CC BY
45
УДК 62-1/-9
ВЛИЯНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГАЗОВОГО ПОТОКА НА СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, ПОДВЕРГНУТЫХ ГАЗОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКЕ
Д.А. Иванов1
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7, лит. А
В данной работе рассматривается влияние направления воздействия пульсирующего газового потока на свойства изделий из конструкционных сталей и цветных сплавов, упрочняемых с использованием газоимпульсной обработки.
Ключевые слова: анизотропия свойств, газоимпульсная обработка, металлические конструкционные материалы.
INFLUENCE OF THE DIRECTION OF THE ACTION OF THE PULSATORY GAS FLOW ON THE PROPERTIES OF THE METALWARE, SUBJECTED TO THE GAS-PULSE WORKING
D.A. Ivanov
St.-Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, streetKavalergardsky, 7 A. In this work is examined the influence of the direction of the action of the pulsatory gas flow on the properties of articles made of structural steels and nonferrous alloys, hardened with the use of gas-pulse working.
The keywords: the anisotropy of properties, gas-pulse working, metallic construction materials.
В конструкции транспортных средств, машин и агрегатов бытового и жилищнокоммунального назначения и др. широко применяются термоупрочняемые стальные детали, а также детали из термоупрочняемых цветных сплавов на основе алюминия, магния и др. Их конструкционная прочность в значительной степени зависит от термической обработки, являющейся в большинстве случаев завершающей стадией изготовления деталей.
Вместе с тем, широко применяются металлические материалы, не подвергаемые упрочняющей термической обработке. Как правило, они упрочняются холодным пластическим деформированием, что влечёт снижение значений показателей надёжности техники.
Для успешного решения задач проектирование и ремонта такой техники необходимо иметь представление о современных тенденциях в практике упрочняющей обработки подобных материалов как первой, так и второй группы.
Применение воздействия нестационарных газовых потоков (газоимпульсная обработка) может существенно повысить конструктивную прочность деталей транспортных средств, технологических машин и оборудования бытового и жилищно-коммунального назначения из металлических материалов традиционных марок [1 ^ 8].
Вместе с тем, при упрочнении металлических материалов и изделий с использованием газовых потоков необходимо ориентировать обрабатываемое изделие относительно воздействующего потока с учетом направления будущих рабочих нагрузок.
Импульсное воздействие газового потока в процессе охлаждения нагретого изделия способно оказать значительное влияние на подвижность дислокаций, а, стало быть, и механические свойства материала детали.
Были проведены исследования влияния положения термоупрочняемых образцов из стали 40 относительно направления пульсирующего газового потока, частотой менее 1000 Гц, на их механические свойства.
В одном из экспериментов направление обдува совпадало с направлением статических и динамических нагружений в ходе последующих механических испытаний, в другом эксперименте направление обдува было им перпендикулярно. В результате получено, что для стали 40, охлажденной пульсирующим воздушным потоком с температуры 860°С (скорость охлаждения ниже критической скорости закалки), показатели прочности выше в направлении, перпендикулярном направлению обдува, а показатели пластичности и ударной вязкости - в направлении, совпадающем с направлением обдува (гистограмма рис. 1).
О 200 400 600 800
■ газоимпульсная обработка в направлении нагружения
о газо импульсная обработка перпендикулярно нагружению
Рисунок 1. Сравнительные свойства стали 40 после охлаждения с температуры 860 °С пульсирующим дозвуковым воздушным потоком в зависимости от направления обдува
Данная анизотропия свойств, как показывают металлографические исследования, связана с воздействием пульсирующего газового потока при охлаждении не только на исходную аустенитную структуру и процесс фазового превращения, но и на характер распределения дислокаций в окончательной (сорбитной) структуре. Это подтверждается также следующим экспериментом: образцы из стали 40 охлаждались на спокойном воздухе до температуры окончательного распада аустенита с образованием окончательной сорбитной структуры (порядка 700° С), после чего охлаждались до комнатной температуры пульсирующим газовым потоком. В результате их твёрдость соответствовала твёрдости после стандартной нормализации, что свидетельствует об отсутствии фазовых превращений в процессе воздействия газового потока, прочность была выше в направлении, поперечном направлению обдува, а пластичность и ударная вязкость - в направлении, совпадающем с направлением обдува (таблица 1).
