Внутренние остаточные напряжения в покрытиях, сформированных электромагнитной наплавкой Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.923.7

ВНУТРЕННИЕ ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ПОКРЫТИЯХ, СФОРМИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ НАПЛАВКОЙ

Докт. техн. наук, проф. КОЖУРО Л. М., асп. ЗЕЛЕНЦОВ А. Г.

Белорусский государственный аграрный технический университет

Остаточные напряжения в покрытиях существенно влияют на эксплуатационные свойства восстановленных и упрочненных деталей и прежде всего на динамическую прочность при циклических нагрузках. Так, остаточные напряжения сжатия являются резервом повышения прочности деталей, а напряжения растяжения ослабляют их прочность, вызывают возникновение трещин в покрытиях, что приводит к разрушению.

Механизм формирования остаточных напряжений в покрытиях зависит от соотношения и взаимодействия в покрытии силовых и температурных факторов [1]. При восстановлении или упрочнении деталей электромагнитной наплавкой (ЭМН) различных порошков в силу локальных тепловых воздействий на основной металл и быстрого неравномерного охлаждения наплавленного покрытия в последнем формируются остаточные напряжения растяжения [2].

Представляет практический интерес определение остаточных напряжений первого рода (макронапряжений) в покрытиях, полученных ЭМН с поверхностным пластическим деформированием (ППД), а также после их механической обработки. Остаточные макронапряжения в покрытиях определяли методом рентгеноструктурного анализа, используя методику определения параметров линейно-напряженного состояния металла по смещению линий рентгенограммы [3].

Согласно закону Гука относительное изменение длины цилиндра при растяжении составляет

Д/ с

Т _ Е’

где о - напряжение; Е - модуль упругости; I -длина цилиндра.

Относительное изменение диаметра цилиндра по закону Пуассона

ДП с

----_ —Ц—,

П Е

где ц - коэффициент Пуассона; Б - диаметр цилиндра.

Дифференцирование уравнения Вульфа - Брэ-га дает

Д1 _ Д0 1 ~~в ’

где ё - расстояние между кристаллографическими плоскостями; 0 - угол Вульфа - Брэга.

Считая кристаллографические плоскости, участвующие в отражении, параллельными оси цилиндра, можно записать

Д1 ДП

1 ~ П

Тогда

ЕД1 Ела л

с _------_ Д9^ Д,

ц 1 ц

где Д0 - смещение максимума рентгеновской линии, вызванное макронапряжениями;

А0 0эталона 0образца*

Разделение Ка дублета и определение точного положения интерференционной линии проводили по методике, в соответствии с которой

20! = 20ц.т - 0,333 • 25,

где 01 - положение линии К^ ; 0ц.т - положение

центра тяжести профиля; 5 - междублетное расстояние, определяемое из соотношения

5 - £ «. •

где X - длина волны рентгеновского луча; АХ = =Х1 - X - разность длин волн К и Ка^ рентгеновских излучений.

Рентгеновский анализ покрытий, нанесенных на образцы из стали 45, проводили на дифрактометре ДРОН-3 в кобальтовом монохроматическом излучении. Съемка профиля рентгеновской линии выполнялась в автоматическом режиме.

Результаты определения остаточных макронапряжений представлены на рис. 1. Анализ эпюр распределения остаточных напряжений в покрытиях показывает, что в результате поверхностной пластической деформации покрытий, изменения удельных объемов при фазовых превращениях, различия коэффициентов линейного расширения материалов порошка и основы в системе покрытие - основа возникают остаточные напряжения сжатия с большим градиентом по глубине деформированного слоя покрытий.

-200

-400

а, МПа

1 / 2 / 3 /

•^\ г ▲ ▲ —

•

Основа

Покрытие

-200

-400

а, МПа

• • Да .1 ,2 ,3

у / / ▲

•

•

Рис. 1. Распределение остаточных напряжений 1-го рода по сечению основы и покрытия, полученного: а - ЭМН с ППД; б - ЭМН с ППД и шлифованием; в - ЭМН с ППД и магнитно-абразивной обработкой: 1 - Бе-10 %У; 2 -Р6М5Ф3; 3 - С-300

Данные рисунка позволяют сопоставить значения остаточных напряжений в покрытиях в зависимости от химического состава порошков и методов механической обработки. Из рис. 1а следует, что наибольшие остаточные напряжения сжатия имеют покрытия из порошка Ре-10 %У, наименьшие - из порошка С-300. Шлифование покрытий приводит главным образом к изменению градиента напряжений (рис. 1б). Благоприятное воздействие на остаточные напряжения оказывает магнитно-абразивная обработка, после которой они увеличиваются на поверхности покрытий из порошков Ре-10 %У, Р6М5Ф3 и С-300 и соответственно составляют: -730, -640 и -580 МПа (рис. 1в). Шлифование образцов и магнитно-абразивную обработку последних проводили по оптимальным режимам [2].

После механической обработки происходят рост остаточных напряжений в покрытии и сдвиг максимума напряжений в глубину. Сравнение эпюр распределения остаточных напряжений показывает, что, начиная с переходной зоны покрытия, они идентичны.

В Ы В О Д

Таким образом, ППД покрытий, полученных ЭМН с ППД, формируют в системе покрытие - основа напряжения сжатия. Шлифование и магнитно-абразивная обработка покрытий увеличивают градиент напряжений. Верхние слои покрытий толщиной до 50-100 мкм представляют собой зону с большим градиентом напряжений, средние - толщиной 100-200 мкм -зону с малыми градиентами напряжений.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Мрочек, Ж. А. Остаточные напряжения / Ж. А. Мрочек [и др.]. - Минск: УП «Технопринт», 2003. - 317 с.

2. Кожуро, Л. М. Обработка деталей машин в магнитном поле / Л. М. Кожуро, Б. П. Чемисов. - Минск: Навука [ тэхшка, 1995. - 232 с.

3. Миркин, Л. И. Рентгеноструктурный анализ машиностроительных материалов: Справ. / Л. И. Миркин. -М.: Машиностроение, 1997. - 134 с.

Поступила 13.01.2006

а

0

б

0

в