

2

Таблица 2

Результаты определения остаточных напряжений на поверхностях раскатанной детали с фланцем

Место измерения Направление измерения В режиме 1 рентгеносъемки В режиме 2 рентгеносъемки

0ф, МПа V МПа 0ф, МПа V МПа

п X -5 2 10 3

0 У -40 1 -60 1

1 X -25 2 -40 1

1 У -70 2 -80 1

о X -20 1 -25 2

2 У -40 2 -35 1

X -5 2 10 7

3 У -20 2 -30 5

л X 5 -3 40 -6

4 У -25 -2 -60 -4

Л X -5 2 -10 3

А У -30 0 -44 2

т; X -5 2 -18 4

Б У -25 -2 -34 -2

Т> X 3 1 -10 1

В У -20 -3 -20 -1

касательные напряжения

а — нормальные напряжения, т

Исследования выполнялись в двух режимах — 1 и 2. При использовании режима 1 глубина анализируемого слоя составляла 6 мкм, а в режиме 2 —10 мкм. Точность определения остаточных напряжений в детали более высокая при использовании режима 2 рентгеносъемки.

Полученное распределение остаточных напряжений в детали показывает наличие анизотропных свойств, характерных для пластической обработки. В случае приложения к детали во время ее эксплуатации значительных внешних нагрузок в тангенциальном направлении это может способствовать более быстрому накоплению повреждаемости материала и образованию трещины вдоль оси детали с распространением их в радиальном направлении. В направлении измерения Х уровень остаточных напряжений сжатия меньше, чем в направлении измерения У.

Наиболее неблагоприятное распределение остаточных напряжений (стф = 5 МПа и стф =

= 40 МПа) в области точки 4, расположенной на поверхности ступицы не подвергавшейся пластической обработке детали, поскольку напряжения растяжения, действующие в тангенциальном направлении, способствуют уменьшению ресурса работы детали в процессе ее эксплуатации. Самое благоприятное напряженное состояние поверхностного слоя при эксплуатации детали — в точках измерения 1 и 2, расположенных в раскатанной ступице детали.

Исследование остаточных напряжений с использованием двух режимов рентгеносъемки показало что обработка поверхности раскаткой улучшает напряженно-деформированное состояние поверхности детали. Это связано с формированием в процессе обработки детали остаточных напряжений сжатия.

Значения параметров структурного состояния материала детали с фланцем, формообра-зованным раскаткой, представлены в табл. 3. Из

Таблица 3

Значения параметров НМ иКт структурного состояния материала детали с раскатанным фланцем при двух режимах рентгеносъемки

Точка Направление В режиме 1 рентгеносъемки В режиме 2 рентгеносъемки

измерения измерения тнм Кт тнм Кт

0 X У 1,91 1,89 3,2 2,4 1,83 1,82 2,6 2,0

1 X У 1,76 1,78 1,6 1,7 1,74 1,74 1.3 1.4

2 X У 1,77 1,77 1,8 2,0 1,72 1,74 1,3 1,3

3 X У 1,82 1,78 3,1 1,7 1,75 1,82 2,4 1,2

4 X У 1,83 1,77 2,8 2,6 1,86 1,82 2,1 1,9

А X У 1,82 1,78 2,1 1,6 1,82 1,71 1,6 1,5

Б X У 1,83 1,77 2,3 1,6 1,75 1,75 1,3 1,1

В X У 1,81 1,86 2,2 1,3 1,78 1,78 1,8 1,5

нее следует, что величина параметра ¥ШНШ на участке в области исследуемой точки детали изменяется незначительно в направлениях измерения Хи У. Однако на разных участках поверхности детали величины параметров FWHM различаются. Наибольшие значения параметра FWHM наблюдаются в точках измерения 0 и В, расположенных на торцевых поверхностях детали.

Наибольшая величина параметра текстури-рованности Кт поверхности детали наблюдается на торце раскатанной ступицы (в точке 0). Параметры текстурированности Кт всех поверхностей детали в тангенциальном направлении измерения остаточных напряжений выше, чем в радиальном направлении. Преимущественная кристаллографическая ориентация формируется вследствие объемного формообразования раскаткой фланца и ступицы детали.

Полученные в исследовании распределения и величины остаточных напряжений в характер-

ных точках поверхностей раскатанной детали с фланцем, значительно удаленным от торца, позволили оценить неразрушающим способом влияние пластической обработки на формирование напряженного состояния и структуры поверхностных слоев детали.

Определение неразрушающим методом дифракции рентгеновских лучей параметров напряженного и структурного состояний поверхностных слоев раскатанных деталей с фланцами, значительно удаленными от торца, из сплава АК7 показало, что объемное формообразование способом раскатки создает в поверхностных слоях детали толщиной 6 мкм остаточные напряжения сжатия и это обеспечивает повышение ресурса работы детали.

Структурное состояние деформированного материала, оцениваемое по показателям тексту-рированности, является удовлетворительной характеристикой для прогнозирования долговечности детали.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент RU 2179904 C2. Устройство поперечно-клиновой прокатки изделий переменного сечения [Текст] / В.Г. Артабьевский, В.Н. Митяшин, С.С. Портной // Опубл. в Б.И.— 2002. № 12.

2. Adams, B. New forming method of complex hollow shafts made from tubes simulation supported process design and processing results [Текст] / B. Adams // В сб.: Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов.— СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2007.— С. 324—329.

3. Ковка и штамповка: справочник в 4-х томах. Т. 3: Холодная объемная штамповка. Штамповка металлических порошков [Текст] / [Е. Г. Белков [и др.]; под ред. А.М. Дмитриева // М.: Машиностроение, 2010.— 348 с.

4. Кононов, П.В. Формообразование фланцев деформированием образующей части трубчатых заготовок [Текст] / П.В. Кононов, В.Н. Востров // В сб.: Материалы 2-й Международной научно практической конференции.— СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2012.— C. 391-397.

5. Fitzpatrick, M.E. Determination of residual stresses by X-Ray diffraction [Текст] / M.E. Fitzpatrick, A.T. Fry, P. Holdway // Measurement Good Practice Guide.— 2005. № 52.— P. 1-68.

6. Яблокова, Н.А. Анализ напряженно-деформированного состояния лопаток ГТД методом рентге-ноструктурного анализа и механическим методом [Текст] / Н.А. Яблокова // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер.: Наука и образование— 2011. №1(117).— C. 117- 122.

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

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

9. XPA 09—285. Методы испытаний для анализа остаточных напряжений дифракцией рентгеновских лучей [Текст] // AFNOR (французская ассоциация по стандартизации).— 1999.— 108 р.

10. SAE J784. Residual Stress Measurement by X-Ray Diffraction [Текст].— Second edition.— Chapter 7.3.— 2003.— 61 p.

11. Тейлор, А. Рентгеновская металлография [Текст] / А.Тейлор // М: Металлургия, 1965.— 664 с.