CC BY
18
Представлено анали взаемозв'яз-тв технологхчног спадковостх iз ета-пами життевого циклу деталей i особливостями будови гх поверхне-вого шару. Дослгджено вплив тех-нологгчного маршруту оброблення литих заготовок на формування пош-коджень. На основi моделi функщ-онально-градiентног будови границь зерна показана роль режимiв рiзання в утворенш структурних концентра-торiв напружень. Намгчено шляхи подальших дослгджень
Ключовi слова: технологгчний про-цес, надттсть, лита заготовка, тех-нологгчне пошкодження, концентратор напружень
□-□
Представлен анализ взаимосвязей технологической наследственности с этапами жизненного цикла деталей и особенностями строения их поверхностного слоя. Исследовано влияние технологического маршрута обработки литых заготовок на формирование повреждений. На основе модели функционально-градиентного строения границ зерна показана роль режимов резания в образовании структурных концентраторов напряжений. Намечены пути дальнейших исследований
Ключевые слова: технологический процесс, надежность, литая заготовка, технологическое повреждение,
концентратор напряжений -□ □-
УДК 621.757 : 621.7.08
|POI 10.15587/1729-4061.2016.59845|
ВПЛИВ ТЕХНОЛОГ1ЧНОГО МАРШРУТУ ОБРОБЛЕННЯ НА ФОРМУВАННЯ М1ЖЗЕРЕННО1 ПОШКОДЖУВАНОСТ1
ВИЛИВК1В
Я. М. Кусий
Кандидат техшчних наук, доцент Кафедра технологи машинобудування* E-mail: [email protected] О. А. Куз i н Кандидат техшчних наук, доцент Кафедра прикладного матерiалознавства та обробки матерiалiв* E-mail: [email protected] М. О. Куз i н Кандидат техшчних наук, доцент Львiвська ф^я Дшпропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту iM. ак. В. Лазаряна вул. 1в. Блажкевич, 12а, м. Львiв, УкраТна, 79052 Провщний науковий ствроб^ник Львiвський науково-дослщний шститут судових експертиз МЫстерства юстицп УкраТни вул. Липинського, 54, м. Львiв, УкраТна, 79029 *Нацюнальний ушверситет «Львiвська пол^ехшка» вул. Степана Бандери, 12, м. Львiв, УкраТна, 79013
1. Вступ
При реалiзащi сучасних технологш мехашчного оброблення деталей та складання машин намагаються забезпечити високий рiвень технiчних вимог до виро-бiв при мшмально можливiй собiвартостi [1] . Однак конкурентоздатшсть виробiв визначаеться не лише якiсно-економiчними показниками, а й характеристиками надшносп, якi проявляються шд час експлуата-цп виробiв [1-3]. Варто вщзначити, що силовi, теплов^ хiмiчнi та iншi впливи на заготовку та матерiали, котрi супроводжують технологii механооброблення та скла-дання, в деяких випадках призводять до виникнення у виробах невщповщностей продукцп вимогам норма-тивно-технiчноi документацп [4].
Економiчна дощльшсть комплексного забезпечен-ня якостi деталей на вах стадiях iх життевого циклу зумовила необхщшсть аналогiчного шдходу i до iх робочих поверхонь, що сформувало новий напрямок дослвджень - шженерш поверхнi [5]. При забезпеченш показникiв якостi важливу роль вдаграе спадковiсть
(рис. 1) - перенесення властивостей оброблюваного об'екту (заготовки) вщ попереднiх етапiв проектуван-ня до наступних, що вщображаеться на експлуатацш-них характеристиках кiнцевого виробу [6].
Конструктивна Структурна
Вплив навколишнього середовища — Спадковють —- Вплив оператора
.................................
Виробнича Експлуатацшна
Загчтвельна Технолопчна
Мехоброблення Складання
Рис. 1. Рiзновиди спадковостей у життевих циклах машини та шженерп поверхнi [6]
В зв'язку з тим, що при зовшшшх навантаженнях на поверхш виникають потоки дефектiв, якi сприяють розвитку пошкоджень, важливе значення поверхневих шарiв у формуваннi параметрiв надшносп виробiв
мае стан поверхневих шарiв. Найефектившшими методами керування такими потоками е створення в деталях функцiонально-градiентних структур шляхом поверхнево-пластичного деформування (ППД), хiмiко-термiчноi, лазерно! та плазмово! обробок. При цьому тдвищення довговiчностi досягаеться за раху-нок змiни напружено-деформованого стану в локаль-них зонах деталей, що дозволяе ефективно керувати поверхневими дефектами, розвитком знемщнення та деструктивних процеав, матерiалу, але вимагае детального аналiзу ролi структурних параметрiв в про-цесах руйнування [6].
Вщповщно до цих пiдходiв вивчення поверхневих шарiв необхiдно здiйснювати комплексно на вах ета-пах життевого циклу деталей [3, 5, 6].
