CC BY
9УДК 620.179
Р.М. Трибунская, С.А. Жуков
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: rayamt@mail.ru
КОНЦЕПЦИЯ ФРАКТАЛОВ В ОЦЕНКЕ МЕХАНИЗМА УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА МЕТОДАМИ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ
Объектом исследования является микроструктура деталей из серого чугуна, подвергнутых различным методам поверхностного пластического деформирования; выбор оптимальных технологических параметров поверхностного пластического деформирования для повышения надежности.
Ключевые слова: фракталы, упругие и пластические деформации, цементит, матрица, концентраторы напряжений, остаточные напряжения, параметризация.
R.M. Tribunskaya, S.A. Zhukov
Kamchatka state technical University,
Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: rayamt@mail.ru
THE CONCEPT OF FRACTALS IN THE EVALUATION OF THE MECHANISM OF STRENGTHENING OF GRAY CAST IRON PARTS BY SURFACE PLASTIC
DEFORMATION METHODS
The object of the study is the microstructure of gray cast iron parts subjected to various methods of surface plastic deformation; selection of optimal technological parameters for surface plastic deformation to improve reliability is discussed.
Key words: fractals, elastic and plastic deformations, cementite, matrix, stress concentrators, residual stresses, parameterization.
Объектом исследования является микроструктура деталей из серого чугуна, подвергнутых различным методам поверхностного пластического деформирования; выбор и оценка критериев микроструктуры с применением концепции фракталов.
Цель исследования - анализ процессов самоорганизации диссипативных структур, образующихся при обработке ППД, с применением методов количественного анализа и цифровой мультифрактальной параметризации, основу которой составляет оригинальная теоретико-информационная интерпретация мультифрактального формализма.
Этот метод состоит из двух этапов: 1) получение изображения исследуемых структур и дальнейшая их сегментация; 2) расчет мультифрактальных параметров структур, сопоставление полученных результатов с механическими и другими физико-химическими свойствами материалов.
Результаты исследований и анализ литературных источников позволяют представить механизм поверхностного упрочнения следующим образом. В процессе деформации большую роль играют искажения (дефекты) кристаллической решетки. Под действием напряжений от внешних сил в искажениях кристаллической решетки возникает пластическая деформация. В сером чугуне при малых напряжениях главную роль играют деформации матрицы, особенно упругие. При больших же напряжениях эту роль начинают играть деформации полостей графита, главным образом остаточные [1].
Это связано с тем, что при пластической деформации происходит раздробление кристаллов на фрагменты и блоки с большими искажениями кристаллической решетки на их границах. Границы фрагментов и блоков служат препятствием для сдвиговой деформации, и с увеличением
количества фрагментов и блоков соответственно возрастает и число границ, около которых задерживаются дислокации. Увеличение степени разориентировки фрагментов и блоков дополнительно повышает сопротивление границ прохождению через них дислокаций, что также увеличивает сопротивление деформированию [2]. В этом состоит суть структурных изменений при упрочнении поверхностно-пластическим деформированием.
Исследования по различным методам ППД серого чугуна показали, что серые чугуны с пластинчатой формой графита в условиях мягкого нагружения обладают достаточной пластичностью, так как в этих условиях надрезывающее действие графита сказывается относительно слабо. При жестком нагружении свойства СЧ определяются графитом, а при мягком нагружении их определяет металлическая основа.
В результате проведенных исследований [4] по обработке втулок цилиндровых виброраскатыванием установлено, что процесс позволяет исключить из технологического процесса одну из трудоемких операций - хонингование; износостойкость цилиндров, обработанных виброраскатыванием, повышается на 20-30%, износ поршневых колец уменьшается на 5-7%.
Рассматриваемый и предлагаемый метод виброраскатывания СЧ позволяет достичь высоких показателей качества и механических свойств поверхностного слоя, а также повысить ресурс деталей, упрочненных данным методом.