Также исследовалось анизотропия механических свойств образцов, изготовленных из холоднокатаной стали 40 в состоянии поставки после газоимпульсной обработки без нагрева в течение 35 минут дозвуковым воздушным потоком, пульсирующим с частотой ~ 550 Гц при звуковом давлении до 100 дБ. Образцы размещались в рабочей камере установки
как вдоль, так и поперёк пульсирующего воздушного потока.
Таблица 1 - Свойства стали 40 в зависимости от направления воздействия пульсирующего воздушного потока. (Охлаждение с температуры 860 °С на воздухе до температуры 700 °С, а затем в воздушном потоке)
Охлаждающая среда °В , МПа СТ0,2 , МПа кси, Дж/см2 5, % ИЯС
Воздух 860-700°С, Установка с 700°С. Направление обдува совпадает с направлением статического и динамического нагружения 540 355 133 34,2 20
Воздух 860-700°С, Установка с 700°С. Направление обдува перпендикулярно направлению статического и динамического нагружения 560 375 75 28,4 20
В результате поперёк рабочей камеры экспериментальной установки значение относительного удлинения составило 30,9%, условного предела текучести - 322 МПа, ударной вязкости - 47 МДж/м2, в то время, как при размещении образца вдоль рабочей камеры, относительное удлинение равнялось 34,9%, условный предел текучести - 911 МПа и ударная вязкость - 79 МДж/м2 (таблица 2).
Таблица 2 - Анизотропия свойств стали 40 в состоянии поставки после обдува в установке без нагрева в течение 35 минут
Направление обдува °0,2 , МПа кси, Дж/см2 5, % ИЯС
Направление обдува совпадает с направлением статического и динамического нагружения 311 79 34,9 30-32
Направление обдува перпендикулярно направлению статического и динамического нагружения 322 47 30,9 30-32
Таким образом, в направлении воздействия пульсирующего газового потока наблюдается наибольшее повышение значений показателей пластичности и ударной вязкости, благодаря повышению подвижности дислокаций и релаксации микронапряжений.
На фотографии (рис. 2) представлены подвергнутые газоимпульсной обработке в направлениях, совпадающих и перпендикулярных направлению приложения нагрузки при механических испытаниях разрывные образцы из стали 40Х в состоянии поставки после испытаний на растяжение до разрыва. Видно, что пластическая деформация, предшествовавшая разрушению, у образца, размещённого в процессе газоимпульсной обработки вдоль пульсирующего газового потока больше, в сравнении с деформацией образца, размещённого поперёк потока.
обработки в случае расположения образца вдоль потока выше показатели пластичности, а поперёк - прочности.
Рисунок 2. Анизотропия свойств стали 40 в состоянии поставки после обработки пульсирующим газовым потоком без нагрева продолжительностью 35 минут: а - поперёк трубы рабочей камеры, б - вдоль трубы рабочей камеры
На гистограмме (рис. 3) представлены свойства стали 40 после стандартной нормализации с последующей обработкой пульсирующим дозвуковым газовым потоком, обладающим частотой колебаний от 830 до 1000 Гц и переменным звуковым давлением от 80 до 90 дБ. Направление обработки в одном случае совпадало с направлениями статического и динамического нагружения, а в другом случае было им перпендикулярно. Результаты испытаний показали, что при газоимпульсной обработке деталей поверх стандартной нормализации, направление обработки должно совпадать с направлением эксплуатационной нагрузки.
