CC BY
76
состояния материала и, таким образом, повышения прочности детали или конструкции. Неоднородность структуры может быть снижена, например путем проведения соответ-
ствующей термообработки, а неоднородность напряженного состояния — путем введения конструктивных изменений, снижения концентрации напряжений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Носов, В.В. Микромеханика акустической эмиссии гетерогенных материалов [Текст] / В.В. Носов; Санкт-Петербургский политехнический ун-т // Научно-технические ведомости СПбГПУ. — 2006. — № 3. — С. 20-27.
2. Носов, В.В. Методология оценки прочности и ресурса технических объектов с помощью метода АЭ [Текст] / В.В. Носов; Санкт-Петербургский политехнический ун-т // Труды СПбГПУ. — № 504. — 2007. — С. 119-132.
3. Носов, В.В. Оценка прочности и ресурса сварных конструкций с помощью метода акустической эмиссии [Текст] / В.В. Носов // Дефектоскопия. — 2009. — № 2. — С. 58-66.
4. Регель, В.Р. Кинетическая природа прочности твердых тел [Текст] / В.Р. Регель, А.И. Слуц-кер, Э.Е. Томашевский. — М.: Наука, 1974.
5. Чигарев, А.В. ANSYS для инженеров [Текст]: справ. пособие / А.В. Чигарев, А.С. Кравчук, А.Ф. Смалюк. — М.: Машиностроение-1, 2004. — 512 с.
УДК 621.719.048.4
Н.Б. Кириллов, С.Д. Васильков, В. И. Новиков
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОЛИРОВАНИЯ НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ИЗДЕЛИЙ
ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Состояние поверхности деталей и конструкций во многом определяет их срок службы. Под качеством поверхностного слоя деталей машин принято понимать совокупность характеристик, т. е. не только шероховатость поверхности, но и физико-механические свойства металла [1].
К важнейшим параметрам качества поверхностного слоя изделия относятся микроструктура и технологические остаточные напряжения (ОН). Их изменение на последнем этапе обработки может повлечь изменение сроков эксплуатации изделия. Величина, знак ОН на поверхности и характер распределения эпюры по глубине существенно влияют на усталостную и коррозионно-усталостную прочности как при малоцикловом, так и при многоцикловом нагружении, а также на ударно-циклическую прочность и коррозионную стойкость. При наличии в поверхностном слое остаточно-
го напряжения растяжения происходит интенсивное растрескивание элементов конструкций, работающих в коррозионной среде, даже если отсутствуют внешние нагрузки.
Велика роль ОН в зарождении и развитии трещин, при наличии в зоне дефекта критических ОН растяжения трещины зарождаются и начинают развиваться практически после первых циклов нагружения. Когда же дефекты располагаются в зонах ОН сжатия, началу зарождения трещин предшествует значительный инкубационный период, а дальнейшее развитие трещины тормозится и происходит с меньшей скоростью.
Одним из перспективных методов формирования поверхностей с заданными свойствами считается процесс электролитно-плазменно-го полирования (ЭПП). В отличие от химического и электрохимического полирований технология ЭПП позволяет обрабатывать детали
4
Материаловедение. Обработка металлов
из легированных сталей в среде нетоксичных электролитов [2]. Несмотря на наличие литературных данных по данной теме, отсутствует информация о влиянии ЭПП на уровень остаточных напряжений в поверхностных слоях обработанных изделий.
Классическим методом изучения эпюр признан разрушающий метод на образцах, вырезаемых из исследуемого изделия, подвергнутого различным физико-механическим воздействиям, — по измеренной деформации образцов при удалении напряженных слоев судят о механических напряжениях в них. Одна из новейших технологий, позволяющая проводить стопроцентный неразрушающий контроль ответственных конструкций, — резистивный электроконтактный метод неразрушающего контроля, использующий скин-эффект для определения удельной электрической проводимости (электросопротивление) на нескольких глубинах с дальнейшим пересчетом в остаточные напряжения.
Определение напряжений после ЭПП производилось на аппаратуре СИТОН-ТЕСТ [3]. Измерения проводились на глубинах от 5 до 2500 мкм в зависимости от свойств материала. Аппаратура включает (рис. 1): источник-приемник-интерфейс (ИПИ), специальный датчик и программный комплекс. Метод основан на корреляции между электрическими и механическими характеристиками металлов и сплавов (деформирующая способность остаточных
Рис. 1. Функциональная схема ИВК СИТОН (Ян — сопротивление нагрузки; О — генератор тока; V — вольтметр)
напряжении и удельная электрическая проводимость у металла).
