CC BY
51
УДК 62-1/-9
ПОВЫШЕНИЕ КОНСТРУКТИВНОЙ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПУТЁМ ИХ ОБРАБОТКИ НЕСТАЦИОНАРНЫМИ ГАЗОВЫМИ ПОТОКАМИ БЕЗ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАГРЕВА
Д.А.Иванов1
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7
Аннотация - Осуществлялась обработка металлических материалов нестационарными газовыми потоками при отсутствии нагрева. Установлено положительное влияние подобной обработки на их конструктивную прочность.
Ключевые слова: Детали автомобилей; металлические материалы; газовый поток; конструктивная прочность.
INCREASE OF CONSTRUCTIVE DURABILITY OF METAL MATERIALS BY THEIR PROCESSING BY NON-STATIONARY GAS STREAMS WITHOUT PRELIMINARY
HEATING
D.A.I vanov
St.-Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, streetKavalergardsky, 7 Summary - Processing of metal materials by non-stationary gas streams was carried out at absence of heating. Positive influence of similar processing on their constructive durability is established. Keywords: details of automobiles; metal materials; a gas stream, constructive durability.
В конструкции автомобилей и других бытовых машин широко применяются стальные детали, а также детали из других металлических конструкционных материалов. Для успешного решения практических задач сервиса необходимы наиболее полные сведения о свойствах металлических материалов после того или иного вида механической или термической обработки. Лишь в этом случае может быть обеспечена эксплуатация изделия после ремонта в течение заданного времени.
Известно положительное влияние на конструктивную прочность металлических материалов и изделий воздействия нестационарными газовыми потоками, в том числе при сочетании подобного воздействия с термической и другими видами обработки [1].
Вместе с тем остаются не полностью выясненными оптимальные амплитудно-частотные характеристики воздействующего на металлические изделия и заготовки газового потока, продолжительность воздействия а также положение изделия в потоке, обеспечивающее наилучший результат, в том числе с учётом направления эксплуатационной нагрузки.
Недостаточно изучено влияние газовых течений на свойства металлических материалов, не подвергаемых упрочняющей термической обработке и материалов, обдуваемых нестационарными газовыми потоками без предварительного нагрева.
Цель исследования - создание экономичных и экологически чистых способов повышения конструктивной прочности машиностроительных сталей и цветных сплавов различных марок.
Для достижения данной цели поставлены следующие задачи:
-установить амплитудно-частотные характеристики нестационарных газовых потоков, оказывающие наибольшее положительное влияние на структуру и свойства металлических материалов и изделий.
-определить зависимость механических и эксплуатационных свойств изделия от его положения в газовом потоке.
-изучить потенциал снижения продолжительности упрочняющей термической обработки сталей и сплавов за счёт использования нестационарных газовых потоков, её упрощения и удешевления а также замены воздействием газовых течений.
-исследовать влияние нестационарных газовых потоков на напряженно-деформированное состояние металлических изделий и возможность управления им.
Исследования осуществляются с использованием двух типов устройств: Первое устройство представляет собой газоструйный генератор колебаний параметров существенно дозвукового потока с числом Маха менее 0,1 построенный по схеме «струя-резонатор», обладающий кольцевым соплом, рассекателем кольцевой струи в виде цилиндрического ножа и резонатором тороидально-
цилиндрической формы. Подача воздуха в генератор осуществляется при помощи воздуходувки, а варьирование амплитудно-частотных характеристик за счёт использования сменных наружных частей и центральных тел кольцевого сопла различных диаметров а также путём продольного перемещения рассекателя.
Второе устройство - газоструйного генератора типа свистка Гавро с цилиндрическим осесимметричным резонатором. Подача воздуха в него осуществляется по магистрали из ресивера, а варьирование амплитудно-частотных характеристик - за счёт изменения давления на входе и применения различных насадков.