В таблице 3 представлены результаты исследования анизотропии свойств стали 35 после стандартной закалки с последующей обработкой продолжительностью 15 минут в ненагретом состоянии пульсирующим дозвуковым газовым потоком, обладающим частотой колебаний 1130 Гц и переменным звуковым давлением до 120 дБ. Направление обработки в одном случае совпадало с направлениями нагружения при механических испытаниях, а в другом случае было им перпендикулярно. Из полученных результатов следует, что для данных параметров газоимпульсной обработки, материала и предшествовавшей термической
Рисунок 3. Сравнительные свойства стали 40 после стандартной нормализации с последующей обработкой пульсирующим дозвуковым газовым потоком в зависимости от расположения образцов относительно направления потока
Проведённые исследования выявили для легированных конструкционных сталей ту же зависимость механических свойств от направления воздействия пульсирующего газового потока, что и у углеродистых конструкционных сталей. В частности, для стали 40Х после стандартной закалки в масле, отпуска при температуре 540°С и охлаждения с температуры отпуска пульсирующим газовым потоком значения показателей прочности выше в направлении, перпендикулярном направлению газоимпульсной обработки, а значения показателей пластичности и ударной вязкости выше в направлении, совпадающем с направлением обдува пульсирующим дозвуковым газовым потоком (гистограмма рис. 4).
Газоимпульсная обработка осуществлялась дозвуковым воздушным потоком, пульсирующим с частотой ~ 550 Гц при звуковом давлении до 100 дБ. Образцы размещались в рабочей камере установки как вдоль, так и поперёк пульсирующего воздушного потока и охлаждались в нём с температуры отпуска (540° С) до температуры в рабочей камере установки (на 6° С ниже комнатной) со скоростью около 3 градусов в секунду.
Скорость охлаждения при размещении стандартного разрывного образца вдоль направления потока на 20% меньше, чем при поперечном расположении.
Таблица 3 - Механические свойства закалённой стали 35 после газоимпульсной обработки продолжительностью 15 минут без нагрева в зависимости от направления обработки
Направление обдува ° В , МПа °0,2 , МПа 5 , % ИКС МПа
Направление обдува перпендикулярно направлению нагружения 695 1493 7,1 52
Направление обдува совпадает с направлением нагружения 547 886 9,2 52
Вместе с тем, анизотропия свойств при воздействии газовых потоков на нагретое изделие вытянутой формы не определяется различием в скоростях охлаждения при расположении изделия вдоль или поперёк потока, что подтверждается испытанием образцов из алюминиевого сплава АМг2, подвергнутых воздействию пульсирующего газового потока в течение 30 минут без нагрева. Показатели прочности как у отожженных образцов, так и у образцов со степенью холодной пластической деформации 40% в направлении, поперечном направлению обдува выше, чем в направлении, совпадающем с ним.
Было проведено исследование анизотропии свойств легированных конструкционных сталей при сочетании газоимпульсной обработки с нормализацией. Образцы из стали 40Х охлаждались с температуры 860°С на спокойном воздухе до температуры порядка 670°С, соответствующей структуре сорбита закалки, после чего подвергались воздействию пульсирующего воздушного потока скоростью 30 м/с и частотой 550 Гц вплоть до полного охлаждения.
Направление газоимпульсной обработки было как перпендикулярно направлению статического и динамического нагружения при механических испытаниях, так и совпадало с ним. Результаты исследования представлены в таблице 4 и показывают, что наибольшие значения показателей прочности наблюдаются в случае расположения изделия перпендикулярно течению пульсирующего воздушного потока. При этом значения показателей пластичности и ударной вязкости мало отличаются от значений, полученных при испытании образцов, направление обдува которых совпадало с направлением статического и динамического нагружения.
Также исследовалась анизотропия свойств стали 40Х после нормализации и по-
следующей газоимпульсной обработки в установке без применения нагрева пульсирующим дозвуковым воздушным потоком частотой порядка 900 Гц в течение 35 минут в зависимости от направления обдува. Как и в предыдущем случае, часть образцов располагалась вдоль направления течения пульсирующего газового потока, а часть - перпендикулярно ему.
