Влияние параметров азотированного слоя и остаточных напряжений на напряженнодеформированное состояние конструктивных элементов при изгибе Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.793.6+620.17

В. Г. Каплун, П. В. Каплун

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ АЗОТИРОВАННОГО СЛОЯ И ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ИЗГИБЕ

Приведены результаты исследований влияния физико-механических характеристик и остаточных напряжений азотированных слоев на напряженно-деформированное состояние конструктивных элементов при изгибе.

В технике очень большое количество конструктивных элементов (зубчатые колеса, валы, оси, рессоры и др.) работают с изгибом их оси в процессе эксплуатации и разрушаются от усталости металла при определенном количестве циклов на-гружения. Долговечность данных конструктивных элементов зависит от их напряженно-деформированного состояния.

С целью повышения долговечности конструктивных элементов существуют различные методы упрочнения поверхности (пластического деформирования, термической и химико-термической обработки и др.), которые создают на поверхности упрочненные слои с определенными физико-механическими характеристиками (толщиной, модулем упругости, разным градиентом изменения свойств по глубине). Физико-механические характеристики упрочненных слоев влияют на напряженно-деформированное состояние конструктивных элементов и перераспределение напряжений между упрочненным слоем и сердцевиной при воздействии внешних нагрузок. Наличие упрочненных слоев вызывает в конструктивных элементах остаточные напряжения, которые также оказывают большое влияние на напряженно-деформированное состояние.

Многими исследованиями [1-4] установлено, что при различных методах поверхностного упрочнения материалов могут возникать остаточные напряжения сжатия или растяжения. Долговечность металлов при изгибном циклическом нагружении увеличивается при наличии остаточных напряжений сжатия и уменьшается при наличии остаточных напряжений растяжения [1]. Исследованиями [3, 4] показано, что при ионном азотировании сталей возникают остаточные напряжения сжатия, величина которых достигает очень больших величин (до 800 МПа). Их величиной и характером распределения по глубине можно управлять с помощью технологических параметров химико-термической обработки [7-9].

На рис. 1 приведены эпюры напряжений, возникающих в опасном поперечном сечении плас-

тин малой и большой толщины от воздействия изгибающей силы р для разных вариантов: при отсутствии (1, б) и наличии (2, б) азотированного слоя; от остаточных напряжений при наличии азотированного слоя (в); суммарная эпюра напряжений (г). Суммарная эпюра напряжений (рис. 1, г) показывает, что на верхней и нижней поверхностях пластины возникают разные по величине напряжения.

Условия прочности материала пластины с учетом остаточных напряжений сжатия для верхней и нижней поверхности запишется так:

а!Г + ап„. < <5„_„_, (1)

^max _ ^ _ u o.c. — в. р.

(2)

где: аГ - максимальные напряжения от изгиба;

а0 - остаточные напряжения на поверхности пластины;

ав.сав.р - предел прочности материала на сжатие и растяжение.

Вычитая второе уравнение из первого, получим:

' в. p.

2

(3)

Для металлов временное сопротивление на сжатие авр.с значительно больше, чем временное сопротивление на растяжение авр.р. и с учетом критерия Писаренко-Лебедева [5]:

ав.р. =Хав.с. (4)

Тогда с учетом (4) уравнение (3) будет иметь

вид

' в.р.

(1 — х)

2х

(5)

.

Q o.c. ^

Qa.a. <

© В. Г. Каплун, П. В. Каплун 2006 г. - 66 $

а 6 в г

Рис. 1. Характер распределения напряжений при изгибе пластин малой и большой толщин с двухсторонним диффузионным покрытием: а - схема нагружения; б - эпюра напряжений от изгиба; в - эпюра остаточных напряжений в пластине с диффузионным покрытием; г - суммарная эпюра напряжений; 1 - эпюра напряжений в пластине без покрытия; 2 -эпюра напряжений в пластине с диффузионным покрытием

Максимальная несущая способность пластины при изгибе достигается при равнопрочности на верхней и нижней поверхностях. В этом случае:

' в. р

(1 -х)

2х

К. р ] =

Jпц. р

где [ств.р ] - допускаемые напряжения растяжения;

стпц.р - предел пропорциональности материала при растяжении;

к - коэффициент запаса. Для достижения максимальной долговечности конструктивных элементов при многоцикловом на-гружении изгибом, оптимальные значения остаточных напряжений сжатия:

[и в.р ](1 -х)

2х

(8)

(6)

При многоцикловом нагружении максимальные напряжения, возникающие в конструктивных элементах, не должны превышать допускаемых, которые определяются по зависимости:

(7)

Исследования [8, 9] образцов из различных сталей на многоцикловую усталость при изгибе показали, что при оптимальных значениях остаточных напряжений сжатия, которые возникают при ионном азотировании по определенным режимам, долговечность увеличилась при испытаниях на воздухе в 1,5......1,8 раза, а в агрессивных средах (3 %

раствор №С1, кислой и щелочной средах) в 2,5...3 раза.

С целью определения влияния физико-механических параметров упрочненных слоев, получаемых на поверхности конструктивных элементов при ионном азотировании, были проведены теоретико-экспериментальные исследования влияния толщины, модуля упругости и градиента изменения свойств по глубине упрочненного слоя на распределение суммарных напряжений по сечению.