В результате воздействия импульсов газового потока на металлический материал, в последнем возникают возмущения, способные оказать влияние на его микроструктуру. В основе газоимпульсной обработки лежат принципы непосредственного воздействия механических волн на тонкое кристаллическое строение, в том числе на концентрацию и конфигурацию распределения точечных дефектов, дислокационную структуру и блочное строение зерна.
Эффект использования газоимпульсной обработки может быть основан на том, что изменение тонкого кристаллического строения металла при распространении в нём механической волны сопровождается изменением его физикохимических свойств без изменения формы и размеров изделия. В основе схемы воздействия газовых импульсов на металлический материал лежат положения о влиянии циклического нагружения на дислокационную структуру металлов и сплавов.
Разработанными к настоящему времени теориями показано, что основная доля поглощения энергии колеба-
тельного движения связана с преимущественной способностью дислокаций воспринимать энергию, подводимую извне. Это вызывает в структуре металлов и сплавов протекание необратимых процессов. В структуре металла, содержащего дислокации, всегда имеются области, представляющие собой барьеры на пути движения дислокаций. В данных областях подвижность дислокаций существенно ниже, в сравнении с решеткой идеального кристалла. В качестве таких барьеров могут выступать другие дислокации, примесные атомы, частицы избыточной карбидной или нитридной фазы, дефекты упаковки, а также другие дефекты кристаллического строения.
Механические колебания, поглощаясь преимущественно дислокациями, могут вызывать развитие дислокационной перестройки структуры металла, результатом которой будет изменение механических свойств.
При упрочнении металлических материалов и изделий с использованием газовых потоков необходимо ориентировать обрабатываемое изделие относительно воздействующего потока с учетом направления будущих рабочих нагрузок [2].
Представляет особый интерес влияние обработки нестационарными газовыми потоками на конструктивную прочность металлических материалов, как подвергаемых, так и не подвергаемых упрочняющей термической обработке без предварительного нагрева.
Нагрев повышает подвижность дислокаций в металлических материалах и делает их структуру более восприимчивой к воздействию пульсаций газовой среды, но в силу быстрого охлаждения даже в существенно дозвуковом потоке обработка газовыми импульсами нагретого изделия крайне непродолжительна, что уменьшает её эффективность и затрудняет установление связи между временем обдува и изменениями механических свойств.
На первом газоструйном генераторе были проведены исследования влияния пульсирующего газового потока, имеющего скорость 30 м/^ частоту 560 Гц и звуковое давление 100 дБ на свойства алюминиевого сплава АМг2 в отожженном состоянии после воздействия пульсирующего газового потока в течение 30 минут без нагрева. В результате был получен рост как показателей
прочности, так и показателей пластичности.
Далее при помощи образцов из стали 40 исследовалась зависимость механических свойств от продолжительности обдува без нагрева для данных амплитудно-частотных характеристик. Результаты исследований показали, что положительное влияние пульсирующего газового потока на конструктивную прочность начинает ощутимо проявляться спустя 5 минут после начала обдува и достигает своего максимума через 30-35 минут. Так для стали 40 в состоянии поставки после 5 минут обработки пульсирующим газовым потоком ударная вязкость составила 0,77 МДж/м , а после 35 минут - 0,79 МДж/м2. Для стали 40 в нормализованном состоянии после 5 минут газоимпульсной обработки ударная вязкость составила 0,98 МДж/м2, а после 35 минут - 1,4 МДж/м2. В целом предварительно осуществлённая нормализация способствует достижению более высоких сравнительных значений показателей механических свойств в результате газоимпульсной обработки без нагрева чем у нетермообработанных образцов.
Влияние пульсирующего газового потока тех же частот на механические свойства стали 40Х исследовалось как в состоянии поставки, так и после закалки и отпуска при температуре 200° C в течение 30 минут, после нормализации, после закалки и отпуска 580° C 30 минут. Обдув во всех случаях осуществлялся в ненагретом состоянии в течение 35 минут.
Результаты исследований (Табл. 14) показали существенное положительное влияние газоимпульсной обработки на конструктивную прочность данной стали и возможность сокращения продолжительности отпуска с 1,5-2 часов до получаса без снижения надёжности изделий.