Рисунок 4. Сравнительные свойства стали 40Х, подвергнутой закалки в масле с температуры 860° С и отпуску при температуре 540° С после охлаждения, сопровождавшегося газоимпульсной обработкой, в зависимости от расположения образцов относительно направления пульсирующего газового потока
Таблица 4 - Свойства стали 40Х после норма-лизацонного охлаждения на воздухе до 670°С, а затем пульсирующим воздушным потоком с 670°С в зависимости от положения образцов относительно направления потока
Направление обдува °В , МПа СТ0,2 , МПа кси, Дж/см2 5 , % ИЯС
Направление обдува совпадает с направлением статического и динамического нагружения 824 637 141 10,6 20- 22
Направление обдува перпендикулярно направлению статического и динамического нагружения 931 693 141 10,2 20- 22
Результаты исследования представлены в таблице 5. Полученные данные свидетельствуют о том, что как и в случае охлаждения пульсирующим газовым потоком с температу-
ры высокого отпуска, значения показателей прочности выше в направлении, перпендикулярном направлению газоимпульсной обработки, а значения показателей пластичности и ударной вязкости выше в направлении, совпадающем с направлением обдува пульсирующим дозвуковым газовым потоком.
Таблица 5 - Свойства стали 40Х после нормализации и последующего обдува в установке без нагрева в течение 35 мин в зависимости от направления газоимпульсной обработки
В таблице 6 представлены результаты испытания на динамический изгиб образцов Менаже, изготовленных из стали 40Х в состоянии поставки, которые были подвергнуты газоимпульсной обработке в течение 35 минут без нагрева при частоте пульсаций газового потока 550 Гц и звуковом давлении менее 100 дБ.
Таблица 6 - Зависимость ударной вязкости стали 40Х в состоянии поставки от направления обдува пульсирующим воздушным потоком в течение 35 минут без использования нагрева
При этом одни образцы располагались таким образом, что направление обдува совпадало с направлением динамического нагружения при механических испытаниях, а другие -так, что направление газоимпульсной обработки было перпендикулярно направлению динамического нагружения.
По результатам механических испытаний значения показателей ударной вязкости оказались выше в направлении, совпадающем с направлением обдува пульсирующим дозвуковым газовым потоком.
В целом исследования анизотропии свойств легированных конструкционных сталей, подвергнутых газоимпульсной обработке, позволяют сделать вывод, что направление обдува пульсирующим газовым потоком в большинстве случаев соответствует направлению, вдоль которого обработанное изделие будет наиболее устойчиво к динамическим нагрузкам, обладать наибольшим запасом пластичности и в целом характеризоваться более высокой надёжностью.
В продолжение исследований корреляции направления воздействия пульсаций газового потока на изделие и направления эксплуатационной нагрузки, начатого применительно к подвергаемым газоимпульсной обработке изделиям из углеродистых и легированных конструкционных сталей, была выявлена и изучена анизотропия механических свойств образцов из алюминиевого сплава, подвергнутых воздействию пульсирующего дозвукового воздушного потока.
То, что анизотропия свойств при воздействии газовых потоков на нагретое изделие вытянутой формы не определяется различием в скоростях охлаждения при расположении изделия вдоль или поперёк потока подтверждается испытанием образцов из широко используемого в бытовых машинах и приборах деформируемого алюминиевого сплава АМг2, подвергнутых воздействию пульсирующего дозвукового газового потока, обладающего частотой 560 Гц и звуковым давлением порядка 100 дБ в течение 30 минут без нагрева.
Показатели прочности, как у отожженных образцов, так и у образцов со степенью холодной пластической деформации 40% в направлении, поперечном направлению обдува выше, чем в направлении, совпадающем с ним. Та же зависимость от направления газоимпульсной обработки прослеживается и у показателей пластичности.
На гистограмме (рис. 5) приведены данные, характеризующие анизотропию свойств алюминиевого сплава АМг2 в отожженном состоянии после воздействия пульсирующего газового потока в течение 30 минут при комнатной температуре в зависимости от расположения разрывного образца вдоль или поперёк пульсирующего воздушного потока.