В результате виброраскатывания происходит упрочнение поверхностного слоя за счет остаточных деформаций, которые образуются в чугуне и обязаны своим происхождением как пластическим деформациям матрицы, так и остаточным деформациям полостей графита. Эти деформации особенно резко проявляются на поверхности, где они могут приводить к образованию трещин в случае высоких нагрузок.
Общие деформации чугуна (Ее) могут быть представлены как сумма:
Ев еобр. м + еобр. п. п + еост. м + еост. и,
где вобр. м — обратимые (упругие) деформации матрицы; вобр. п. п — обратимые деформации полостей графита; вост. м - остаточные (пластические) деформации матрицы; вост. п - остаточные деформации полостей графита.
Очевидно, что возникающие упругие деформации матрицы являются основными при малых напряжениях. Большие напряжения формируют остаточные деформации полостей графита. При этом полости графита принимают участие в образовании деформации только в том направлении, где происходит увеличение размеров (продольном при растяжении и поперечном при сжатии). В направлении же уменьшения размеров (поперечном при растяжении и продольном при сжатии) полости графита, сопротивляясь сжатию, не влияют на деформацию, которая определяется в этом случае только матрицей.
Поэтому модули упругости в продольном направлении при растяжении и в поперечном направлении при сжатии понижаются с увеличением напряжений, а в поперечном направлении при растяжении и в продольном при сжатии - остаются постоянными и от величины напряжения не зависят. В этих случаях они выражают в чистом виде только упругие свойства матрицы (Ео). Из этого также следует, что коэффициент Пуассона в условиях растяжения понижается с увеличением напряжений. Экстраполируя его значение до о = 0, можно определить (ц = 0,26), характерное для строго упругого состояния и соответствующее деформации одной только матрицы. В случае сжатия ц = ц0 = 0,26 остается постоянным в пределах обычно действующих напряжений как в идеально упругом материале, в более же напряженной области ц резко увеличивается и достигает значения 0,5 и больше, что свидетельствует об увеличении объема образца в условиях сжатия.
Согласно исследованиям Гиршовича [3], прочностные и пластические свойства чугуна зависят как от характера графита, так и от структуры матрицы, их можно выразить как функции модуля упругости и твердости чугуна:
(Прочность) = КпрЕоаНВЬ;
(Пластичность) = КшЕо сНВd,
где Кпр и Кпл - коэффициенты пропорциональности;
а, Ь, с, й - показатели степени, характеризующие относительную зависимость прочности и пластичности от модуля упругости (графита) и твердости (матрицы) и меняющиеся в зависимости от типа нагружения.
Из приведенных выражений ясно, что прочность возрастает с увеличением модуля упругости и твердости, пластичность же повышается с увеличением модуля упругости, но понижается с увеличением твердости. Все-таки очевидно считать необоснованными зависимость прочности и пластичности от одного какого-либо свойства (Е0 или НВ). Установление зависимости между прочностью и некоторой пластичностью чугуна является основополагающим в процессе ППД:
(Пластичность) = К [(прочность)с \ а / НВbc + ad /а].
Анализ уравнения показывает, что пластичность чугуна в противоположность стали может понижаться или, наоборот, возрастать с увеличением прочности: все зависит от того, за счет чего повышается прочность.
Особенности обработки чеканкой. Нахождение оптимальной области режима ППД чугуна способом чеканки проводили с использованием метода планирования эксперимента. На основании анализа литературных источников и проведения отсеивающего эксперимента по методу насыщенных планов были выбраны три технологических параметра, которые наиболее существенно влияют на усталостную прочность серого чугуна: Еу - удельная энергия удара, V - линейная скорость обрабатываемой поверхности, п - количество проходов (таблица).
