CC BY
30
УДК 539.26:621.787
Д-р физ.-мат. наук С. В. Лоскутов, С. В. Сейдаметов, д-р техн. наук А. В. Ершов, канд. физ.-мат. наук И. В. Золотаревский
Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье
МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ЭПЮР РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПО ГЛУБИНЕ
ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Предложен экспериментально-расчетный метод построения эпюр распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя металлов и сплавов, основанный на использовании двух и более рентгеновских трубок с различным материалом анода. Проведена апробация предложенного способа на сплавах титана ВТ3-1 после упрочняющей обработки стальными шариками в магнитном поле.
Ключевые слова: рентгеноструктурный анализ, остаточные макронапряжения, поверхностный слой, эпюры, поверхностное пластическое деформирование.
Эксплуатационные свойства деталей машин определяются как величиной остаточных напряжений на поверхности, так и характером их распределения по глубине поверхностного слоя. Существующие методы определения остаточных напряжений делятся на разрушающие и неразру-шающие. К разрушающим методам относятся химический, рентгеновский, Давиденкова-Биргера и др. Разрушающим методом не представляется возможным проводить сплошной контроль деталей, поскольку требуется полное или частичное разрушение исследуемой детали. Поэтому разработка и создание новых неразрушающих методов построения эпюр распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя деталей машин из различных материалов является актуальной задачей.
На пути решения этой задачи представляется перспективным развитие рентгеновских методов исследования. Так, при наличии двух или более лабораторных дифрактометров, используя способность рентгеновского излучения проникать на различную глубину металла в зависимости от материала анода рентгеновской трубки, представляется возможным получить картину распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя металла.
Апробация предложенного метода построения эпюр проводилась на образцах из сплава титана ВТ3-1 в форме плоской одинарной лопатки толщиной 2 мм (рис. 1). Химический состав исследуемого сплава титана приведен в таблице 1.
Упрочняющая обработка, предварительно отожженных образцов, осуществлялась на разработанной сотрудниками кафедры физики ЗНТУ установке для обработки стальными шариками в магнитном поле [1] (рис. 2).
Рис. 1. Экспериментальный образец в форме плоской одинарной лопатки
Между полюсами электромагнита 1, который питается от источника постоянного тока 2, размещаются стальные шарики 3, которые при включении электромагнита образуют квазиупругую среду, свойства которой можно варьировать, изменяя параметры магнитного поля. Обрабатываемая деталь 4 закрепляется в зажиме генератора механических колебаний 5, который питается от источника переменного тока 6. При движении
Таблица 1 — Химический состав титанового сплава ВТ3-1
Содержание легирующих элементов, % (по массе), остальное - Т1
А1 Мо гг Сг Бе О Н N С Др. элементы
5,5 ч 7,0 2,0 ч 3,0 »п о" 0,8 ч 2,0 0,15 ч 0,40 0,2 ч 0,7 0,15 0,015 0,05 о- <3
© С. В. Лоскутов, С. В. Сейдаметов, А. В. Ершов, И. В. Золотаревский, 2012
- 138 -
Рис. 2. Функциональная схема экспериментальной установки для обработки деталей шариками в магнитном поле: 1 — электромагнит; 2, 6 — источник тока; 3 — стальные шарики марки ШХ15; 4 — обрабатываемая деталь;
5 — генератор механических колебаний
детали через рабочую среду стальные шарики обкатываются по поверхности детали, оказывая при этом определенное контактное давление. В результате контактной нагрузки материал поверхностного слоя испытывает многократное пластическое деформирование, вследствие чего происходит формирование остаточных напряжений.
Использовался магнитопровод с квадратным сечением плошадью £ = 35x35 мм2. Индукция магнитного поля в рабочей зоне электромагнита без стальных шариков составляла В = 0,32 Тл. Поступательное колебание обрабатываемых лопаток осуществлялось в среде шариков из стали ШХ15 переменного диаметра (^тах = 2,2 мм). Частота колебаний лопатки составляла V = 50 Гц, амплитуда колебания а = 2,5 мм. Суммарное время обработки составляло 30 минут.
Рентгенодифрактометрические измерения остаточных напряжений до и после обработки выполнялись на дифрактометрах ДРОН-3 и ДРОН-3М с использованием излучений от рентгеновских трубок с медным и кобальтовым анодами соответственно. В качестве линий монохроматического излучения были выбраны Со Кр (1 = 1,62075 Е) и Си Кр (1 = 1,39217 Е). Для определения остаточных макроскопических напряжений применяли метод «20—т2у», где у — угол Вульфа-Брэгга, 0 — угол между нормалями к отражающей плоскости и к поверхности образца. Анализировалась линия (213) а-титана.
Исследовались 2 серии образцов. В таблице 2 приведены усредненные (по 5 образцам каждой серии) значения остаточных напряжений.
Для оценки глубины с проникновения рентгеновского пучка в образец использовали формулу [2, 3]:
с = и
X
8т 0 2т
(1)
где их — коэффициент, зависящий от выбранной величины той части интенсивности рассеянных лучей, которая обеспечивает получение информации от слоя с ; 0 — угол наклона поверхности образца к падающему рентгеновскому лучу; т — линейный коэффициент поглощения рентгеновских лучей.
Для 75% интенсивности рассеянных слоем лучей, величина коэффициента Ц. согласно имеющимся данным в справочной литературе [2, 3] равна 1,39.
Для сплавов со сложным химическим составом линейный коэффициент поглощения т рассчитывают по формуле [2, 3]:
т = Ет ■Pi ■ с , (2)
где т* — массовый коэффициент ослабления излучения химическим элементом состава стали; р 1 — плотность химического элемента; с{ — массовая доля химического элемента в составе сплава титана.