Виршення проблеми надшноси машин вимагае нових пiдходiв, що на сучасному етат розвитку ма-шинобудування реалiзуеться впровадженням PLM -концепцш (Product Lifecycle Managment), якi представ-ляють собою систему керуванням життевим циклом виробiв iз використанням (машини)) iз проектуванням функцiонально-орiентованих технологiй виробництва засобами паралельного шжишрингу. Складнiсть умов експлуатацп виробiв i технологiчних процесiв обробки, при яких проявляються рiзновиди спадковостi, серед яких Грунтовш дослiдження на формування показ-никiв якостi проведенi лише для технолопчно! [7, 8], вимагае подальшого глибокого теоретичного та експе-риментального вивчення фiзичного змiсту даних явищ.
Таким чином, технолопчний процес мае безпосереднш i iстотний вплив на показники надшносп, хоча цi зв'язки складт, багатоетапнi i не е очевидними [1, 4, 6, 9-11].
В сучаснш лiтературi при аналiзi впливу техно-логiчноi спадковостi на параметри якоси кiнцевого виробу недостатньо враховуеться роль загоивельних операцiй [4, 12]. Структуру та властивоси заготовок слщ розглядати в тiсному поеднаннi iз спадковiстю металу з рiдкого стану, осюльки лише 25 % властивос-тей шихти передаеться заготовцi, а 75 % формуеться тд час заливання та затверднення при охолоджуванш [10]. Технолопчш чинники, що виникають в металур-гiйному процесi при виконанш ковальсько-штампу-вальних i термiчних операцш, проходять надалi увесь технологiчний ланцюжок отримання виробiв i мають значний вплив на формування кшцевих характеристик оброблених поверхонь [7, 13].
Внаслвдок структурноi спадковостi фiзична та хь мiчна неоднорiдностi, що формуються пiд час твердiння заготовки, у певних випадках трансформуеться у пошко-дження при технолопчних обробках [12-14]. Мехашзм перетворення дефектiв у технолопчш пошкодження е до кiнця не вивченим i вимагае Грунтовних дослвджень.
В роботi [6] встановлено формулу для оцшки ймо-вiрностi безвщмовного здiйснення технологiчного процесу P(t), що безпосередньо залежить ввд ймовiрно-стей виконання технолопчного процесу на загоивель-нiй операцii Р0 (t), на промiжних i-тих операцiях РХ (;) i ймовiрностi Рк вiдбракування виробiв Рк
2. Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми
P(t) = n f1 -(1 - р0 )(l - px,)(! - pk)].
(1)
Безпосередньо встановити зв'язок мiж ввдправни-ми, поточними i вихiдними параметрами технолопчного процесу та показниками надшноси досить складно (рис. 2). Показники надшноси пов'язаш не ильки з вiдправними параметрами технолопчного процесу, а також з експлуатацшними властивостями виро-бiв - зносостшюстю, втомною мiцнiстю, корозiйною стiйкiстю, теплостшюстю тощо.
Залежнiсть експлуатацiйних властивостей виро-бiв вiд показникiв iх якоси е складною за наступних причин [4, 9]:
1) процес втрати працездатноси, маючи певну фь зичну природу, тдпорядковуеться закономiрностям випадкових функцш через змiннiсть умов експлуатацп i нестабiльнiсть технологiчного процесу;
2) через складноси бiльшостi технологiчних про-цесiв i виникаючих побiчних явищ важко виявити в« тi параметри процеив, якi дiйсно впливають на екс-плуатацiйнi властивостi виробiв.
Розкриття залежностей мiж якiстю виробу i його експлуатацiйними властивостями базуеться на ви-вченнi фiзичних процесiв руйнування матерiалiв, причому експлуатацiйнi властивостi виробу пов'язаш з показниками надшноси складними емтричними залежностями.
При впровадженнi методу контролю технолопчного процесу та розробленш методу контролю показниюв надiйностi виробiв формула (1) матиме вигляд [6]:
P(t) = n [1 -(1 - Po )(1 - Pxi )]■
(2)
Для використання формули (2) необхщно розро-бити методику визначення Р0 (t), Pxi (t) i пов'язати параметри технолопчного процесу iз показниками надшноси.
3. Мета та задачi дослiдження
Об'ект дослiдження - пошкодження поверхонь ви-литих заготовок тсля рiзних технологiчних маршру-тiв оброблення.
Мета дослiдження полягае в аналiзi впливу загои-вельних операцш технолопчних процеив виготовлен-ня виробiв на забезпечення показникiв якостi, експлу-атацiйних характеристик, надiйностi деталей машин i формування рацiональних технологiчних маршруив оброблення поверхонь.
Технолопчний процес (послцоашсгь операцш, режима оброблення, метода контролю)
Параметра якосп виготовлення виробу (точнкть обробки якгеть новерхн] тощо)
Е кс :> j iv ill ii д i ii 111
властивост! виробу
(зносостшысть. втомна мщшсть тощо)
Покачники над1Йност! {коефодент над1йност1, штенсивтость вщмов, ресурс тощо)
Рис. 2. Схема залежносп показникiв надiйностi вiд рiвня технологiчного процесу [1]
Для досягнення поставленоï мети виршувалися наступш задачi:
- провести аналiз сучасних концепцш оцшювання пошкоджуваностi;
- спланувати та реалiзувати експериментальнi до-слщження впливу рацiонального вибору технолопч-ного маршруту оброблення поверхонь на формування технолопчних пошкоджень;
- на пiдставi експериментальних дослщжень впливу технолопчного маршруту оброблення поверхонь на формування технолопчних пошкоджень розробити рекомендацп стосовно вибору ращонального маршруту та режимiв оброблення для зменшення пошкодже-ностi деталей машин.
