CC BY
8ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ СТРУКТУРЫ РАЗЛИЧНОГО УРОВНЯ НА ЦИКЛИЧЕСКУЮ ТРЕЩИНВСТВЙКВСТЬ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ1
А. И. СМИРНОВ, канд. техн.наук, доцент, НГТУ, г. Новосибирск
Структура любых кристаллических материалов содержит несовершенства кристаллического строения. Данные несовершенства принято называть дефектами кристаллического строения [1]. Дефекты структуры имеют различные размеры и морфологию, и, следова--ельно, по-разному влияют на механические свойства материалов.
Дефекты кристаллического строения по размеру удобно разделять на макро-, мезо- и микродефекты в соответствии с теорией иерархичности структурных уровней [1].
Количество дефектов структуры на микро-, мезо- и макроуровне различно и зависит от исходной обработки. В свою очередь, структура материалов оказывает решающее влияние на констэуктивную прочность материалов при эксплуатации. Таким образом, именно дефекты структуры в конечном итоге определяют уровень механических свойств материалов. В данной работе изучено влияние микро- и мезодефектов структуры технического железа и углеродистых сталей на циклическую трещино-стойкость.
рода в стали. Для создания таких структур использовали углеродистые стали 20, 45, У8 и У10. На рис. 1 представлены кинетические диаграммы усталостного разрушения (КДУР) углеродистых сталей со структурой, насыщенной микродефектами кристаллического строения.
Как следует из анализа полученных зависимостей, по мере увеличения количества микродефектов кристаллического строения циклическая трещиностойкость сталей снижается. Изменение циклической трещиностойкости значительно на втором и, особенно, на третьем участках КДУР: при увеличении количества углерода от 0,2 до 1,0% АК(С (нагрузка долома образца гри циклическом нагру-жении) снижается на 35...45 %, а А К*, соответствующий скорости роста усталостной трещины 10"' м/цикл, - на 30...35 %. В области низких амплитуд нагружения влияние количества микродефектов структуры на положение КДУР не так заметно: при увеличении количества углерода от 0.2 до 1,0 % АК1Ь (пороговое значение нагрузки, при достижении которой стартует циклическая трещина) снижается на 20 %.
Таким образом, углеродистые стали со структурой, насыщенной микродефектами кристаллического строения, обладают пониженной циклической трещиностой-костью как при низких, так и высоких скоростях роста усталостной трещины.
Рис. 1. Влияние количества растворенного в мартенсите уиифида на КДУР: А - 0,2%С; О - 0,45%С; □ - 0,8%С; • - 1,0%С
Структуру углеродистых сталей, насыщенную микродефектами строения, получали при помощи закалки и последующего отпуска при температуре 180 "С. Количество создаваемых при этом микродефектов - растворенных в феррите атомов углерода варьировали содержанием угле-
Рис.2. Влияние Степени холодной пластической деформации на КДУР стали 20: ■ - отжиг; О - деформация 10%; ♦ - деформация 25%; □ - деформация 40%
Дефектами кристаллического строения углеродистых сталей на мезоуровне явгяются дислокационно-
' Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»
dl/dN, м/цикл
1«
2 5 10 20 50 100
АК, МПа-м1/2
22 № 1(38)2008
ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ С^Д
дисклинационные построения и частицы второй фазы (цементит). Структуры углеродистых сталей с мезоде-фектами строения можно создавать тремя способами воздействия: термическим, термопластическим и деформационным. Дислокационно-дисклинациоьные построения создавали в сталях 20, ЗОХГСА и 45 методом холодной пластической деформации прокаткой со степенями обжатия 10, 25 и 40 %. Характер формирующихся при пластической деформации дислокационных структур изучен ранее [2].
При анализе результатов усталостных испытаний было выявлено существенное влияние характера дислокационных построений мезоскопического масштабного уровня на первый и второй участки КДУР (рис. 2). Увеличение степени дефектности кристаллического строения мезоструктуры за счет дислокационно-дис-клинационных образований приводит к росту циклической трещиностойкости равновесной отожженной структуры всех сталей. Особенно это влияние заметно в области припороговой усталости, где рост Д/С№ достигает 40...50 %. На среднеамплитудном участке повышение циклической трещиностойкости не так ощутимо: АК* увеличивается на 12...25 %.
тры циклической трещиностойкости, так и прочность. Таким образом, можно заключить, что эффективными дислокационными барьерами, способствующими одновременному повышению как циклической трещиностойкости, так и статической прочности, являются структуры, формирующиеся при холодной деформации. Насыщение структуры мезодефектами кристаллического строения, создаваемыми ограниченной холодной пластической деформацией, является эффективным механизмом повышения таких показателей конструктивной прочности сталей, как прочность и циклическая трещиностойкость.
Другим видом мезодефектов структуры углеродистых сталей являются цементитные частицы. Количество и морфологию частиц второй фазы варьировали количеством углерода в стали и температурой отпуска после полной закалки. Использовали углеродистые стали 20, 45, У8 и У10. Увеличение количества углерода в стали при прочих равных условиях приводит к росту числа мезодефектов структуры - цементитных частиц, а повышение температуры отпуска приводит к изменению морфологии карбидов.