Зависимость показателей прочности и пластичности от направления газоимпульсной
Направление обдува °В , МПа СТ0,2 , МПа кси, МДж/м2 5 , % ИЯС
Направление обдува совпадает с направлением статического и динамического нагружения 1254 910 1,13 10,8 24- 26
Направление обдува перпендикулярно направлению статического и динамического нагружения 1350 990 0,58 7,6 24- 26
Направление обдува кси, Дж/см2 ИЯС
Направление обдува совпадает с направлением динамического нагружения 60 20
Направление обдува перпендикулярно направлению динамического нагружения 35 20
обработки относительно положения изделия для алюминиевого сплава АМг2 со степенью деформации 40% после воздействия пульсирующего газового потока в течение 30 минут при комнатной температуре представлена в таблице
7.
об. МПа о0,2, МПа 8,%
0Без обработки ■Вдоль потока □ Поперёк потока
Рисунок 5. Свойства алюминиевого сплава АМг2 в отожженном состоянии после воздействия пульсирующего газового потока в течение 30 минут при комнатной температуре в зависимости от расположения разрывного образца вдоль или поперёк пульсирующего воздушного потока
Таблица 7 - Свойства алюминиевого сплава АМг2 со степенью деформации 40% после воздействия пульсирующего газового потока в течение 30 минут при комнатной температуре
Обработка о В, МПа О0,2 , МПа 5 , % ИИВ
Направление обдува совпадает с направлением нагружения 195 150 12 23-25
Направление обдува перпендикулярно направлению нагружения 210 155 22 23-25
Исследование свойств не упрочняемого термической обработкой алюминиевого сплава в результате обдува пульсирующим газовым потоком в холодном состоянии показывает, что анизотропия при газоимпульсной обработке не
связана с различием скоростей охлаждения вдоль и поперёк направления потока. Конструктивная прочность сплава АМг2 поперёк направления обдува пульсирующим газовым потоком выше, чем вдоль в результате газоимпульсной обработке как отожженного, так и наклёпанного изделия.
Полученные данные позволяют правильно выбирать положение изделия относительно газового потока при газоимпульсной обработки с учётом направления эксплуатационной нагрузки.
Литература
1. Иванов Д.А. Влияние дозвукового пульсирующего водовоздушного потока на напряженное состояние сталей при термообработке // Технико -технологические проблемы сервиса. - СПб., 2007, №1, с. 97-100.
2. Иванов Д.А. Повышение конструктивной прочности материалов за счет воздействия пульсирующих дозвуковых низкочастотных газовых потоков. Монография. - СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2008. - 123 с.
3. Иванов Д.А. Закалка сталей, алюминиевых и титановых сплавов в пульсирующем дозвуковом водовоздушном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2008, №2, с. 57-61.
4. Иванов Д.А. Прокаливаемость сталей при закалке в пульсирующем дозвуковом воздушном и водовоздушном потоке // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2010, № 11, с. 50-53.
5. Иванов Д.А. Повышение конструктивной прочности металлических материалов путём их обработки нестационарными газовыми потоками без предварительного нагрева // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2011, №4, с. 24-29.
6. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Использование газоимпульсной обработки в процессе термического упрочнения деталей бытовых машин // Технико -технологические проблемы сервиса. - СПб., 2012, № 4, с. 33-37.
7. Иванов Д.А., Засухин О.Н. Повышение конструктивной прочности машиностроительных материалов в результате сочетания термической и газоимпульсной обработки // Двигателестроение. - СПб., 2012, №3, с. 12-15.
8. Иванов Д.А. Воздействие газоимпульсной обработки на структуру и механические свойства нормализуемых сталей // Технико-технологические проблемы сервиса. - СПб., 2013, № 3, с. 19-22.
1 Иванов Денис Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры "Техническая механика" СПбГУСЭ, тел. +7 981 764 08 22, е-mail: [email protected]