В виду того, что наш исследуемый титановый сплав ВТ3-1 на » 90 масс. % состоит из Т1 (табл. 1), то, используя значения массовых коэффициентов поглощения титана [3]: тт = (т / р)п = 226 см2/г для излучения Со Кр; т т = (т / р)т = 151 см2/г для излучения Си Кр, и зная плотность титана р = 4,5 г/см3, из соотношения т т =т / р находим значение линейного коэффициента поглощения т для разных изучений:
т (Со Кр)= 1017 см-1, т (Си Кр )= 679,5 см-1.
Таблица 2 — Результаты дифрактометрических измерений остаточных макронапряжений в образцах из сплава титана ВТ3-1 до и после упрочняющей обработки стальными шариками в магнитном поле
у, МПа
Серия образцов, Измерения в поперечном Измерения в продольном
режим обработки направлении направлении
вСо вСи вСо вСи
I, после вакуумного отжига Р = (6,3±0,5)-10-5 Па, / = (800±3) °С в течение трех часов 39 21 24 19
I, время обработки 30 минут -515 -481 -778 -695
II, после вакуумного отжига Р = (6,3±0,5)10-5 Па, / = (800±3) °С в течение трех часов 12 -5 -23 17
II, время обработки 30 минут -496 -452 -723 -659
1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2012
- 139 -
Теперь, пользуясь выражением (1), зная табличные значения длин волн для кобальтового и медного излучений [3], легко определить глубину проникновения с. Вычисления проводились для линии (213) а- титана (табл. 3).
Как видно из таблицы 3, наблюдается хорошее согласование теории и эксперимента: для излучения Со Кр, обладающего меньшей проникающей способностью, значения измеренных остаточных макронапряжений оказались большими, чем при использовании Си К р -излучения, и наоборот. Установленные закономерности наблюдаются как для продольного направления измерения, так и для поперечного.
Сравнивая полученные данные для макронапряжений (табл. 2) с результатами работы [4] для лопаток компрессора газотурбинного двигателя (ГТД), легко заметить, что существенную роль в формировании плосконапряженного состояния поверхностного слоя играет форма обрабатываемых образцов, а также размер стальных шариков. Обработка образцов в форме плоской одинарной лопатки в среде шариков переменного диаметра дает наилучшие по-
казатели. Обнаруженные закономерности можно объяснить тем, что мелкие шарики, очевидно, заполняют промежутки между более крупными, увеличивается площадь контактного взаимодействия сопряжения «шарик — поверхность», снижается число микровыступов шероховатости, глубина залегания макронапряжений увеличивается. Кроме того, плоская лопатка, в отличие от лопатки компрессора ГТД, имеющей сложный профиль поверхности, при своем поступательном движении не нарушает однородность среды из стальных шариков, хорошая площадь контактного взаимодействия сохраняется на протяжении всего времени обработки.
Выводы
Предложен экспериментально-расчетный метод построения эпюр распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя металлов и сплавов, основанный на использовании двух и более рентгеновских трубок с различным материалом анода; преимущество предложенного метода заключается в возможности проводить сплошной контроль деталей машин без нарушения формы, структуры и свойств их поверхностной области.
Таблица 3 — Глубина поглощения рентгеновского пучка сплавом титана ВТ3-1
Материал анода Длина волны l Кр , Е mm = 1 Р^ см2/г m, см-1 2 0,град С, мкм
Co 1,62075 226 1017 165 6,8
Cu 1,39217 151 679,5 137 9,5
Список литературы
1. Спошб змщнюючо! обробки деталей машин 4. кульками у магттному пол1 / С. В. Лоскутов,
Г. В. Пухальська, С. В. Сейдаметов. — Патент № 31103, В24В 39/00, С21Б 7/00 ввд 25.03.2008, Бюл. № 6, 2008 р.
2. Миркин Л. И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов. Справочник / Л. И. Миркин. — М. : Машиностроение, 1979. — 132 с.
3. Миркин Л.И. Справочник по рентгенострук-турному анализу поликристаллов / Л. И. Мир-
кин. — М. : Физматгиз, 1961. — 863 с. Лоскутов С. В. Влияние обработки лопаток ГТД стальными шариками в магнитном поле на структуру поверхностного слоя / С. В. Лоскутов, С. В. Сейдаметов, Г. В. Пухальская // Материалы трудов 10-й юбилейной между-нар. научн.-практич. конф. «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки». — Санкт-Петербург. — 2008. — С. 272—279.
Поступила в редакцию 18.03.2011
Лоскутов С.В., Сейдаметов С.В., Сршов А.В., Золотаревський I.B. Методика побудо-ви епюр розподшу залишкових напружень по глибиш поверхневого шару метал1в i сплав1в
Запропоновано експерименталъно-розрахунковий метод побудови епюр розподшу залишкових напружень по глибиш поверхневого шару метал1в i сплавав, заснований на викори-станш двох i быъшерентгешвсъких трубок з рiзним матерiалом анода. Проведена апроба-щя запропонованого способу на сплавах титану ВТ3-1 тсля змщнюючог обробки сталеви-ми кульками в магнтному полi.
Ключов1 слова: рентгеноструктурний аналiз, залишковi макронапруження, поверхневий шар, епюри, поверхневе пластичне деформування
Loskutov S., Seidametov S., Ershov A., Zolotarevsky I. The method for constructing of distribution diagrams of residual stresses on the depth of the surface layer of metals and alloys An experimental-computational method for constructing of distribution diagrams of residual stresses on the depth of the surface layer of metals and alloys based on the use of two or more X-ray tubes with different anode materials was proposed. The approbation of the proposed method was made on the titanium alloys VT3-1 after the hardening treatment of steel balls in a magnetic field
Key words: X-ray analysis, residual macrostresses, surface layer, distribution diagrams, surface plastic deformation.