При отсутствии ОН металл имеет номинальное значение периода решетки d0 и соответствующее номинальное значение удельной электрической проводимости у0. Под действием механических напряжений Ао изменяется период решетки металла на величину Ad. В зоне упругих деформаций это изменение можно считать пропорциональным механическому напряжению (изменения электропроводности Ау также пропорциональны механическим напряжениям Ао):
Ау =КаАс,
где Ко — экспериментально определяемый коэффициент, зависящий от характеристик материала.
Таким образом, измеряя электрические свойства проводящих изделий, можно находить механические напряжения в них. При этом необходимо определять распределение электрических параметров и механических напряжений по глубине изделий.
Использование явления скин-эффекта позволяет послойно исследовать проводящее изделие путем приложения к нему электромагнитного поля различной частоты и измерения сигнала-отклика, параметры которого связаны с изменением напряженного состояния изделия. Уменьшение частоты поступающего в изделие переменного тока позволяет увеличивать толщину исследуемого слоя. Выбором полосы рабочих частот можно обеспечить требуемый диапазон исследования по глубине изделия.
Тестовый сигнал — измерительный синусоидальный ток — задается генератором с девятью ступенями сканирования в определенном диапазоне токов с заданными частотами. Сигнал-отклик представляет собой падение напряжения на поверхности объекта. Значение тестового сигнала и сигнала-отклика для всего цикла измерений передаются в компьютер (ПК) по USB-интерфейсу. Протокол обмена между ИПИ и ПК — двунаправленный, он формирует цикл измерений. Специальный алгоритм позволяет по измеренным электрическим величинам определять величину средних напряжений в h-слое с последующим их пересчетом в интеграл напряжений и действительных напряжений [4].
Для исследования были использованы однотипные образцы после фрезерования (рис. 2), обработанные ЭПП на различных режимах.
50
18 I- -
^ \ On
1
to ;
%А
Рис. 2. Исследуемый образец (две проекции)
Результаты исследования представлены на рис. 3. Как можно заметить, в приповерхностной зоне остаточные напряжения носят отрицательный характер, т. е. имеют место напряжения сжатия, однако их уровень в зависимости от параметров обработки уменьшается относительно начального уровня, поскольку
происходит снятие слоя деформированного механически металла. Чем интенсивнее режим обработки, тем больший слой металла снимается и тем значительнее влияние на уровень ОН. Подобный эффект наблюдается и при электрохимическом полировании [5].
Чтобы выявить влияния ЭПП на структуру и оценки качества обработанного поверхностного слоя у образцов из исследуемых материалов, были проведены металлографические исследования в режиме, близком к получению минимальной шероховатости (для низколегированной и высоколегированной сталей), и в режимах, граничных по таким параметрам, как концентрация электролита, время обработки, величина рабочего напряжения (для низколегированной стали). Шлифы для микроструктурного анализа изготавливались системой шлифоподготовки фирмы BUEHLER, исследование структуры производилось на микроскопах Axio Observer (Carl Zeiss).
Микроструктуры поверхностных слоев и исходных материалов представлены на рис. 4—6 (оптимальный режим обработки), рис. 7 (исходная поверхность) и рис. 8, 9 (граничные
—♦— •320 В-0,2 моль/л-3 мин
- - * - ■350 В-0,2 моль/л-3 мин
—▲— ■380 В-0,2 моль/л-3 мин
- - • - ■320 В-0,2 моль/л-5 мин
—■— ■350 В-0,2 моль/л-5 мин
—•— ■380 В-0,2 моль/л-5 мин
—а— ■320 В-0,3 моль/л-5 мин
-350 В-0,3 моль/л-5 мин
-380 В-0,3 моль/л-5 мин
- - - ■320 В-0,3 моль/л-3 мин
—■— ■350 В-0,3 моль/л-3 мин
— -А — 380 В-0,3 моль/л-3 мин
*—не обработанный, обоазец
h, мкм
о, МПа
Рис. 3. Распределение уровня остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя.
Рис. 4. Сталь 30ХГСА, приповерхностная зона Рис. 5. Сталь 30ХГСА, исходная микроструктура
(и = 300 В; х500) (х500)
Рис. 6. Сталь 12Х18Н10Т, приповерхностная зона (и = 300 В; х500)
режимы обработки). Исследованием установлено, что строение структуры поверхностных слоев и исходные структуры идентичны. Различные по своей структуре зоны не выявлены. Приповерхностная зона и исходная низколегированная сталь представляют собой мелкозернистую бейнитную структуру (смеси пересыщенного углеродом феррита и карбида це-
ментитного типа), высоколегированная сталь имеет структуру аустенита с присутствием карбидов внутри аустенитного зерна и небольшим наличием карбонитридов.
