CC BY
31
УДК 620.18
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНО-УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ С.А.Зайдес1, Н. В. Рудых2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Представлены результаты определения напряженного состояния стальных образцов при упрочнении обкаткой роликом. Проведенные испытания по определению напряженного состояния основаны на анализе металлографических искажений по разработанной программе «Металлография 2.0». Ил. 4. Табл. 4. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: микроструктурный метод; металлографическое изображение; напряженно -деформированное состояние.
DETERMINATION OF THE STRESSED STATE OF THE SURFACE- HARDENED LAYER S.A. Zaides, N.V. Rudykh
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article presents the results of determining the stressed state of steel specimens under tool roller hardening. Carried out tests for determining the stressed state are based on the analysis of metallographic distortions by the developed program "Metallography 2.0." 4 figures. 4 tables. 7 sources.
Key words: microstructural method; metallographic image; stress-strain state.
Методы чистовой обработки (обкатывание роликами и шариками, а также алмазное выглаживание) основаны на способности металлов воспринимать деформации без нарушения целостности поверхностного слоя. Такая отделочная обработка сопровождается упрочнением поверхности, что повышает срок службы изделия и надежность его эксплуатации.
Несмотря на эффективность процесса поверхностного пластического деформирования, он может являться причиной образования поверхностных дефектов в виде шелушения и растрескивания металла в результате перенаклепа. Поэтому информация о напряженном состоянии поверхностного слоя после упрочнения является гарантией обеспечения надежной работы деталей машин и элементов конструкций
[3].
Развитие информационных технологий привело к новым возможностям освоения цифровой компьютерной микроскопии [2,4,7], которая позволяет оценить качество исследуемых объектов на более высоком уровне. В работе были проведены исследования по определению напряженного состояния упрочненного поверхностного слоя образца после обкатывания роликом по анализу металлографического изображения. Оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) поверхностно-упрочненного слоя металлических изделий была проведена по разработанному программному комплексу «Металлография 2.0» [1,5,6], который позволяет автоматизировать проведение
микроструктурных исследований при использовании новейших компьютерных и цифровых технологий, а также намечать пути по контролю надежности и долговечности оборудования в сжатые сроки.
Для испытаний были взяты образцы, изготовленные из легированной стали 30ХГСА, цилиндрической формы, высотой 30 мм и диаметром 35 мм (рис. 1).
Рис. 1. Образцы для обкатывания роликом
Микропрофиль контактирующей поверхности (наружная цилиндрическая поверхность образца) получен обкаткой роликом со сферическим пояском. Профильный радиус ролика 20 мм, диаметр 50 мм. В работе рассмотрено влияние количества проходов при обкатке роликом на напряженное состояние поверхностного слоя. На первом образце обкаткой роликом по цилиндрической поверхности произведен 1
1-
Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405147, е-mail: zsa@istu.irk.ru
Zaides Semen, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Engineering Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, e-mail: zsa@istu.irk.ru
Рудых Нелли Васильевна, кандидат технических наук, доцент кафедры математики, тел.: (3952) 405176, е-mail: 2802591@mail.ru
Rudykh Nelli, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mathematics, tel.: (3952) 405176, e-mail: 2802591@mail.ru
проход, на втором - 3, на третьем - 5, а на четвертом - 7 проходов. Натяг при каждом проходе составлял 0,15 мм.
После обкатки роликом в середине наружной цилиндрической поверхности образца был изготовлен микрошлиф. Травление поверхности микрошлифа производили 6 и 4%-ным раствором азотной кислоты через полировку (2-кратное травление: 6%-ным раствором азотной кислоты + полировка + травление 4%-ным раствором азотной кислоты).
В табл.1 представлены режимы обработки образцов при обкатывании роликом.
Таблица 1
Режимы обработки образцов при обкатывании роликом
После этого на цифровую фотокамеру фиксировали металлографическое изображение структуры поверхностного слоя с увеличением в 100, 200 и 500 крат, но для расчета были взяты металлографические изображения с увеличением в 100 крат (рис. 2), поскольку на них представлено большее количество зерен поверхности образца.
Анализ микроструктурных изображений по программе «Металлография 1.0» показал, что после обкатки роликом в 1, 3 и 5 проходов в микроструктуре образцов произошел сдвиг зерен, после обкатки роликами в 7 проходов в микроструктуре произошло растяжение зерен (рис. 3). Результаты расчета деформаций в программе микроструктурного изображения образца после обкатки роликом представлены в табл. 2.
Напряженное состояние определено по деформированному методом упругих решений [1,5]. В табл. 3 представлены расчетные данные интенсивности напряжений в зависимости от числа проходов при обкатывании роликом.