4. Формування технолопчних пошкоджень при обробках заготовок
4. 1. Сучасш концепцп оцшювання пошкоджува-ностi матерiалiв i виробiв
Дослiдженнями [4, 5, 9-11] встановлено, що в бага-тьох випадках вщмови виробу пов'язанi i3 технолопею його виготовлення, причому частина вщмов належить до недопустимих, коли '¿х характер i швидкiсть не вщ-повiдають встановленим вимогам (рис. 3).
Перша група причин пов'язана з необгрунтоваш-стю технiчних умов на параметри виробу, що повинш в^ображати основнi вимоги надiйностi (рис. 4). Друга група причин формування до недопустимих вщмов через технолопю, викликана недостатньою надшш-стю самого технолопчного процесу, як складноï ди-намiчноï системи iз великою гальгастю взаемозв'язкiв i множиною вiдправних i вих^них параметрiв. Тре-тя група причин виникнення недопустимих вщмов пов'язана iз залишковими та побiчними явищами, що породженi технологiчним процесом [4, 9], е найменш вивченою.
Необгрунтованють техшчних умов (ТУ)
Вщмови, пов'язаш з технолопею
Недостатня надшшсть технолопчного процесу
ТУ на параметри виробу
ТУ на параметри технолопчного процесу
ТУ на випробування
Запас надшноси технолопчного процесу
Ефектившсть контрольних операцш
Технолопчна надшшсть обладнання
Рис. 3. Класифкафя недопустимих вiдмов, пов'язаних Î3 недосконалктю технологiчних процесiв [4]
Заготiвельнi операцп, зокрема механiчна, хiмi-ко-термiчна обробки формують дефекти структури, яга шд час експлуатацп конструкцп починають ш-тенсивно розвиватися, зароджуючи небезпечнiшi пошкодження у виглядi пор i мжротрщин складноï конфiгурацiï.
Розвиток теорп накопичення розсiяних пошкоджень (дефекив), основнi концепцп якоï сформованi у працях [13, 15-17], дае можливкть проводити аналiз причин погiршення характеристик фiзико-механiчних властивостей матерiалiв виробiв.
Проте, в1дсутшсть ф1зично й експериментально обГрунтованого критер1ю адекватноi оцшки р1вня по-точноi пошкодженост матер1алу стримуе ефективну реал1защю цього шдходу. Ця проблема особливо актуальна при мошторингу залишкового ресурсу (напри-клад, до зародження в матер1ал1 мжротрщин) елемен-ив конструкцш за тривалоi експлуатацп.
Спроба вир1шити це завдання була зроблена, на-приклад, вченими 1нституту проблем машинобуду-вання 1м. А. М. Шдгорного НАН Украiни, що сшльно з фах1вцями 1з РосИ розробили та запропонували нор-мативний документ РД 34.17.440/96, який в 1999 рощ було введено в д1ю [18]. Дослщження реального ресурсу ротор1в, корпусних деталей та шших вщповь дальних деталей турбш дозволили авторам скоригу-вати запропоноваш рашше шдходи й запропонувати простшу, але, на '¿х думку, досить надшну методику визначення коефвдента запасу за граничним р1внем пошкоджуваност матер1алу. Отримаш результати вь дображеш в робот [18], з яко' випливае, що и автори, у зв'язку з вщсутшстю достов1рних моделей, яга опи-сують ганетику накопичення пошкоджень 1, отже, '¿х граничних значень, змушеш були обмежитися визна-ченням коефщ1ента запасу за сумарним граничним по-шкодженням при повзучост (за часом до руйнування) й малоциклово' втоми (за числом цикл1в), використо-вуючи при цьому лшшне сумування пошкоджень.
Для анал1зу та оцшки перетворення неоднорщносп приповерхневих шар1в зразгав, отриманих в умовах лиття, в технолопчш пошкодження при обробщ р1зан-ням, використали метод LM-твердостi. Зпдно цього методу за параметр пошкоджуваноси прийнято ступiнь розсiювання характеристик мехашчних властивостей матерiалу на зруйнованих зразках шсля напрацювання при рiзних рiвнях напружень в зв'язку з тим, що бшьш представницькими щодо кореляцп будь-яко' мехашч-но' характеристики матерiалу та стану структури е не '¿х абсолютнi значення, а деяга похiднi цих значень, зокрема, розаювання результаив вшшрювань, виконаних однако-вими приладами в ¡дентичних умовах. Даний метод найпрость ше реалiзувати, використовую-чи як механiчну характеристику твердеть, значення яко' засто-совують для непрямо' оцiнки властивостей матерiалiв [19, 20].
