Исследование изменения упругих свойств поверхностного слоя в результате поверхностного пластического деформирования

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

М. М. Матлин, д-р техн. наук, А. И. Мозгунова, канд. техн. наук, А. И. Фролова, студент
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ УПРУГИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ
Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: detmash@vstu. ru)
В работе исследовано влияние поверхностного пластического деформирования на изменение упругих и физико-механических свойств материала детали. На основе полученных зависимостей разработан метод прогнозирования изменения упругих и прочностных свойств поверхностного слоя материала детали при упрочняющей обработке, а также определения по изменению этих свойств степени упрочнения материала.
Ключевые слова: поверхностное пластическое деформирование, наклеп, модуль упругости, коэффициент Пуассона, упрочнение, упругопластическая деформация, твердость, предел текучести, предел прочности, интенсивность деформации, модуль упругости, индентор, растяжение, диаметр остаточного отпечатка
The influence of surface plastic deformation on the change of elastic and physico-mechanical properties of the material details was researched in the work. On the basis of relationships which were received the method of forecasting changes in the elastic and strength properties of the surface layer of the material detail in the hardening process, as well as the method of the definition of these properties, the degree of hardening of the material was worked out.
Keywords: surface plastic deformation, hardening, module of elasticity, Poisson'-s ratio hardening, elasto-plastic deformation, hardness, limit of fluidity, limit of strength, intensity of deformation, module of elasticity, indenter, stretching, diameter of a residual print.
В современной технике широко используются детали, материал которых был предварительно упрочнен. Применение методов поверхностного пластического деформирования (ППД), изменяющего в широких пределах свойства поверхностного слоя, занимает важное место среди технологических способов, повышающих надежность деталей. Следует подчеркнуть, что из большого количества деталей в машине упрочнению подвергают лишь те, которые определяют надежность и долговечность машины в целом. К таким деталям относятся, например, детали, для которых возможны усталостное разрушение (валы, торсионы, коленчатые и кулачковые валы, шатуны, пружины и др.) — детали, работающие в условиях высоких скоростей относительного перемещения при недостаточной смазке (поршни, поршневые кольца, плунжеры и др.) — детали, работающие в условиях абразивного изнашивания (пальцы трака, опорные ролики).
Упрочнение деталей поверхностным пластическим деформированием (ППД) получило
значительное развитие во второй половине 20 века. В настоящее время ППД широко используется в промышленности благодаря следующим основным достоинствам: простота
практической реализации- относительно низкая стоимость- доступность как в заводских условиях, так и в ремонтных мастерских- высокая эффективность. В результате упрочнения ППД удается повысить запасы прочности деталей, работающих при переменных нагрузках в 1,5 … 3,0 раза, а срок службы повысить в десятки раз.
Однако существующие теории пластичности подразумевают, что модуль нормальной упругости материала не зависит от пластической деформации и на этом основании упругие деформации в пластически деформированном материале определяются по закону Гука, в котором используются неизменные значения модуля нормальной упругости, соответствующие их значениям для недеформированного материала. В последние годы выполнен целый ряд исследований, авторы которых стремились
оценить степень пластической деформации металла по изменению его характеристик: модуля упругости, коэффициента Пуассона, а также предела текучести, твердости и др. При этом к настоящему времени еще не сформулированы окончательные представления о характере изменения указанных характеристик от степени пластической деформации.
Так, в работах [1, 2, 3] указано, что модуль нормальной упругости Е снижается с ростом степени остаточной деформации, а в работах [4, 5, 6] в результате экспериментального исследования установлено, что с ростом степени пластической деформации (вызванной поверхностным наклепом или растяжением) Е вначале уменьшается, а затем возрастает. В работе [5] отмечено, что в условиях гидростатического сжатия модуль нормальной упругости повышается. В работе [7] в результате опытов было установлено, что модуль нормальной упругости меди вначале пластической деформации резко падает, а при дальнейшей деформации медленно возрастает. У никеля после резкого падения значения Е при 2% пластической деформации дальнейшего уменьшения модуля Е почти не происходит. В работе [8] отмечено, непосредственно перед разрушением (образованием трещин) значение модуля Е уменьшается на 30%. В работе [3] экспериментально установлено, что после растяжения образца предел текучести повысился. В работе [9] экспериментально показано, что предел текучести материала сталей 20, 30 и 45 при повторно-пластических деформациях увеличивается. В работе [10] для ряда углеродистых сталей, наклепанных растяжением, установлено, что твердость упрочненного материала увеличивается. При этом в предположении, что упругие свойства (Е, ц) практически не зависят от наклепа, показано, что и предел текучести ст при наклепе возрастает. Следует подчеркнуть, что в работах [1−3, 5−9] упругие и прочностные характеристики материала определяли путем растяжения, сжатия или кручения образцов и только в работе [4] использовали метод кинетического индентиро-вания в предположении линейной зависимости между модулем контактной упругости и модулем упругости при растяжении.
