Об ультразвуковом упрочнении металлических материалов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621

Д-р техн. наук А. Ш. Асатурян, А. А. Мязин, канд. техн. наук Г. В. Пухальская

Национальный технический университет, г. Запорожье

ОБ УЛЬТРАЗВУКОВОМ УПРОЧНЕНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ

Рассмотрены напряжения, возникающие в тонком поверхностном слое деформируемого твердого тела при ультразвуковом упрочнении материала. Показано, что скорость ударяющих частиц в ультразвуковом поле пропорциональна мощности ультразвуковой установки и обратно пропорциональна плотности материала и геометрии (радиуса) ударяющих частиц. Получен закон распределения напряжений в тонком поверхностном слое материала.

Влияние внутренних (остаточных) напряжений на прочность и долговечность деталей машин, работающих при переменных нагрузках, известно. Известен также ряд технологических приемов создания благоприятных остаточных напряжений, которые значительно повышают сопротивляемость деталей усталостным разрушениям и весьма резко снижают чувствительность к нагрузкам.

Данная работа посвящена исследованию напряжений, возникающих в тонком поверхностном слое деформируемого твердого тела при ультразвуковом упрочнении материала.

Процесс ультразвукового упрочнения материала представлен как удар системы абсолютно твердых частиц, исчезающе малой массы и конечной геометрии по поверхности деформированного твердого тела конечной толщины. Анализ литературных данных [1-4] показывает, что остаточные напряжения при ударе зависят от многих факторов, а именно: от испытуемого материала и его геометрии, от плотности ударяющих частиц, от продолжительности опыта, от внешних воздействий и др., которые можно привести в следующей форме:

а, а0, ат, Е, р, р1, 5, £, г, I, и, И, Ит, Н, г.

Перечень обозначений этих факторов приведен в приложении.

Некоторые из этих величин являются функциями, а другие - независимыми переменными или параметрами. Исходными данными упрочняющегося материала являются Е, р, 5, S , ударяющих частиц -Р1, г, I, и . Функциями от этих величин -

а, ао, ат, И, Ит, Н. Зависимость функций от исходных данных можно определить соответствующими уравнениями.

ковой обработки [1], показывают, что можно определить следующие характерные напряжения:

при И = 0 сжимающее напряжение а принимается

равным а о;

при И = Ит сжимающее напряжение а имеет максимальное значение а т;

при И = Н сжимающее напряжение уменьшается до нуля, а = 0 .

При И > Н сжимающие напряжения могут переходить в растягивающие, т. е. может иметь место максимальное растягивающее напряжение. Далее, с ростом И растягивающее напряжение стремится к нулю (рис. 1).

Результаты экспериментальных исследований

Исследование остаточных напряжений в поверхностном слое упрочняющего материала после ультразву-

Рис. 1. Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое материале после УЗУ:

1 - I = 35...40 мА; 2 - I = 55...60 мА

Как видно из представленного рисунка, напряжение в поверхностном слое упрочняющего материала зависит также и от мощности ультразвуковой установки, с ростом которой растет и величина, и глубина залегания остаточных напряжений.

© А. Ш. Асатурян, А. А. Мязин, Г. В. Пухальская, 2009

46

Таким образом, можно записать ст = /(к, IV).

В дальнейшем для обобщения результатов опытов можно перейти к безразмерным величинам:

х--к • V — кт • 9 — СТ • О — СТт

х ~ тт ' лт ~ ТТ ' и _ „ ' т ~ „ •

Н Н Сто Сто

Эти величины взаимозависимы, их можно определить уравнением

е — F(х, 9т ) (1)

Следует заметить, что ультразвуковое упрочнение происходит в двух режимах: при От — 1 ( стт — ст0 ) и

От > 1.

Скорость ударяющих частиц

Рассматривая скорость ударяющих частиц в ульт -развуковом поле, можно утверждать, что она зависит от мощности ультразвуковой установки, плотности материала и геометрии (радиуса) ударяющих частиц, т. е. можно записать

Г1, I, V, р1, г.

Из теории физических размерностей следует, что

V — а • (IV )а -рв- гу.

Тогда можно составить следующее соотношение размерностей

- — а •

т

(

м-

\а

т

3

м

лв

-

• ТУ.

Сравнивая степени слева и справа при одинаковых основаниях, получим систему алгебраических уравнений

м:а + р — 0;

Т : - 3а —-1;

Т :2а-3р + у — 1.