Параметром, що штеграль-но характеризуе стан матерiалу шд час опрацювання резуль-татiв вимiрювань твердостi, е гомогеннiсть, яка оцшюеться за коефiцiентом Вейбулла (т). Великим значенням коефвдента т вiдповiдае низький рiвень розсiювання характеристик твердостi, низький стушнь пошкоджуваностi; меншим значенням, навпа-ки, вищий ступiнь пошкоджуваностi [19-21].
4. 2. Експериментальш дослiдження впливу технолопчного маршруту оброблення поверхонь на формування пошкоджень i к'х аналiз
Дослiдження проводили на виливках призматич-но' форми 145x60x15 мм iз сплавiв типу АК (рис. 4), отриманих литтям в когаль.
Залишков1 та поб1чш явища
Виникнення технолопчних дeфeктiв
Наступна змша властивостей
Технолопчна спадковють
Рис. 4. Експериментальний зразок-виливок
Технолопчний маршрут отримання та оброблення заготовок мктив наступш варiанти:
Варгант 1
а) лиття в холодний i пвдгрггий кокiлi;
б) чорнове фрезерування поверхонь виливюв: ме-талорiзальний iнструмент - кшцева фреза 0 12 мм (7=2); режими оброблення - глибина рiзання t=1 мм; частота обертання шпинделя п=700 хв-1; ручна подача - Sхв=100-120 мм/хв;
в) чистове фрезерування поверхонь виливкiв: ме-талорiзальний iнструмент - кiнцева фреза 0 16 мм
(г=4); режими оброблення - глибина р1зання 1=0,3+0'05 мм; частота обертання шпинделя п=1050 хв-1; подача -8ХВ=13 мм/хв.
Вар'шнт 2
а) лиття в холодний 1 пвдгртгй ко-кШ;
б) чистове фрезерування поверхонь виливьлв: металор1зальний шстру-мент - кшцева фреза 0 16 мм (г=4); режими оброблення - глибина р1зан-ня 1=0,25+0'05 мм; частота обертання шпинделя п=1050 хв-1; подача - 8ХВ= =13 мм/хв.
Шсля загот1вельно1 операцп та кожного технолопчного переходу ви-значали твердкть методом Роквелла на прилад1 ТР5006 (рис. 5) та розра-ховували коефщ1ент гомогенност1 за формулою [19]:
d (г
2,30259^ (^ (Н))
(3)
де с!(п) - параметр, що залежить вщ юлькосп вим1рювань п
S (^ (Н))^ПТГ (^ (Н')-^ КГ (4)
4? (Н) = --£ 4? (Н.).
(5)
Для кращоi ввдтворюваноси результатiв проводили двi серп дослвдв. Кiлькiсть вимiрювань становила г = 35, d(n = 35) = 1,1284.
Результати опрацьованих експериментальних до-слiджень приведено на рис. 6-9.
значения коефщ1ента гомогенносл Вейбулла, що пов'язано 1з зменшенням пошкоджеиостi матер1алу в зон поля чистово! фрезерно! обробки (рис. 7, 9).
Рис. 6. Коефщ1ент гомогенносл Вейбулла (т) на поверхнях литоТ заготовки, а також п1сля чорновоТ та чистовоТ фрезерних обробок: а, б — виливки, отримаш з
одшеТ плавки (1, 4 — розлит1 в холодш кок1л1; 2, 3, 5 — розлит в п1Д1гр1т1 кок1л1), Т — порядковий номер експериментального досл1дження
Результати дослiджеиь показали зростання зна-чення коефiцiеита Вейбулла при формоутворенш ви-ливкiв в умовах зменшення температурного поля мiж металом, який кристалiзуеться, i формою (рис. 8, 9). Це пояснюеться меншим рiвнем розвитку неоднорщ-ностей в умовах кристалiзацii.
Аиалiз результатiв на поверхш, отримаиоi пiсля чорнового фрезерування на глибину 1 мм, показав менше значення коефiцiеита гомогеииостi Вейбулла т, що пов'язано iз зростанням пошкодженост матерiалу в деформацiйиiй зоиi обробленого шару. Проведення чистового фрезерування пюля чорнового на глибину 0,3 мм сприяло зростанню коефiцiеита гомогеииостi Вейбулла, що обумовлено зняттям шару металу з роз-виненою пошкоджеиiстю при даиiй обробцi (рис. 6, 8).
Дослщження заготовок, почергово оброблених чистовим фрезерування при рiзаннi на глибини Ь1= = 0,3 мм; Ь2=0,6 мм, засвiдчили зростання на 26-84 %
Рис. 7. Коефщ1ент гомогенност1 Вейбулла (т) на поверхнях литоТ заготовки, а також пюля двох чистових фрезерних обробок: а, б — виливки, отримаш з одшеТ плавки (1, 4 — розлит в холодш кок1л1;
2, 3, 5 — розлит в тд1грт кокт1), Т — порядковий номер експериментального дослщження
Локальна природа руйнування в умовах рiзання обумовлюе потребу в дослщженш процесу накопи-чення пошкоджень у матерiалах при обробщ. Багато-стадiйиий процес руйнування мютить иаступиi етапи:
1) накопичення пошкоджень i порушення сущль-ноот матерiалу в полi напружень i деформацiй;
2) розвиток мiкротрiщии в середовищi з дефектами;
3) рют трiщии i вiдокремлеиия матерiалу при за-даних на границях заготовки навантаженнях i пере-мшеннях.