„ =

о.с

и „ „ =

о.с

к

¡ЭБЫ1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006 — 67 —

внутреннего азотирования; Е0 и Е1 - модули упругости материала основы и нитридного слоя, соответственно. Кст - коэффициент интенсивности напряжений

К „=-

(9)

Рис. 2. Расчетная схема изгиба пластины с двухсторонним диффузионным покрытием

Рассматривалась плоская задача НДС при изгибе консольной пластины длиной L толщиной 2Н при приложении касательной равномерно распределенной нагрузки т в поперечном сечении пластины в конце балки, равнодействующая которой Р = 2Н • т (рис. 2). Напряженно-деформированное состояние исследовалось методом графов [6] с применением пакета программ, разработанного в ИПП НАН Украины. Расчеты на ЭВМ проводились при следующих значениях пластины: = 4000 мкм; 2Н = 720 мкм; т = 100 Н/мм; Ео = 2105 МПа; Ьл = 10 мкм. Значения Ь2 и Е1 изменялись в пределах: Ь2 = 25......300 мкм; Е1 = 2105......4105 МПа. Конечные результаты анализировались в безразмер-

где стУэп и аУэо - эквивалентные напряжения в рассматриваемой точке при наличии и отсутствии покрытия, соответственно.

Модуль упругости азотированного слоя изменялся по глубине по следующей экспоненциаль-нойзависимости:

Еп = Е0 + ((1 - Е0 Ущ

Н2 - У 2

(10)

ных величинах: Кст , КЕ = Е1 /Е0 и КН = Н /Н , где Н = И + Н2 - толщина диффузионного покрытия; - толщина нитридной зоны; ^ - толщина зоны

где Еп - модуль упругости в покрытии на расстоянии у2 от поверхности (У2 <

к - коэффициент пропорциональности, зависящий от температуры процесса диффузионного насыщения Т и для условий ионного азотирования получен экспериментально, к = 950/Т ° С.

Исследования показывают, что наличие диффузионного покрытия вызывает перераспределение эквивалентных напряжений по поперечному сечению, повышая их значения на поверхности и снижая в основе по сравнению с их значениями в однородном материале. На характер распределения эквивалентных напряжений существенное влияние оказывают толщина и модуль упругости покрытия (рис. 3).

ст

эп

ст

эо

ии

е

На рисунках 4, 5 показаны изменения коэффи циента интенсивности напряжений при изгибе К, по глубине пластины при различных значениях К, и и , а также зависимости Ктиах от КЕ и Ки , из которых видно, что Кии имеет максимальное значение, большее 1, на поверхности и постепенно уменьшается по глубине, достигая значений меньших 1, т.е. происходит разгрузка в данных точках сечения. К,1^ уменьшается с уменьшением КЕ и увеличением Ки.

Таким образом, проведенные исследования показали, что снижение эквивалентных напряжений в конструкционных элементах при изгибе достигается при уменьшении отношения модуля упругости покрытия к модулю упругости основы и увеличении толщины покрытия. Максимальное повышение несущей способности конструкционного элемента достигается при оптимальном значении остаточных напряжений сжатия в покрытии.

Рис. 4. Влияние параметров диффузионного покрытия на коэффициент интенсивности напряжений при изгибе пластины

Рис. 5. Влияние коэффициента Кь на эквивалентные напряжения изгиба

/55Л/1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006

— 69 —

Список литературы

1. Похмурский В.И., Карпенко Г.В. Характер распределения остаточных напряжений первого рода в поверхностных слоях сталей и сплавов с защитными покрытиями.//Физико-химическая механика металлов, 1968. -Т.4. - №4. - С. 381383.

2. Чернега С.М., Лоскутов В.Ф., Яковчук Ю.Е. Остаточные напряжения в карбидных покры-тиях.//Защитные покрытия на металлах, 1987. - Вып. 21. - С. 59-60.

3. Каплун В.Г., Рудык А.Е. Исследование остаточных напряжений в стали 45Х после ионного азотирования.//Лазерная, термическая и химико-термическая обработка в машиностроении. Сб.науч.трудов МАДИ. - М., 1987. - С.109-112.

4. Исследование остаточных напряжений в азотированной стали 38ХМЮА./ Каплун В.Г. и др.// Электронная обработка металлов, 1986. -№5. - С. 35-37.

5. Прочность материалов элементов конструкций

в экстремальных условиях: В 2-х т./Под ред. Г.С.Писаренко. - Киев:Наук. думка, -1980. -Т. 2. - 771 с.

6. Кузовков Е.Г. Графовая модель упругого тела. Расчет напряженно-деформированного состояния./ АН УССР. Ин-т пробл. прочности. Препр.

- Киев. - 1985. - 53 с.

7. Лахтин Ю.М., Коган Я.Д. Азотирование стали.

- М.: Машиностроение, 1976. - 255 с.

8. Влияние параметров ионного азотирования на выносливость стали 45Х в кислой среде./Кап-лун В.Г, Рудык А.Е., Гладкий Я.Н., Стечишин М.С. // Физико-химическая механика материалов. Киев: Наук. думка, 1986. - Т.22. - №5. - С. 101-103.

9. Каплун В.Г., Капинос А.В., Бабей Ю.И. Влияние ионного азотирования на сопротивление усталости стали 20 при изгибе.//Физико-хими-ческая механика материалов, 1988. - № 5. - С. 108-109.

Поступила в редакцию 02.06.2006 г.

Приведено результати досл1джень впливу ф1зико-механ1чних характеристик i залиш-кових напружень азотованих шарiв на напружено-деформований стан конструктивних елементiв при вигин.

Influence of physical-mechanical characteristics and residual stresses of nitrided layers on stress-strain state of structural elements at bending are investigated.