На втором газоструйном генераторе были проведены исследования влияния пульсирующего газового потока, имеющего скорость 26 м/^ частоту 2100 Гц и звуковое давление 140 дБ на ударную вязкость стали 40 в состоянии поставки и стали 40Х после закалки и отпуска при температуре 200° C в течение 30 минут. Газоимпульсная обработка и в том и в другом случае осуществлялась в ненагретом состоянии в течение 10 минут. В результате был получен рост значений показателей ударной вязкости до 25%.
Для пластин из холоднокатаной латуни Л68 размером 145*26*1 мм при-
менялся обдув пульсирующим воздушным потоком без нагрева в течение 10 мин. при тех же амплитудно-частотных характеристиках.
Пластина располагалась вдоль газового потока. Повышение механических свойств в сравнении с необработанной (контрольной) пластиной: ов 462 МПа против 414; сгп 267 МПа против 239 при
8 23,8% против 22,1. Таким образом установлено, что газоимпульсная обработка при данных амплитудно-частотных характеристиках обеспечивает повышение механических свойств тонколистового проката из сплавов на основе меди, не подвергаемых термоупрочнению.
Современные бытовые машины и приборы часто содержат металлические конструктивные элементы, в том числе тонкостенные, изготовленные с применением холодного пластического деформирования и сварки.
На поверхности металлических изделий, получаемых холодным пластическим деформированием или сваркой, часто образуются растягивающие остаточные напряжения, снижающие их надёжность и долговечность. Данные напряжения полностью не устраняются даже в случае применения отжига, кроме того нагрев при отжиге приводит к снижению показателей прочности и твёрдости (износостойкости) а также укрупнению зёрен, не обеспечивая при этом на поверхности желательных сжимающих остаточных напряжений.
Также в процессе ремонта металлические изделия могут подвергаться сильному нагреву, например, газовыми горелками, при охлаждении после которого создаются условия для возникновения термических и структурных остаточных напряжений.
Поэтому актуальной является задача по осуществлению эффективного управления напряжениями в изделиях малой толщины с высокими требованиями к качеству поверхности, для которых ограниченно применимы методы поверхностной пластической деформации без вышеприведённых негативных последствий.
Остаточными напряжениями принято называть такие напряжения, которые существуют и уравновешиваются внутри твёрдого тела после установления причин, вызвавших их появление. Остаточные напряжения всегда являются внутренними, поскольку они самоурав-
новешиваются внутри твёрдого тела или жесткого агрегата.
Образование остаточных напряжений всегда связано с неоднородными пластическими деформациями в смежных объёмах материала или агрегата, вызванными внешним деформирующим воздействием, градиентом температур по сечению изделия при быстром охлаждении или неоднородностью и неравномерностью фазовых превращений, связанных с изменениями объёма, таких, как аусте-нитно-мартенситное у сталей.
Остаточные напряжения классифицируют по протяженности силового поля. Напряжения уравновешивающиеся в пределах областей, размеры которых одного порядка с размерами тела называются напряжениями I рода. Они вызваны неоднородностью силового или температурного поля внутри тела (в зависимости от своей природы) и характеризуются при их обнаружении по способу разрезки - деформацией (короблением) отрезанных элементов. Задача механических методов определения остаточных напряжений состоит в том, чтобы по известной совокупности значений перемещений или деформации определить вызвавшие их напряжения на поверхности среза.
Было проведено исследование влияния газоимпульсной обработки без осуществления предварительного нагрева на остаточные напряжения в тонкостенных трубных изделиях из титановых а -сплавов, не подвергаемых упрочняющей термической обработке. Остаточные напряжения исследовались с помощью трубы из титанового сплава ВТ5, обладающей наружным диаметром 26 мм при толщине стенки 0,5 мм.
Исследования проводились на установке, представляющей собой газоструйный генератор типа свистка Гавро с цилиндрическим осесимметричным резонатором.