де
Рис. 8. Розподт коефщ1ента гомогенност Вейбулла (т) по глибин1 поверхневого шару матер1алу (h) для першого вар1анта технолог1чного маршруту отримання та оброблення заготовок
Загальна пошкоджешсть матерiала W: 0 < W < 1. (9)
Прирiст пошкодженостi: ДW = dWn + dWp, (10)
dWn = dWn (т,Wn,Wp)
dWp = dWp (т,Wn,Wp). Загальний прирют пошкодженостi:
Рис. 9. Розподт коефщ1ента гомогенност1 Вейбулла (т) по глибин1 поверхневого шару матер1алу (h) для другого вар1анта технолопчного маршруту отримання та оброблення заготовок
У быьшост робiт механiки, що описують пошкоджешсть, 11 утворення не пов'язуеться iз структурою матерiалiв. I тыьки при використаннi енергетичних пiдходiв для опису проце^в накопичення пошко-джень [22], розглядають, що в результат в'язко-плас-тично! деформацп розвиваються два види мжропо-шкоджень - по тыу i по границях зерен. Внутр^шми змiнними, що визначають процеси накопичення по-шкодження е скалярш параметри - енергiя пошко-дженос^ по тiлу зерна Wp i енергiя пошкоджень по границях зерен Wn:
Wk ^ к = р,п.
(6)
Потужшсть Wk залежить вiд iсторií в'язко-плас-тичного деформування матерiалу. Пошкодженiсть по тыу i по границях зерен характеризуеться вщповщно вiдносними параметрами пошкодженост Wp i Wn i вщповщно:
0 < Wp < 1, 0<Ш <1.
(7)
ДШ = + dW„
ДШр = ДШрК + ДШр5
(11) (12) (13)
де ДШпк, ДШп5 - прирости зерно-гранично1 пошкод-женост вiдповiдно за рахунок в'язко-пластичного деформування i в результатi змiни умов деформування; ДШрК, ДШр5 - прирости внутр^ньо-зеренно! пошко-дженостi вщповщно за рахунок в'язко-пластичного деформування i в результатi змiни виду напруженого стану i температури.
При дп зовнiшнього навантаження в деталях вщ границь зерен, що виходять на поверхню утворюються дислокацп. У результатi рiзницi пружних характеристик мiж зернами полжристала на пружнiй стадп навантаження поблизу мiжзеренних границь вини-кають концентрацп напружень. Величина напружень е тим быьшою, чим бiльша рiзниця пружних модулiв контактуючих кристалiв. Найбiльший рiвень напружень спостерiгаеться в облас^ потрiйних стикiв зерен i границь, що виходять на поверхню. Тут вщбуваеться зародження пластичних зсувiв при зростанш наван-тажень.
Кожне поверхневе пластично деформоване зерно е концентратором напружень i сприяе пластичнш деформацп контактуючих з ними зерен. Особливо быя тих дiлянок границь, де дшть максимальнi напружен-ня зсуву. 1нтенсивна деформацiя поверхневих зерен пов'язана iз 1х бiльшою свободою формозмши порiвня-но iз зернами всередиш полiкристала.
Вирiшальну роль у формуванш пошкоджень i про-цесах мiжзеренного руйнування конструкцiйних сталей вшграють великокутовi границi зерен. Вплив границь роздыу рiзного походження на процеси деформацп i руйнування сталей е невивченим. Значною мiрою це пов'язано iз тим, що в юнуючих моделях границь зерен будова i структурно-фазовий стан пригра-ничних зон зерен не враховуеться.
Структуру границ зерна i приграничного шару розглядають як функцiонально-градiентну [23]. При переходi вiд однорiдного розподыу властивостей в об'емнiй частинi кристалiчного тiла е масовий вихiд дислокацш i формуеться перша зона з шдвищеною гус-тиною лiнiйних дефек^в, в якiй напруження стиску
зберпають форму i властивостi об'емiв середини зерна. В цш зош закладаються неоднорiднiсть геометрич-них i енергетичних властивостей, якi проявляються в наступних зонах приграничного шару, залежно вщ стадii еволюцii дислокацiйноi шдсистеми (хаотичний розподiл дислокацiй, клубки, ко]шрки, фрагменти). Дислокацiйну структуру зони можна розглядати, як результат дисипацп пружно! енергii, яка призводить до самооргашзацп нерiвноважних структур, забезпе-чуючи стабшьшсть системи зерен.
Наступна зона мае рихлу, пористу структуру, пов'я-зану з обривом дислокацш в першш зонi. З нiй присутнi напруження розтягу. У пористш частинi приграничного шару напруження розтягу збшьшують перюди грат-ки, тому енерпя цiеi зони мае бiльше значення порiвня-но з енергiею об'емно! частини кристалiчноi гратки.