Диаграмма зависимости интенсивности напряжений от числа проходов при обкатывании роликом, по-
Номер Кол-во Скорость Подача Радиаль-
образца проходов обработки V, Б, ная сила
м/мин мм/об Ру, Н
1 1 12,5 0,12 150
2 3
3 5
4 7
Рис. 2. Микроструктура образца из стали 30ХГСА после обкатки роликом: а - 1 проход; б - 3 прохода;
в - 5 проходов; г - 7 проходов (увеличение Х100)
Таблица 2
Результаты расчетов деформаций образца по микроструктурному изображению при обкатывании ___роликом __
Число прохо- Средняя Дефор- Дефор- Деформа- Характеристика вида
дов обкаткой длина 10 мации мации ции £22=£м деформации у,
роликом зерен = м £
Ро Р
1 83 85 0.934 -1.211 0.277 0.113 (сдвиг)
3 83 87 1.809 -2.31 0.501 0.459 (сдвиг)
5 83 84 2.524 -3.123 0.599 0.259 (сдвиг)
7 83 94 3.614 -3.757 0.143 -0.534 (растяжение)
Таблица 3
Рез ультаты расчетов интенсивности напряжений от деформаций
Число проходов обкаткой роликами Интенсивность деформаций s. Характеристика вида деформации у, Интенсивность напряжений МПа
1 0,635 0,113 (сдвиг) 150,564
3 1,796 0,459 (сдвиг) 218,415
5 2,683 0,259 (сдвиг) 234,093
7 3,778 -0,534 (растяжение) 254,503
Результаты измерений
N Teta РО(недеформ) ИОцефориров) (R0ÎR)**2 K+ACos(2t) -
1 0.00 137.00000 84.00000 2.66001 1.18674
2 1.00 211.00000 201.00000 1.10190 1.18650
3 2.00 167.00000 102.00000 0.84196 1.10600
4 3.00 163.00000 140.00000 1.35556 1.18526
5 4.00 103.00000 1 1 2.00000 2.06947 1.18412
6 5.00 145.00000 106.00000 1.87122 1.10264
7 6.00 143.00000 1 1 6.00000 1.51969 1.18084
В 7.00 133.00000 06.00000 2.39170 1.17872
9 8.00 134.00000 103.00000 1.69253 1.17629
10 9.00 116 00000 1 1 6 00000 1 00000 117353
11 10.00 32.00000 90.00000 1.04494 1.17046
12 11.00 99.00000 71.00000 1.94426 1.16709
13 12.00 130.00000 106.00000 1.50409 1.16340
14 13.00 83.00000 73.00000 1.29274 1.15942
1 «Г 14 on ЯП nnnnn 2 36391 1 15515
Для растяжения -1 <= nue <= -0.46410
Для сдвига -0.4641 0 «= nue «=+0.4641 0
Для сжатия +0.4641 0 <= nue <= +1
Вид деформации - растяжение
Количество лучей в 180 град Число зерен в луче
R0 (усредненное по углу) R (усредненное по углу)
к= 0.916802
а= 0.260940
еа= 1.039802
eb= -0.634058
еп= -0.455743
е1= 1.089802
е2= -0.455743
еЗ= -0.634058
nue= -0.7931 21
ein= 1.094654
Выход
Рис. 3. Результаты расчета деформаций после 7-го прохода обкаткой образца роликом
лученная расчетами по анализу микроструктурного изображения, представлена на рис. 4.
При обработке поверхностного слоя металлического изделия в 3 и 5 проходов обкаткой роликом происходит значительное упрочнение поверхности, небольшой сдвиг микроструктуры, а после 7 проходов обкаткой роликом в микроструктуре поверхностного слоя происходит небольшое растяжение.
- 1079 МПа. Расчеты напряженного состояния упрочненной поверхности показали, что после обкатывания роликом в 1, 3, 5 и 7 проходов данные пределы текучести и прочности для стали 30ХГСА не достигнуты.
В табл.4 представлены результаты расчета коэффициентов запаса интенсивности напряжений по пределам текучести и прочности поверхностного слоя металлического образца после обкатывания роликом по формуле
К = 1 ,
« I s s
где оэксП. - интенсивность напряжений, найденная экспериментально; опред. - предельная интенсивность напряжений для данной стали.