Один из широко распространенных видов испытания металла — определение его твердости. По значению твердости металла можно составить представление об уровне его проч-
Рис. 7. Сталь 12Х18Н10Т, исходная микроструктура (х500)
Рис. 8. Приповерхностная зона (и = 360 В; х500)
Рис. 9. Приповерхностная зона (и = 240 В; х100)
ностных свойств [6]. Исследования микротвердости, проводившиеся с помощью микротвердомера MicroMet 5103 (BUEHLER), выявили похожую тенденцию. На рис. 10 представлена зависимость усредненных значений микротвердости от глубины слоя. Как видно, с увеличением глубины поверхностного слоя значение микротвердости не претерпевает существенного изменения, регистрируемые уменьшение или увеличение микротвердости могут быть связаны с погрешностью измерения.
Таким образом, не выявлено существенных изменений величины микротвердости обработанных образцов по сравнению с исходной. Отмечено, что при пропускании через водный раствор электролита электрического тока у одного из электродов происходит интенсивное парообразование. Образующиеся пузыри экранируют электрод, уменьшая площадь со-
прикосновения его с электролитом (при этом повышается плотность тока) вплоть до полного разрыва электрохимического контакта между электролитом и электродом. Прохождение тока через газовый промежуток
300 Т
О Необработанный
образец ■ и = 240 В
□ и = 300 В
□ и = 360 В
50 150 2000
Глубина поверхностного слоя к, мкм
Рис. 10. Диаграмма значений микротвердости при различной величине рабочего напряжения для низколегированной стали
4
Материаловедение. Обработка металлов
происходит в виде электрического разряда с образованием вокруг электрода ионизированного пароплазменного слоя. Характер электрического разряда и результаты воздействия его на электрод существенно зависят от полярности приложенного к нему напряжения. На аноде образуется тонкая светящаяся ионизированная оболочка, устойчиво существующая при определенных условиях. При этом электрод нагревается до определенной температуры, а с его поверхности удаляется слой материала.
Объяснить высокое качество поверхностного слоя при электролитно-плазменном полировании можно тем, что время жизни образовавшегося разряда с температурой плазмы 5000—10000 °С довольно короткое — около 10-6 с. За такое время тепло не успевает распространиться в глубь металла, что подтверждается построенной при помощи пакета «Cosmos Works» имитационной модели [6]
К существенным результатам проведенных исследований можно отнести следующее:
1. Определен характер влияния процесса ЭПП на уровень остаточных напряжений. Выявлено незначительное изменение (примерно 20—40 МПа) напряжений после ЭПП, зависящее от интенсивности снятия механически деформированного поверхностного слоя металла.
2. Показано отсутствие влияния ЭПП на микроструктуру поверхностного слоя обработанных изделий вследствие того, что время жизни образовавшегося разряда с температурой плазмы 5000—10000 °С довольно короткое — около 10-6 с.
3. Незначительное уменьшение (около 30 единиц) уровня микротвердости, вероятно, также связано с недостаточностью времени действия разряда и толщины снимаемого материала.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Васильков, Д.В. Обеспечение стабильности качества поверхностного слоя изделий при механической обработке на основе алгоритмов автоматизированного проектирования [Текст] / Д.В. Васильков, А.Г. Ташевский, А.А. Лыченков // Металлообработка. — 2007. — № 6. — С. 8-11.
2. Веселовский, А.П. Особенности электро-литно-плазменной обработки металлов в нетоксичных электролитах [Текст] / А.П. Веселовский, С.В. Кюбарсэп, Л.А. Ушомирская // Металлообработка. — 2002. — № 6. — С. 29-31.
3. Васильков, Д.В. Определение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из никелевых сплавов после механической обработки [Текст] / Д.В. Васильков, Г.П. Анастаси-ади, Г.П. Юрова // Металлообработка. — 2008. — № 5. — С. 4-9.
4. Патент № 2 327 124 С2 РФ МПК 601Ь 1/20.
Неразрушающий способ определения механических напряжений в поверхностном слое изделий из металлов и сплавов [Текст] / Иванов С.Ю., Васильков Д.В., Гутнер А.Б. [и др.]; заяв. 09.06.06; опубл. 20.06.08. — Бюл. № 17.
5. Федотьев, Н.П. Электрохимическое травление, полирование и оксидирование металлов [Текст] / Н.П. Федотьев, С.Я. Грилихес . — М.; Л.: Машгиз, 1957. — 243 с.
6. Ушомирская, Л.А. Особенности чистовой обработки турбинных лопаток [Текст] / Л.А. Ушомирская, А.И. Фоломкин, В.И. Новиков // Металлообработка. — 2008. — № 4. — С. 19-21.