Вакансiйне перенасичення перехщного поверх-невого шару приводить до формування в системi структурно-концентрацшних неоднорiдностей. Результатом хiмiчноi взаемодп насичено! вакансiями кристалiчноi гратки з фазами е утворення третьо! зони нестехюметричного перехiдного шару iз наявними з'еднаннями, хiмiчний склад яких може змшюватись. Ця зона нестехiометрii е зоною ряду твердих розчишв або адгезшно-закршлюючим шаром, де утворюються фази нестехюметричного складу i фази, яю характернi для внутрiшнiх об'емiв зерна. У цьому шарi для роз-мiщення атомiв е вiдсутнiм стабшьне координацiйне число, яке мае мюце в кристалiчно-впорядкованiй цен-тральнiй частиш зерна. У результатi маемо хiмiчну нестабiльнiсть шару, оскiльки координацiйне число матерiалу може змiнюватися внаслiдок реакцп на зов-нiшнi умови - температуру i механiчнi навантаження.
При дп зовнiшнiх навантажень в пористш структу-рi вiдбуваються внутрiшнi перетворення в найбшьш енергетично вигiдну для сприйняття навантаження локальну структуру [22]. У зв'язку з тим, що при ство-ренш i експлуатацп матерiалiв дефекти кристалiчноi структури виникають як результат дисипацп енергп, внесено! в матерiал, границi представляють собою локальш об'еми, в яких вщбуваеться накопичення дефектiв i перебудова структури аналопчно фазовим переходам другого роду. Бар'ер енергп активацп фазо-вих переходiв долаеться при навантаженнi матерiалу в процесi експлуатацii.
Одним з головних факторiв, який визначае власти-востi границь, е пустотно-шорстка пориста структура. Залежно вщ вшьного або надлишкового об'ему (пористосп) i зернограничних дефектiв, одна i та сама границя мае рiзнi властивостi. Мiрою вiдхилення границ розподiлу вiд рiвноваги е величина вшьного об'ему, яка визначаеться питомою кшькютю пустот на одиницю плошд поверхш границi:
границя перетворюеться в двi невзаемодiючi поверхнi. Залежнiсть енергп границь зерен вщ величини вшьного об'ему представлена на рис. 10.
V =-
Б
(14)
де У( - абсолютний об'ем мiжчастинних пустот в мате-рiалi структурного елемента в межах граничного шару; Б - площа границi структурного елемента. В якосп пустот можуть бути пори, несуцшьносп, вакансii, ва-кансiйнi кластери мжро- та наноскопiчних розмiрiв. 1снуе деякий критичний вшьний об'ем у]", при якому
Рис. 10. Залежшсть енергп границь пол1кристал1чних сплав1в в1д величини вшьного об'ему [17]: 2yS — енерпя двох невзаемод1ючих поверхонь зародка руйнування; — енерг1я р1вноважних границь зерен; — штервал можливих значень енерг1Т границь
Досягнення на границях роздшу структурних еле-ментiв критичного значення вiльного об'ему (у") е небезпечним, оскiльки в цьому випадку формуються пори i трiшини, якi призводять до руйнування сплаву. При певному значенш вшьного об'ему (V0) енерпя гра-нищ вiдповiдае рiвноважнiй у. В iнтервалi вiльного об'ему вщ V0 до у" може шнувати не одна, а декiлька можливих нерiвноважних границь.
У процесi мiжзеренного руйнування матерiалу утворюються новi поверхш. У випадку крихкого мiж-зеренного руйнування при вщсутносп пластично! де-формацii поблизу границi енергiя руйнування визначаеться сшввщношенням:
У* =2Тб - ТЬ ,
(15)
де уз - поверхнева енергш; уь- вiльна енергiя границь зерна. У зв'язку з тим, що енерпя гранищ зерна у ь за-лежить вiд зерногранично! структури, енерпя мiжзе-ренного руйнування у * також залежить вщ структури. У випадку, коли пластична деформащя супроводжуе мiжзереннi руйнування, його енерпя у * е бшьшою, шж при вiдсутностi, а вплив зерногранично! структури е сильнiшим. Мiжзеренне руйнування сплавiв вiдбува-еться внаслщок концентрацii напружень, яка обумов-лена розвитком зернограничного проковзування на рiзних нерегулярностях довiльних границь - уступах, видшеннях, потрiйних стиках [22]. Ступшь проковзу-вання залежить вiд структури сплавiв. Малокутовi i спецiальнi гранищ мають нижчi значення гранично! енергп уь, нiж довiльнi границi. Тому вони е стшкп шими до мiжзеренного руйнування, яке по границях цих тишв не вiдбуваеться. Трщина, яка зароджуеться на довiльнiй гранищ, рухаеться по граничним поверх-ням, вибираючи в кожному потршному стику. Фак-тори, якi зменшують когезивну мщшсть довiльних границь, збшьшують ймовiрнiсть проходження через них трщин.
Таким чином, вплив режимiв рiзання на техноло-гiчну пошкоджуванiсть в значнш мiрi пов'язаний з формуванням пустотно-шорстких пористих структур
границь i потрiйних зеренних стикiв, як виходять на оброблену поверхню. При чорнових обробках питома кiлькiсть пустот на одиницю плошд поверхнi границi наближаеться до критичного в^ьного об'ему у£к, при якому границя може перетворюватися в двi не вза-емодiючi поверхнi. Пiсля чистових обробок питома юльюсть пустот на границях зерен е меншою i тому 'х роль, як структурних концентраторiв напружень тд час експлуатацii виробiв, зменшуеться.
