CC BY
88
УДК 621.757:62- 752
Родимов Г.А., Батищева. О.М., Лаптев В.А., Гудков А.И.
Самарский государственный технический университет
ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТЕЙ КОНТАКТА ПОД ДЕЙСТВИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
Аннотация. В статье обсуждаются результаты экспериментальных исследований влияния ультразвуковых колебаний на изменение механических характеристик поверхностей контакта.
Ключевые слова: контактное взаимодействие, механические характеристики, ультразвуковые ко-
лебания.
Работами многих ученых установлено влияние ультразвука на механические свойства различных материалов при растяжении, сжатии, изгибе, кручении и других видах нагружения. Анализ результатов исследований показывает, что независимо от состава и исходных механических свойств материалов общей закономерностью ультразвукового воздействия при испытаниях является значительное снижение усилий деформирования, необходимых для получения эквивалентных деформаций [1-4].
На рисунках 1 и 2 приведены полученные авторами экспериментальные диаграммы сжатия сплава Д16 и стали 45 при обычном нагружении и с одновременным воздействием ультразвуковых колебаний с амплитудой, изменяющейся от 4 мкм до значений, соответствующих работе системы в резонансном режиме. Расширение исследуемого диапазона параметров ультразвуковых колебаний позволило установить, что деформация образца с его разрушением наступает при амплитуде £=16 мкм, когда он нагружается в резонансном режиме, причем, деформирование сплава осуществляется при очень незначительной статической нагрузке, а разрушение происходит с образованием трещины по плоскостям с углом наклона, близким к 450. Максимальная степень деформации образцов из стали 45 в резонансном режиме наступает при амплитуде 20 мкм при напряжениях в 4 раза меньших по сравнению с обычным нагружением.
Анализ формы образцов показывает, что при малых значениях амплитуд (£= 4;10 мкм) образцы деформируются и принимают бочкообразную форму. Кривизна образующей, которой меньше, чем при обычном нагружении потому, что ультразвуковые колебания снижают трение между опорными плитами пресса и основаниями образца. Увеличение амплитуды приводит к уменьшению бочкообразности формы, что характерно для деформации материалов под действием значительной динамической нагрузки в условиях значительного снижения сил трения между поверхностями.
Рис. 1. Диаграмма сжатия сплава Д16. 1 - £=0; 2 - £=4 мкм; 3 - £=10 мкм; 4 - £=16 мкм.
Рис. 2. Диаграмма сжатия стали 45. 1 - £=0; 2 - £=4 мкм; 3 - £=10 мкм; 4 - £=20 мкм.
Причем, образцы из сплава Д16 деформируются с более равномерной бочкой, чем стальные, у которых интенсивное течение металла происходит, в основном, в зоне контактных поверхностей. Эти особенности деформирования материалов позволяют сделать вывод, что в диапазоне малых значений амплитуд определяющим фактором снижения сопротивления пластической деформации является воздействие ультразвука на дислокационную структуру металлов, а в диапазоне больших значений амплитуд - ведущую роль играет возрастание динамической импульсной силы, действующей на образец. Разные резонансные характеристики ультразвуковой колебательной системы, определяющие максимальное деформирование при нагружении сплава Д16 и стали 45, позволяют подтвердить вывод, сделанный в работе [3], что не только размеры, но и физико-механические свойства материала определяют эти значения.
Исследованиями на растяжение образцов в ультразвуковом поле установлены предельные значения деформаций, при которых наступает их разрушение, в зависимости от амплитуды ультразвуковых колебаний (рис. 3) и (рис. 4).
Рис. 3. Диаграмма истинных напряжений при растяжении сплава Д16.
1 - >|=0; 2 - %=4 мкм; 3 - %=10 мкм; 4 - %=18 мкм.
Чтобы получить график, более точно характеризующий свойства самого материала, построим диаграмму истинных напряжений. Она показывает связь между напряжениями и деформациями в том сечении образца, где происходит разрыв. Для построения диаграммы истинных напряжений необходимо отмечать в разные моменты эксперимента величину силы, растягивающей образец, и одновременно измерять поперечные размеры образца в наиболее суженном месте. Ордината истинной диаграммы характеризует способность материала сопротивляться пластической деформации.
Рис. 4. Диаграмма истинных напряжений при растяжении стали 45.
1 - %=0; 2 - %=4 мкм; 3 - %=10 мкм; 4 - <|=23 мкм.