Воздействие пульсирующего газового потока, имеющего скорость 26 м/^ частоту 2100 Гц и звуковое давление 140 дБ осуществлялось в течение 10 минут.
На поверхности трубы до обработки пульсирующим газовым потоком присутствовали растягивающие тангенциальные остаточные напряжения величиной 76 МПа, а после десятиминутного обдува без нагрева напряжения на поверхности стали сжимающими, при этом их величина составила 38 МПа.
Малая толщина трубы из ВТ5 позволяет получать хорошие результаты даже при частотах, вдвое выше 1000 Гц (эффект для такого тонкого сечения не будет поверхностным, а как минимум -объёмно-поверхностным).
Следует отметить, что устранение растягивающих напряжений на поверхности столь тонкостенного изделия другими методами, например, поверхностной пластической деформацией, затруднены из-за возможного искажения его формы.
Сварные (шовные) трубы, конструкции и изделия на их основе, в том числе кольцевые, широко применяются в самых различных областях. Однако пластические свойства основного металла и металла шва различны и в таких изделиях зачастую наблюдаются неблагоприятные остаточные напряжения, в особенности если заготовка подвергалась холодному пластическому деформированию.
Обыкновенно неблагоприятные растягивающие напряжения на поверхности кольцевого изделия имеют наибольшее значение напротив сварного шва и для их уменьшения как правило применяться дробеструйная обработка, ухудшающая состояние поверхности изделия.
Целью исследования было уменьшение растягивающих напряжений на поверхности кольцевых сварных изделий за счёт воздействия низкочастотного дозвукового пульсирующего газового потока без предварительного нагрева.
Кольцевые образцы были вырезаны из шовной трубы и имели наружный диаметр 41,5 мм, толщину стенки 2,5 мм, высоту 15 мм. Область сварного шва образцов была подвергнута воздействию пульсирующего дозвукового газового потока частотой 1130 Гц и звуковым давлением 122 дБ, оказывающего комплексное воздействие на изделие. Продолжительность газоимпульсной обработки составила 15 минут. В результате присутствовавшие на поверхности образца напротив шва тангенциальные растягивающие напряжения, имевшие величину + 156 МПа поменялись на сжимающие величиной - 39 МПа.
Исследования остаточных
напряжений проводились в соответствии с методом Давиденкова [3], применённым к кольцевым образцам. В кольцевых образцах значения
тангенциальных остаточных напряжений уменьшаются от поверхности к центру и
после прохождения нейтрального слоя меняют свой знак на противоположный. При распределении остаточных напряжений по толщине кольца, близком к линейному, в слое, удалённом от поверхности на расстояние а Е8
С7^(а)=± 2(1_;/)^ (А/ 2 а\(*)
где Е - модуль Юнга; у - коэффициент Пуассона; Бср - средний диаметр кольца Френча до разрезки; И - толщина кольца напротив разреза; 5 - изменение
диаметра кольца после разрезки.
За толщину кольца принималась толщина тонкой части, в которой определялась величина остаточных напряжений. По тонкой части кольца определялся и диаметр.
Верхний знак в формуле (*) используется при снятии наружных слоёв, нижний - внутренних.
На поверхности кольца
В последней формуле знак «+» соответствует наружной поверхности кольца, а «-» - внутренней.
Экспериментальные данные по исследованию уровня тангенциальных
остаточных напряжений на поверхности кольцевых изделий до и после обработки пульсирующим дозвуковым воздушным потоком представлены в таблице 5. Растягивающие напряжения обозначены знаком «+», а сжимающие - знаком «-».
При тех же амплитудно-частотных характеристиках обдувался в течение 10 минут кольцевой образец из бесшовной холоднокатаной трубы наружным диаметром 12,1 мм и толщиной стенки 1,3 мм. Высота вырезанного кольца составляла 15 мм. Тангенциальные растягивающие напряжения на поверхности кольца
без использования газоимпульсной обработки составляли +253,97 МПа.