Уровни факторов и интервалы их варьирования
Уровни факторов Интервал варьирования
Наименование фактора нижний -1 основной 0 верхний +1
Удельная энергия удара Eу, Дж/мм 1,2 1,5 1,8 0,3
Линейная скорость обрабатываемой поверхности V, м/мин 1,0 2,5 4,0 1,5
Количество проходов п 1 3 5 2
Постоянные параметры процесса:
- профильный радиус ролика, мм 3
- диаметр ролика, мм 60
- частота ударов, Гц 45
Интенсивные режимы обработки вызывают нагрев наиболее деформированного верхнего слоя до 350-7000, такие температуры создают условия для термопластической деформации и других явлений, снижающих эффект упрочнения. Резкий спад остаточных сжимающих напряжений, который происходит за счет термопластической деформации, в некоторых случаях приводит к формированию растягивающих напряжений. В результате высоких давлений и температур могут происходить локальные структурные изменения.
Спад благоприятных остаточных сжимающих напряжений и структурная неоднородность вызывают ухудшение эксплуатационных свойств деталей машин. Стыки структур являются эффективными концентраторами напряжений, в которых, вероятнее всего, происходит зарождение усталостных трещин. Поэтому режимы обработки должны обеспечить образование таких температурных полей, которые не могут оказать существенного влияния на эффект упрочнения.
Как показали электронно-микроскопические исследования, прочность повышается за счет размельчения перлита. В пластинчатом перлите наблюдается сетчатая дислокационная субструктура (рис. 1).
При этом плотность дислокаций в ферритных пластинах выше (примерно в 2-3 раза), чем в цементитных. Деформационный наклеп феррита сопровождается деформированием частиц цементита, что приводит к появлению в них некоторой дислокационной субструктуры. В отдельных случаях деформирование цементитных частиц сопровождается их разрушением (рис. 2, а - г). В этом случае в частицах наблюдаются дислокационные скопления, микродифракционная картина фиксирует появление отражений от нескольких плоскостей обратных решеток карбидной фазы (рис. 2, в, г).
Наряду со скалярной плотностью дислокаций важную роль играют дальнодействующие поля напряжений, которые можно изучать методами дифракционной электронной микроскопии. При этом, как правило, в карбидной фазе поля напряжений носят упругий характер, в феррите -упруго -пластический.
Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение перлитной матрицы СЧ, подвергнутого виброраскатыванию: а - светлопольное изображение; б - темное поле в рефлексе [020] цементита; в - микроэлектронограмма данного участка (стрелками обозначены изгибные экстинкционные контуры, наблюдающиеся в феррите и цементите)
Высокая прочность чугуна при сжатии позволяет наиболее выгодно применять его в таком напряженном состоянии, как указывает Н. Г. Гиршович. Поэтому ППД является перспективным методом повышения надежности и долговечности деталей из СЧ, вопрос остается в подборе режимов виброраскатывания и влияния температур, при которых можно проводить этот процесс.
Таким образом:
- рассмотрено распределение напряжений, образующихся при поверхностно-пластическом деформировании серого чугуна, их влияние на изменение структуры;
- для количественного анализа структур предложена методика цифровой мультифракталь-ной параметризации;
- установлено, что тепловые явления при упрочнении имеют такое же влияние, как и при других видах обработки.
Теплообразование и распределение температурных полей, образующихся в процессе поверхностного пластического деформирования, имеют большое теоретическое и практическое значение. Назначение режимов обработки с учетом теплового эффекта позволит получить требуемое качество поверхности и тем самым повысить эксплуатационные свойства деталей.
1. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. - М.: Машиностроение, 1978. - 150 с.
2. Иванова В.С., Баланкин А.С., Бунин И.Ж. Синергетика и фракталы в материаловедении. -М.: Наука, 1994. - 383 с.
3. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. - М.: Машиностроение, 1966. - 450 с.
4. Асташкевич Б.М. Износостойкость и прочность деталей цилиндропоршневой группы транспортных двигателей // Вестник машиностроения. - 1997. - № 10. - С. 8-11.
0.5 мкм
Рис. 2. Электронно-микроскопное изображение структуры, наблюдающейся
вблизи частиц цементита и в частицах цементита: а - светлопольное изображение; б - темное поле в рефлексе [020] цементита; в - микроэлектронограмма; г - схема ее идентифицирования
Литература