Анализ диаграмм, построенных в координатах: истинные напряжения - истинные деформации, показывает, что при растяжении с воздействием ультразвука разрушение образцов из сплава Д16 наступает при амплитуде 4 мкм при деформации у =13,5%, при % =10мкм-у =12,5%. Работа системы в резонансном режиме соответствует амплитуде %=18 мкм, при котором образец разрушается при достижении деформации у=10,5%. Величина напряжений в этом случае в 7,2 раза меньше, чем при обычном на^ужении. Аналогичная картина наблюдается при растяжении, в ультразвуковом поле, стали 45.
Анализ индикаторных диаграмм сила деформирования - относительная деформация позволил оценить влияние ультразвуковых колебаний в диапазоне до 20 мкм, на условные пределы текучести а/ рис. 5 для стали 40Х (закалка + отпуск при 60 00) и рис. 6 для стали 45 (отжиг) . Числовые значения а/ аппроксимируются выражением, структура которых предложена в работе [2]:
„У „С £
ат =ат —
где m - коэффициент, зависящий от материалов образцов и условий нагружения. Для стали 40Х -m =0,8 , стали 45 - m =9,5.
Применение указанной зависимости показало удовлетворительную сходимость с экспериментами для ультразвукового нагружения образцов в диапазоне амплитуд от 5 до 20 мкм. При увеличении амплитуды, а особенно на^ужение при работе системы в резонансном режиме, пропорциональная зависимость между снижением сопротивления пластической деформации и амплитудой ультразвуковых колебаний нарушается, что свидетельствует о сложных физических явлениях, сопровождающих этот процесс.
Рис. 5. Диаграмма растяжения стали 40Х (закалка + отжиг).
1 - %=0; 2 - %=4 мкм; 3 - %=10 мкм; 4 - %=20 мкм.
Рис. 6. Диаграмма растяжения стали 45 (отжиг).
1 - §=0; 2 - §=4 мкм; 3 - §=10 мкм; 4 - §=20 мкм.
Сравнительный анализ результатов путем интегрирования кривых деформаций в координатах истинные напряжения - истинные деформации показывает, что при деформации в ультразвуковом поле в диапазоне амплитуд 4...10 мкм, работа деформации снижается в среднем при нагружении образцов из сплава Д16 в 1,8 ... 3,0 раза, а стали 45 на 25... 52%. Вместе с тем, наряду с отмеченными особенностями деформирования материалов наложение ультразвука сопровождается изменением характера контактного взаимодействия поверхностей сопряжения и их трибологических показателей, поскольку снижением лишь от нельзя объяснить столь значительного снижения тангенциальной составляющей силы Т. Для определения влияния ультразвука на механические характеристики закаленной стали ШХ15СГ (HRC 62...64) были проведены измерения твердости, характеризующей сопротивление пластическим деформациям в условиях сложного напряженного состояния. Опыты по внедрению сферических инденторов проводились с применением шаров диаметром 5 мм из стали ШХ15СГ твердостью HRC 68 ...70. Частота ультразвуковых колебаний, сообщавшихся образцам, / =20 кГц, амплитуда §
=5...20 мкм, статическое усилие составляло P =400 н, что соответствует контактным давлениям, характерным для прессовых соединений. Глубина отпечатков записывалась с помощью профилографа-профилометра. Поверхность образцов полировалась вручную до достижения Ra =0,08...0,1 мкм. Время нагружения изменялось от 10 с до 10 мин.
Рис. 7. Влияние амплитуды ультразвуковых колебаний на твердость сталей:
1 - сталь 45; 2 - сталь ШХ15СГ.
Анализ результатов исследований показал, что отмеченные выше закономерности воздействия ультразвука на механические свойства материалов сохраняются и при испытаниях на твердость. На рис. 7 представлены графики изменения твердости.
Время нагружения составляло 10 с. Из данных графиков следует, что с увеличением § от 5 до 20 мкм твердость стали ШХ15СГ, снижается соответственно в 1,11 и 1,42 раза, стали 45 - в 1,17 и в 1,61 раза соответственно. Полученные данные качественно хорошо согласуются с исследованиями других авторов [2].
ЛИТЕРАТУРА
1. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. М.: Машиностроение. 1980. 237 с.
2. Нерубай М.С. Влияние ультразвуковых колебаний на механические свойства труднообрабатываемых материалов. Металловедение и термическая обработка материалов, 1987. № 4. 10-13 с.
3. Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко А.В. Ультразвук и пластичность. Минск: Наука и техника, 1976. 440 с.
4. Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко А.В. Обработка металлов давлением с ультразвуком. Минск: Наука и техника, 1973. 288 с.