Как известно, состояние поверхностного слоя детали во многом определяет ее нагрузочную способность, особенно в условиях воздействия переменных во времени нагрузок. При этом интересно отметить, что как показали
рентгеноструктурные исследования [11], даже при растяжении стальных образцов пластическая деформация впервые возникает на поверхности, а сердцевина образца при этом еще находится в упругом состоянии. В связи с этим наиболее информативными являются не усредненные по объему физико-механические свойства материала детали, которые дают традиционные методы испытаний, а указанные свойства ее поверхностного слоя.
Для определения физико-механических свойств поверхностного слоя авторы использовали методы определения модуля нормальной упругости и предела текучести, предложенные соответственно в работах [12] и [13], а также метод определения контактного модуля упрочнения материала [10, 14, 15], которые базируются на закономерностях упругопластического внедрения индентора в испытуемую поверхность детали.
Исследования проводили на плоских образцах по ГОСТ 1497–84 [16] (рис. 1, а), также на плоских ступенчатых образцах [1] (рис. 1, б), позволяющих за одно растяжение получить разные уровни деформирования металла: исходное состояние, различные уровни деформации, включая зону разрушения. Испытания на растяжение проводили с помощью программно-технического комплекса для испытания металлов (оснащенного перснальным 1ВМ) ИР 5143−200.
а
б
Рис. 1. Исследуемые образцы (стандартный — а, ступенчатый — б) после растяжения
На поверхности образца путем вдавливания с помощью пресса Бринелля ТШ-2 сферического индентора с радиусом Я = 2,5 мм различными контактными нагрузками на индентор (в диапазоне от 1635 до 9810 Н) измеряли диаметр й0 остаточного отпечатка, также величины, а и к. Каждый опыт повторяли 3 … 5 раз. Диа-
метр й0 измеряли в двух взаимно перпендикулярных направлениях на инструментальном микроскопе МИМ — 2 (с ценой деления 0,005 мм). Вычисляли среднее значение измеряемых величин. Измерение величин, а и к в контакте стальных инденторов с испытуемой поверхностью плоских образцов проводили до и после растяжения (с разной степенью пластической деформации), а также спустя 72 часа и 100 дней с помощью приспособления для измерения контактных деформаций.
В основу метода определения упругих свойств материала положен принцип [17], согласно которому при наличии остаточного отпечатка на поверхности испытуемого материала упругую обратимую (исчезающую при разгрузке) часть полного сближения в упругопластическом контакте упругого сферического индентора с плоской поверхностью детали вычисляют в соответствии с теорией об упругой разгрузке [18], справедливой в условиях, когда разгружение было простым (как в рассматриваемом случае), то есть когда внешние силы уменьшаются пропорционально общему параметру.
При оценке изменения упругих свойств материала в зависимости от условия его предварительной пластической деформации учитывали то обстоятельство, что может происходить одновременное изменение как модуля нормальной упругости Е2, так и коэффициента Пуассона ц2 испытуемого материала детали. В связи с этим определяли коэффициент к 2 =(1 — Ц 2)/ПЕ 2, зависящий от комплекса упругих свойств испытуемого материала.
На основании работы [12] получили
(1)
Р жЕ1
где Р — контактная нагрузка- Я — радиус сферического индентора- а — полное сближение детали- к — глубина остаточного отпечатка на поверхности детали- Е] и ц, 1 — соответственно модуль нормальной упругости и коэффициент Пуассона материала индентора.