5. Висновки
В результат проведених дослщжень:
- показано, що оцшку поточно' пошкодженост поверхневих шарiв виробiв пiсля обробки рiзанням доцiльно проводити за ступенем розаювання характеристик твердоси;
- на основi проведених дослщжень встановлено, що внаслiдок структурно' спадковоси фiзична та хiмiчна неоднорвдноси, що формуються пiд час твердшня й утворення структури заготовки, у визначених випад-ках трансформуються у пошкодження при технолопч-них обробках;
- тдвищення силових навантажень при чорново-му мехашчному обробленнi, зокрема, фрезеруваннi,
сприяе отриманню в заготовках градiентноi структури та зростанню пошкодженост поверхневих шарiв. Зниження силових характеристик процесу рiзання на чистових режимах, з огляду на формування пустот-но-шорстких пористих структур границь i потрiйних зеренних стикiв, зменшуе кiлькiсть структурних кон-центраторiв напружень, що мае позитивний вплив на поведшку деталей пiд час експлуатацп.
Подальшi дослiдження у цьому напрямку:
- оптимiзацiя структури технолопчних процесiв iз врахуванням технологiчноi спадковост при ращ-ональному поеднаннi загоивельних, промiжних, фь нiшних i викшчувально-змщнювальних операцiй;
- встановлення безпосереднiх зв'язюв мiж показ-никами надiйностi та технолопчними параметрами;
- розроблення практичних рекомендацш по вико-ристанню енергоощадних технологш, зокрема вiбра-цiйних, для покращання експлуатацшних характеристик деталей машин;
- застосування методу LM-твердостi для розра-хунку граничного рiвня пошкоджуваностi матерiалу з подальшим визначенням коефiцiентiв запасу при мониторингу поточного та критичного стану конструк-ци за розсiяними пошкодженнями, а також прогно-зування кшетики змши цих коефiцiентiв в процеа напрацювання.
Лiтература
1. Кусий, Я. М. Розроблення методу в1брацшно-вщцентрового змщнення для технолопчного забезпечення безвщмовносп деталей машин / Я. М. Кусий, А. М. Кук / Схщно-бвропейський журнал передових технологш». - 2015. - Т. 1, № 7 (73). -С. 41-51. doi: 10.15587/1729-4061.2015.36336
2. Александровская, Л. Н. Современные методы обеспечения безотказности сложных технических систем [Текст]: учебник / Л. Н. Александровская, А. П. Афанасьев, А. А. Лисов. - М.: Логос, 2001. - 208 с.
3. Суслов, А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин [Текст] / А. Г. Суслов. - М.: Машиностроение, 2000. - 320 с.
4. Проников, А. С. Надежность машин [Текст] / А. С. Проников. - М. : Машиностроение, 1978. - 592 с.
5. Инженерия поверхности деталей [Текст] / под ред. А. Г. Суслов. - М.: Машиностроение, 2008. - 320 с.
6. Кузш, О. А. Вплив технолопчно! спадковост на параметри надшносп вироб1в [Текст] / О. А. Кузш, Я. М. Кусий, В. Г. Тотльницький / Технологический аудит и резервы производства. - 2015. - Т. 1, № 1 (21). - С. 15-21. doi: 10.15587/ 2312-8372.2015.37678
7. Ящерицын, П. И. Технологическая наследственность в машиностроении [Текст] / П. И. Ящерицын, Э. В. Рыжов, В. И. Аверченко. - Минск: Наука и техника, 1977. - 256 с.
8. Маркарян, Г. К. Технологическая наследственность при образовании поверхности закаленных деталей машин [Текст] / Г. К. Маркарян // Физика резания металлов. - 1971. - Вып. 1. - С. 32-34.
9. Афтаназ1в, I. С. Технолопчне забезпечення надшносп деталей машин: конспект лекцш для студенпв спещальност 7.090202 "Технолопя машинобудування" [Текст] / I. С. Афтаназ1в. - Льв1в: ДУЛП, 1998. - 132 с.
10. Божидаршк, В. В. Технолопя виготовлення деталей вироб1в [Текст]: навч. пос. / В. В. Божидаршк, Н. С. Григор'ева, В. А. Шабайкович. - Луцьк: Надстир'я, 2006. - 612 с.
11. Кусий, Я. М. Технолопчне забезпечення ф1зико-мехашчних параметр1в поверхневих шар1в металевих довгом1рних цилш-дричних деталей в1брацшно-вщцентровим змщненням [Текст] : дис... канд. техн. наук / Я. М. Кусий. - Льв1в, 2002. - 260 с.
12. Durham, S. D. Cumulative damage models for system failure with application to carbon fibers and composites [Text] / S. D. Durham, W. I. Padgett. // Technometrics. - 1997. - Vol. 39, Issue 1. - P. 34 44. doi: 10.2307/1270770
13. McEvily, A. J. Metal failures: mechanisms, analysis, prevention [Text] / A. J. McEvily. - John Wiley & Sons, 2002. - 324 p.