Таблица 4
Результаты расчета коэффициента запаса интенсивности напряжений по пределам текучести и прочности после обкатывания роликом
13 5 7
Число проходов Рис. 4. Диаграмма зависимости интенсивности напряжений (МПа) поверхности, обработанной 1,3,5 и 7 проходами обкаткой роликом
Согласно справочным данным предел текучести для стали 30ХГСА равен 833 МПа, а предел прочности
Число проходов обкаткой роликом Коэффициент запаса по пределу текучести Коэффициент запаса по пределу прочности
1 0,82 0,86
3 0,74 0,80
5 0,72 0,78
7 0,69 0,76
Данные коэффициенты являются достаточно высокими: коэффициенты запаса текучести и прочности после 7 проходов роликом достигают соответственно 0,69 и 0,76. Это свидетельствует о том, что обкатывание роликом даже до 7 проходов по поверхности металлического изделия из стали 30ХГСА не является разрушительной нагрузкой для изделия.
Среднее расхождение коэффициентов запаса интенсивности напряжений по пределам прочности и
текучести, рассчитанных по данным эксперимента и на основе компьютерной микроскопии, составило 5,75%. Это свидетельствует о том, что проведенные исследования по определению напряженного состояния после упрочнения поверхности обкаткой роликом подтверждают достоверность расчетов напряженно-деформированного состояния на основе компьютерной микроскопии.
Библиографический список
1. Зайдес С.А., Рудых Н.В. Разработка программного комплекса для расчета деформированного состояния изделий микроструктурным методом // Упрочняющие технологии и покрытия 2010. № 5. С. 43-45.
2. Методы компьютерной обработки изображений /под ред. В.А.Сойфера. М.: Физматлит, 2001. 784 с.
3. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1978. 368 с.
4. Пантелеев В.Г., Егорова О.В., Клыкова Е.И. Компьютерная микроскопия. М.: Техносфера, 2005. 304 с.
5. Рудых Н.В. Оценка напряженно-деформированного
состояния упрочненного слоя металла при поверхностно-пластическом деформировании // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 12. С. 55-56.
6. Рудых Н.В. Использование микроструктурного изображения для оценки напряженно-деформированного состояния металла // Вестник машиностроения. 2009. № 11. С. 3334.
7. Яковлев А.В. Методы, модели и алгоритмы формирования и анализа изображений в системе контроля качества материалов и продукции машиностроительного предприятия. Муром: Изд-во Муромск. инст-та ВлГУ, 2003. 16 с.
УДК 621.9.048.6:621.794
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ФАКТОРА ПРИ НАНЕСЕНИИ ВИБРАЦИОННЫХ МЕХАНОХИМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
В.В.Иванов1
Донской государственный технический университет, 344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.
Представлены материалы по исследованию влияния температурного фактора вибрационного механохимическо-го твердосмазочного покрытия - дисульфида молибдена (1М^2). Ил. 3. Табл. 1. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: вибрационная механохимия; дисульфид молибдена (MoS2).
STUDIES OF THE TEMPERATURE FACTOR DURING VIBRATION MECHANOCHEMICAL COATING V.V. Ivanov
Don State Technical University, 1 Gagarin sq., Rostov-on-Don, 344010.
The article presents data on the influence of the temperature factor of vibration mechanochemical solid lubricant coating - molybdenum disulfide (M0S2). 3 figures. 1 table. 4 sources.
Key words: vibrational mechanochemistry; molybdenum disulfide (M0S2).
При нанесении покрытия вибрационным способом воздействие частиц рабочей среды на обрабатываемую поверхность осуществляется через тонкодисперсный порошок МоS2, находящийся в зоне контакта. Так как порошок МоS2 при определенной температуре теряет свои антифрикционные свойства, окисляется и переходит в трехокись молибдена (МоО3), необходимо знать мгновенную температуру в зоне контакта и среднюю температуру в рабочей камере.
Мгновенная температура в зоне контакта, вычисленная по формуле М.М. Саверина, находится в пре-
делах 20-150°С. Измерение температуры рабочей среды определялось через равные промежутки времени при работе установки в течение 6 часов (рис. 1 , 2). Из приведенных на рис. 1, 2 графиков видно, что при работе установки без предварительного нагрева среды температура рабочей камеры растет и в течение трех часов достигает максимального значения. Затем температура стабилизируется. Дальнейшая обработка не вызывает изменений температуры. Наибольшее значение температуры (60°С) отмечается при работе с амплитудой 4 мм.
1-
Иванов Владимир Витальевич, кандидат технических наук, доцент, докторант кафедры технологии машиностроения, тел.: (863) 2738360, e-mail: vivanov_dstu@mail.ru
Ivanov Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Competitor for a Doctor's degree of the Department of Tec h-nology of Mechanical Engineering , tel.: (863) 2738360, e-mail: vivanov_dstu@mail.ru