В результате обдува. в течение 10 минут остаточные напряжения на поверхности стали сжимающими, величиной -126,98 МПа (табл 5).
Как видно из приведённых результатов, газоимпульсная обработка оказывает влияние не только на величину, но и на знак остаточных напряжений, при этом сама величина напряжений уменьшается.
Исследование влияния продолжительности газоимпульсной обработки на напряженное состояние кольцевых изделий показало, что растягивающие напряжения на поверхности существенно снижаются после 5 минут воздействия пульсирующего дозвукового потока с вышеприведёнными амплитудно-частотными характеристиками, а после 10 минут воздействия меняются на сжимающие. При этом существует оптимальная продолжительность обдува, зависящая от материала и геометрических параметров образца, а также от амплитудно-частотных характеристик самого потока.
По результатам исследований можно сделать вывод о том, что воздействие пульсаций воздушного потока без применения нагрева позволяет снизить уровень напряжений в металлических кольцевых изделиях и уменьшить деформации. Показана возможность управления остаточными напряжениями с целью создания заданного напряженного состояния в конструкции.
Таким образом установлена высокая эффективность обработки широкого спектра металлических материалов и изделий нестационарными газовыми потоками при отсутствии нагрева с целью повышения их конструктивной прочности.
Таблица 1 - Свойства стали 40Х в состоянии поставки после обдува без нагрева в течение 35 минут (по умолчанию направление обдува совпадает с направлением статического и динамического нагружения)
Обработка МПа °0,2^ Мпа кси, Дж/см“ 3,% ИКС
Без обдува 935 546 50 22,3 20
Обдув без нагрева в течение 35 мин. 1006 799 60 16Д 20
Таблица 2 - Свойства стали 40Х после закалки с температуры 860° C и отпуска при 200° С в течение 30 мин с последующим обдувом без нагрева в течение 35 мин
Обработка U0,2 s МПа кси, Дж/см^ HRC
Без обдува 1072 15 50-52
Обдув без нагрева в течение 35 мин. 1436 20 50-52
Таблица 3 - Свойства стали 40Х после нормализации и последующего обдува в установке без нагрева в течение 35 мин
Направление обдува МПа а0,2 -МПа кси, МДж/м2 <5,% HRC
Без обдува 1304 960 0.775 8.6 24-26
Направление обдува совпадает с направлением статического и динамического нагружения 1254 910 1,125 10,84 24-26
Направление обдува перпендикулярно направлению статического и динамического нагружения 1350 990 0,575 7,6 24-26
Таблица 4 - Свойства стали 40Х после закалки с температуры 860° C и отпуска при 580° С в течение 30 мин с последующим обдувом без нагрева в течение 35 мин
Направление обдува МПа °Ь,2 -МПа кси, МДж/мі S.% HRC
Без обдува 1127 1016 1 13,55 31-33
Обдув без нагрева в течение 35 мин. 1173 1087 1.2 15,34 31-33
Таблица 5 - Значения тангенциальных остаточных напряжений в поверхностных слоях металлических кольцевых изделий до и после газоимпульсной обработки
Материал Диаметр изделия мм Толщина стенки мм Длительность обработки мин Напряжения до обработки МПа Напряжения после обработки МПа
Сталь 15 41,5 2,5 15 -156 -39
Сталь 12Х18Н10Т 12,1 1,3 10 -254 -125
Титановый сплав ВТ5 26 0,5 10 -76 -38
1. Иванов Д.А. Засухин О.Н. Газоимпульсная обработка машиностроительных материалов без предварительного нагрева // Двигателестроение. - СПб., 2010, №2, с. 20-22.
2. Иванов Д.А., Васильева А.В. Струйные технологии в машиностроении. Монография. - СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2010. - 147 с.
3. 103. Биргер И.А. Остаточные напряжения. - М.: Машгиз, 1963. - 240 с.
1 Иванов Денис Анатольевич - кандидат технических наук., доцент, моб:+ 1 9817640822, тел.
+7 (812) 680-08-61 , e-mail: [email protected]