Откуда а —1/3, р —-1/3, у —-2/3. Следовательно

(

V

IV

Л X

р1 •

2

Из этого соотношения следует, что скорость удара ударяющих частиц существенно зависит от мощности ультразвуковой установки, от материала и геометрии ударяющих частиц.

Максимальное остаточное напряжение

Для вычисления остаточных напряжений в упрочняющемся материале и перемещений, вызываемых при

продольном ударе движущихся частиц весьма малой массы по поверхности неподвижного деформируемого тела, прежде всего необходимо установить причинно- следственную связь. Жозев Буссинеск [2] показал, что при превышении некоторого предельного значения скорости удара V в материале ударяемого тела возникнет местная остаточная пластическая деформация, сколь бы ни была мала масса ударяющей частицы. Он же находит эту предельную скорость в виде

V, — ■

т

Е 8

Из аналитического решения задачи продольного удара по стержню [3] и из исследования кривых ульт -развукового упрочнения материала [1] следует то, что остаточные максимально сжимающие напряжения в поверхностном слое упрочняющегося тела при ударе абсолютно твердой частицы можно определить следующими величинами

СТтI, Е, р, 8, Уъ г.

(2)

Так как основными размерными величинами в системе СИ являются кг, м, с, то, применяя теорию подобия к перечню физических величин (2), можно найти лишь одну единственную комбинацию этих величин в виде соотношения:

СТН8)х 11—к,

(3)

где К - постоянный коэффициент, определяемый экспериментально.

£

Исходя из того, что лI р — Ур - скорость распространения упругих волн в твердом теле, получим зависимость максимального напряжения от отношения ско-

V

ростей

1

У„

ст т I г

>3 — V,

— К •

Е Ш V,

(4)

Для определения коэффициента К из имеющихся экспериментальных исследований [1] построим гра-

1

фическую зависимость в координатах по оси ОХ V

стт I Г V 3

по оси ОУ | , представленную на рис. 2,

откуда следует К = 0,94.

1607-6885 Новi мaтерiaли i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2009

47

Следовательно, уравнение (4) можно записать

=0.94^. (5)

0т =

1,

0,94

х < х„

.Е. Ук. 3 5

ст0 ^^

х > х„

А для поверхностного напряжения соответственно (рис. 2, пунктирная линия)

>3

00 .(г]/3 = 8,79-2,01.21

Е Ы Ур

(6)

Из рис. 2 следует, что при превышении критичес-

У1

кого значения отношения скоростей ~ 0,003, зна-

УР

чения ат, а0 различаются, а график разветвляется,

т.е. напряжение а0 определяется из соотношения (6).

Из выше приведенного не трудно определяется зависимость критерия эффективности упрочнения 0т

от безразмерной скорости ударяющих частиц у1:

Закон распределения напряжений

После обработки имеющихся экспериментальных данных, пользуясь методами числового эксперимента, найден закон распределения напряжений в тонком поверхностном слое материала

0 = (1 - х)(1 + N • х) • е

-ф( х)

(7)

где ф(х) - функция, N - параметр.

Представленные на рис. 3 и 4 графики распределения остаточных напряжений в поверхностном слое упрочняющего материала опытные, согласно [1], и расчетные, согласно (7), согласуются удовлетворительно. Как видно из приведенных графиков, явление упрочнения материалов имеет два экстремальных зна-

чения: при

х = х

и при х >1.

Рис. 3. Распределение безразмерных остаточных напряжений в поверхностном слое материале после УЗУ (0т = 1)

Рис. 4. Распределение безразмерных остаточных напряжений в поверхностном слое материале после УЗУ (0т > 1)

Приложение

а - напряжение, возникающее в поверхностном слое упрочняющего тела в кг/м с2,

а0 - напряжение на поверхности тела в кг/м с2, ат - экстремальное напряжение в кг/м с2, Е - модуль Юнга в кг/м с2, р - плотность материала лопатки в кг/м3, Р1 - плотность материала ударяющих частиц в кг/м3, 5 - толщина деформируемого твердого тела, м; £ - поверхность деформируемого твердого тела, м2; г - приведенный радиус частицы, м; Ш - мощность ультразвуковой установки, кг м2/с3 ;

И - глубина залегания остаточных напряжений в поверхностном слое упрочняющегося материала, м;

Ит - глубина залегания максимального сжимающего напряжения, м;

Н - глубина, на которой сжимающее напряжение уменьшается до нуля, м;

г - продолжительность времени процесса упрочнения, с;

У - скорость ударяющей частицы, м/с;

У р - скорость распространения звуковых волн в материале, м/с.

ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2009

49

Перечень ссылок

1. Отделочно-упрочняющая обработка деталей ГТД / [Бо-гуслаев В. А., Яценко В. К., Жеманюк П.Д. и др.]. -Запорожье : ОАО «Мотор Сич», 2005. - 559 с.

2. Тимошенко С. П. Колебания в инженерном деле / Тимошенко С. П. - М., 1959. - 439 с.

3. Гольдсмит В. Теория и физические свойства соударяющихся тел / Гольдсмит В. - М . : Изд-во литературы по строительству, 1985. - 448 с.

4. К. Джонсон. Механика контактного взаимодействия / К. Джонсон - М. : Мир, 1989. - 510 с.

Одержано 10.07.2009

Розглянуmi напруження, яК виникають у тонкому поверхневому шарi деформованого твердого mina при ультразвуковому змiцненнi мamерiaлу. Показано, що швидюсть ударювальних частинок в ультразвуковому полi пропорцшна поmужносmi ультразвукового обладнання й обернено пропорцшна густит мamерiaлу i геометрИ' (рaдiусa) ударювальних частинок. Отримано закон розподшу напружень у тонкому поверхневому шaрi мamерiaлу.

The stresses that appear in thin surface layer of the deformed solid body in ultrasonic hardening of the material are studied. It is shown that the velocity of bombarding particles in ultrasonic field is proportional to the ultrasonic installation capacity and inversely proportional to the material density and bombarding particles geometry (radius). The law of stress distribution in thin surface layer of material is given.

УДК 669.21

Т. Д. Соболевская, В. И. Гишкина, Т. А. Коваленко

ОАО«Мотор Сич», г. Запорожье

ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ТИТАНА ГУБЧАТОГО НА НАЛИЧИЕ ДЕФЕКТОВ В ПОЛУФАБРИКАТАХ И ДЕТАЛЯХ ИЗ ТИТАНОВЫХ

СПЛАВОВ

Исследованы и классифицированы металлургические дефекты титановых полуфабрикатов и деталей, установлена причина их образования, предложены эффективные методы контроля качества материала на всех этапах технологического цикла их изготовления.

1 Введение и цель работы

Рост производства титана объясняется его свойствами: малой плотностью, большой удельной прочностью, высокой коррозионной стойкостью, значительной прочностью при повышенных температурах. На ОАО «Мотор Сич» впервые титановые сплавы были использованы в процессе освоения двигателя самолета ЯК-40 (1965г.). В настоящее время ответственные детали компрессора двигателей самолетов «Мр1я», «Руслан», вертолетов М1-26, М1-26Т изготавливают из титановых сплавов марок ОТ4-1, ВТ5Л, ВТ3-1, ВТ8, ВТ6, ВТ9, ВТ25 и др.

Для авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) важной задачей является повышение ресурса и надежности изделий из титановых сплавов, что обеспечивается, в первую очередь, качеством металла, используемого для изготовления деталей. В связи с повышенными требованиями, предъявляемыми к качеству авиационных деталей, на предприятии «Мотор Сич» были разработаны и внедрены различные методы контроля качества материала.

Известно, что исходным материалом для получения титановых сплавов является губчатый титан, качество которого влияет на формирование слитков, полуфабрикатов и изделий из них. Естественно, что губчатый титан может являться источником дефектов, вносимых в сплав в виде окисленных участков, шлама, отдельных кусочков с высоким содержанием магния, железа, вольфрама, хрома [1].

В поковках, штамповках и других полуфабрикатах, а также в готовых деталях из титановых сплавов встречаются различного вида дефекты, являющиеся концентраторами напряжений, снижающих эксплуатационную надежность. Так, например, причиной катастрофы самолета в г. Иркутске (1977 г.) послужило включение, насыщенное кислородом, повлекшее разрушение диска компрессора из сплава ВТ8.

На ОАО «Мотор Сич» на всех этапах технологического цикла изготовления деталей применяются методы неразрушающего контроля:

- визуальный осмотр;

- капиллярный контроль (цветная дефектоскопия,

© Т. Д. Соболевская, В. И. Гишкина, Т. А. Коваленко, 2009

50