14. Zohdi, T. I. An introduction to computational micromechanics [Text] / T. I. Zohdi, P. Wriggers. - Springer, 2005. - 198 p. doi: 10.1007/978-3-540-32360-0
15. Качанов, Л. М. Основы механики разрушения [Текст] / Л. М. Качанов. - М.: Наука, 1974. - 308 с.
16. Работнов, Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела [Текст] / Ю. Н. Работнов. - М.: Наука, 1979. - 744 с.
17. Kundu, T. Fundamentals of fracture mechanics [Text] / T. Kundu. - CRC Press, Taylor and Francis Group, Boca Raton, FL, USA, 2008. - 304 p.
18. ШульженкоМ. Г., Методолопя розрахунково! оцшки шдивщуального ресурсу парових турбш ТЕС i ТЕЦ [Текст] / М. Г. Шульженко, П. П. Гонтаровський, Ю. I. Матюхш, О. В. Пожидаев. - Щльова комплексна програма НАН Украши
«Проблеми ресурсу i безпеки експлуатацп конструкцш». Збiрник наукових статей з результатами, отриманими в 20072008 рр. - К.: 2009. - С. 682-686.
19. Лебедев, А. А. Метод диагностики состояния материала по параметрам рассеяния характеристик твердости [Текст] / А. А. Лебедев, Н. Р. Музыка, Н. Л. Волчек // Завод. лаб. - 2003. - № 12. - С. 49-51.
20. Lebedev, A. A. A new method of assesment of material degradation during its operating time [Text] / A. A. Lebedev, N. R. Muzyka, N. L. Volchek // Zaliznychnyi Transport Ukrainy. - 2003. - Vol. 5. - P. 30-33.
21. Кузш, О. Вплив умов отримання виливгав на формування технолопчних пошкоджень [Текст]: тези доповщей / О. Кузш, Я. Кусий, В. Тотльницький / 12-й Мiжнародний симпозiум укра'шських iнженерiв-механiкiв у Львов^ 2015. - С. 115-116.
22. Кузш, О. А. Структура i мiжзеренна пошкоджувашсть сталей [Текст] / О. А. Кузш, М. О. Кузш // Укра'шська академ1я дру-карства, науюж записки. - 2013. - № 4 (45). - С. 99-115.
23. Куликов, Д. В. Физическая природа разрушения [Текст]: учеб. пос. / Д. В. Куликов, Н. В. Мекалова, М. М. Закирничная. -Уфа: УГНТУ, 1999. - 239 с.
-□ □-
У роботi пропонуеться споЫб прогнозу-вання геометричних характеристик звар-них з'еднань з титанового сплаву ВТ6С в залежностi вид параметрiв зварювання порожнистим катодом у вакуумi. Даний метод забезпечуе високу точтсть роз-рахунку розмiрiв зварного шва i може застосовуватися у виробничих умовах для забезпечення необхдних параметрiв яко-стi з'еднання та технологiчних параме-трiв зварювального процесу
Ключовi слова: високомщт титановi сплави, математична фiзика, зварюван-ня полим катодом, математичне моделю-вання
□-□
В работе предлагается способ прогнозирования геометрических характеристик сварных соединений из титанового сплава ВТ6С в зависимости от параметров сварки полым катодом в вакууме. Данный метод обеспечивает высокую точность расчета размеров сварного шва и может применяться в производственных условиях для обеспечения необходимых параметров качества соединения и технологических параметров сварочного процесса
Ключевые слова: высокопрочные титановые сплавы, математическая физика, сварка полым катодом, математическое
моделирование -□ □-
УДК 621.791.754'293
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.59790|
РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАЗМЕРОВ ЗОНЫ ПРОПЛАВЛЕНИЯ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ПОЛЫМ КАТОДОМ ТИТАНОВЫХ ШАРОБАЛЛОНОВ
В. А. Перерва
Научный сотрудник* E-mail: [email protected] Е. В. Карпович
Кандидат технических наук, доцент* E-mail: [email protected] А. В. Федосов
Аспирант* E-mail: [email protected] *Кафедра технологии производства Днепропетровский национальный университет им. О. Гончара пр. Гагарина, 72, г. Днепропетровск, Украина, 49010
1. Введение технологических приемов. В зависимости от толщины и конфигурации свариваемых кромок, при свар-Значительная часть сварных конструкций в ре- ке с полным проплавлением, могут использоваться активных двигательных установках ракет-носителей специальные подкладки, устанавливаемые с обрати авиационной техники выполняется методом авто- ной стороны шва, или замковые соединения. Окон-матической аргонно-дуговой сварки с неплавящимся чательная конфигурация сварного соединения в кон-электродом. При этом в узлах и агрегатах преобла- струкции достигается последующей механической дают стыковые сварные соединения из коррозион- обработкой. Однако данная технология применима ностойких материалов, требуемое качество которых только для соединений с доступом к верхней и ниж-обеспечивается не только тщательным контролем ре- ней поверхности зоны сварки на всех этапах техноло-жимов сварки, но и за счет применения специальных гического процесса и не может использоваться для
©