10:
dl/dN, м/цикл
1СГ
10
1СГ
101
10
10
i
10 20
50 100
АК, МПа-м
,1/2
10
dl/dN, м/цикл
10
10"'
10*
10
В
1
l i-LS
Я
ь—ьг
23
ЕЖ
У*
TI / и
11 / ¿ц
■ъ
т
mm
-=32
- / f А
: >
•---
t
ЩЩ
T~1
10
100
ДАТ, МПа-м
Рис. 2. Влияние степени пластической деформации на КДУР стали ЗОХГСА: ■ - отжиг; О - деформация 10%; ♦ - деформация 25%; □ - деформация 40%;
X - полигонизация; • - полигонизация + деф.15%
Стали с полигональной структурой, созданной по режиму холодная деформация 10 % + отжиг при 550 ВС в течение 1 часа, обладают такой же циклической трещиностойкостью и меньшими значениями прочности по сравнению со структурой, деформированной на такую же степень деформации без последующего нагрева (рис. 3). Процессы разупрочнения полигонузо-ванной структуры, очевидно, связаны с перестроением дислокационной структуры и частичной аннигиляцией дислокаций леса, активируемыми при повышении температуры. Дополнительная пластическая деформация полигонизованной структуры повышает как параме-
Рис. 4. Влияние температуры отпуска стали 45 на КДУР: □ - температура отпуска 200 'С; О - температура отпуска 300 'С; А - температура отпуска 400 *С; • - температура отпуска 600 'С
На рис. 4 показано влияние температуры отпуска на циклическую трещиностойкость углеродистой стали 45. Упрочнение стали термическими методами оказывает значительное влияние на кинетику роста усталостной трещины. Из графика следует что рост температуры отпуска приводит к повышению показателей циклической трещиностойкости. Это выражается в повышении как пороговой циклической трещиностойкости АКХЬ, так и циклической трещиностойкости при доломе АК,с.
Повышение -емпературы отпуска от 200 до 400 *С слабо сказывается на уровне АК1(1, однако мри эюм значительно возрастает ДК1с. При дальнейшем повышении
№ 1 (38) 2008 23
температуры отпуска наблюдается противоположная тенденция: ДК1с слабо повышается, однако резко возрастает д к^.
Таким образом, повышение температуры отпуска приводит к сдвигу кинетической кривой в область высоких значений ДК, т.е. повышению циклической трещино-стойкости.
Список литературы
1. Тушинский Л.И. Структурная теория конструктивной прочности материалов / Л.И. Тушинский. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 400 с.
2. Смирнов А. И. Дислокационные структуры под по-верхностьо усталостного излома технического железа / А.И. Смирнов // Сборник научных трудов НГТУ. - 2001. - № 4 (26). -С. 107-112.
ПРИМЕНЕНИЕ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ ДНЯ ОПТИМИЗАЦИИ МАРШРУТНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Д.В. ТУЛУПОВ, канд. техн. наук, доцент, А.Н. РОМАШЕВ, канд. техн. наук, доцент,
Бийский технологический институт АлтГТУ, г. Бийск
На стадии технологической подготовки производства осуществляется проектирование оптимальных технологических процессов, обеспечивающих получение деталей заданного качества и точности при высокой производительности их изготовления.
В то же время, во многих случаях эффективность проектируемых технологических процессов механической обработки недостаточна. Проектируемые технологические процессы зачастую не обеспечивают необходимого снижения себестоимости, материалоёмкости деталей, трудоёмкости обработки при стабильно высоком качестве поверхностного слоя и точности геометрических характеристик.
Сложность выбора из множества возможных вариантов технологического процесса фактически связана со сложным характером влияния точности размеров черновой и чистовой стадий обработки на конечную точность размеров детали.
Наилучшим решением для выбора оптимального варианта технологического процесса, которое не получило пока повсеместного распространения на производстве, является моделирование размерных изменений заготовки на стадии проектирования технологического процесса. В качестве математического аппарата такого моделирования используется теория графов совместно с теорией размерных цепей. При этом деталь в процессе ее изготовления рассматривается как геометрическая структура, состоящая из множества обрабатываемых поверхностей и размерных связей между ними.
Последовательность проведения размерных расчетов включает ряд этапов. Сначала технолог по операционным эскизам составляет размерную схему. Далее на основании схемы Сфотин I раф, вершинами которого служат все промежуточные поверхности одного координатного направления, а ребрами - размеры всех видов. На графе выявляются замкнутые контуры размерных цепей, после совместного решения которых вычисляются искомые технологические размеры.
Рассмотрение всевозможных вариантов размерных структур является весьма трудоемкой задачей для технолога и увеличивает время технологической подготовки производства. Это особенно ощутимо при составле-
нии технологии обработки деталей, имеющих десятки л сотни размеров, входящих в размерные цепи.
Одним из возможных путей решения указанной проблемы является применение нейросетевых технологий для синтеза размерных структур.
Искусственные нейронные сети — это набор математических и алгоритмических методов для решения широкого круга задач. Они представляют собой сеть элементов — искусственных нейронов, расположенных в один либо несколько слоев, определенным образом связанньх между собой. Как правило, нейросеть имеет множество входных каналов и один или несколько выходных. Большое количество входных каналов позволяет вести обработку множества данных. Упрощенно каждый нейрон (рис.1) можно назвать функцией нескольких переменных, при помощи которых входные сигналы преобразуются в выходной сигнал. Вид функции нейронов каждого слоя определяется индивидуально от постановки требуемой задачи.
Рис. 1. Искусственный нейрон
К основным преимуществам нейросетей можно отнести высокую надежность, параллельность вычислений, адаптивность, помехоустойчивость, толерантность к ошибкам, способность к обучению, решение задачи различной специфики и трудоемких задач оптимизации.
В качестве входных параметров для нейросети при ее использовании для технологических расчетов могут быть: информация с чертежа детали (конструкторские размеры и точность их выполнения), тип технологического оборудования для производства изделия, вид исходной заготовки. Выходным параметром будет раз-
24 № 1 (38) 2008
Входы Синапсы
Ячейка нейрона
Аксон Выход
Б =СЕХГ\Л/, V = Р(Б) 1-1