По значениям Р, а, к и Я вычисляли по формуле (1) величину коэффициента к2, а по значениям Р, к и Я вычисляли по формуле (2) [10, 14, 15] величину контактного модуля упрочнения (пластическую твердость НД) материала образца:
НД = -. (2)
2лЯк
По значениям Р, а?0, Я и НД вычисляли по формуле (3) [13] условный предел текучести ст материала образца
«= 0,955(1 — 2ц 2) Р. (3)
78
ё.
Р
— 9,43?і -

(1 — 2Д 2)
245/ НД
В качестве примера в табл. 1, 2 и 3 показано, как изменяется коэффициент к2, характеризующий упругие свойства материала, контактный модуль упрочнения НД и условный предел текучести ст для стали 40Х в зависимости от относительного сужения у при растяжении образца.
Отметим, что значения относительных сужений при растяжении образца, приведенные в табл. 1, 2 и 3, сопоставимы с величиной предельного равномерного сужения для материала испытуемого образца (уравн = 11%), поскольку,
Таблица 1
Зависимость коэффициента к2 от относительного сужения у при растяжении образца (Сталь 40Х)
Относительное сужение образца при растяжении у, % Сразу после растяжения Через 72 часа Через 100 дней
Полное сближение а, мм Глубина остаточного отпечатка к, мм Коэффициент к2, МПа'-1 (ф. 1) Полное сближение а, мм Глубина остаточного отпечатка к, мм к2 т н) е1 и. и (7 Ф сЗ 8 с КоМ Полное сближение а, мм Глубина остаточного отпечатка к, мм к2 т н) е1 и. и (7 Ф сЗ 8 с КоМ
о 0,232 0,191 1,32−10−6
10,8 0,183 0,145 0,82−10−6 0,199 0,152 1,42−10−6 0,197 0,156 1,08−10−6
14,5 0,189 0,149 0,97−10−6 0,203 0,155 1,53−10−6 0,194 0,151 1,17−10−6
19,4 0,173 0,139 0,53−10−6 0,183 0,145 0,89−10−6 0,176 0,144 0,47−10−6
Таблица 2
Зависимость контактного модуля упрочнения (пластической твердости) НД от относительного сужения у при растяжении образца (Сталь 40Х)
Относительное сужение образца при растяжении у, % Нагрузка на сферический индентор Р = 6540Н
Сразу после растяжения Через 72 часа Через 100 дней
2 2 2 О сЗ рнс Ион [-нОО Твердость Н Д, МПа (ф. 2) Глубина остаточного отпечатка к, мм й ?2 о ¦& amp- ердо (а еП н І Глубина остаточного отпечаткак, мм й ?2 о ¦& amp- ердо (а еП н І
0 0,191 2180 — - - -
10,8 0,145 2870 0,152 2740 0,156 2670
14,5 0,149 2790 0,155 2690 0,151 2750
19,4 0,139 2995 0,145 2870 0,144 2890
Таблица 3
Зависимость условного предела текучести ст0& gt-2 от относительного сужения у при растяжении образца (Сталь 40Х)
Относительное сужение образца при растяжении у, % Нагрузка на сферический индентор Р = 6540Н
Сразу после растяжения Через 72 часа Через 100 дней
Диаметр остаточного отпечатка0, мм и т с е) уче).3 =3 8 Є 1 ^ § ^ «у & amp-, Р ^ С О Диаметр остаточного отпечатка, мм Условный предел текучести ст-р, МПа (ф. 3) Диаметр остаточного отпечатка с?0, мм и т с е) уче).3 =3 8 Є 1 ^ § ^ О
0 2,02 463 — - - -
10,8 1,81 618 1,86 577 1,85 553
14,5 1,79 639 1,85 595 1,83 566
19,4 1,75 680 1,79 642 1,77 613
как известно [15], при упрочнении деталей поверхностным пластическим деформированием оптимальное значение пластической деформации на упрочняемой поверхности должно быть равно (или несколько меньше) значению предельной равномерной.
Как видно из табл. 1, 2 и 3, с ростом пластической деформации (то есть с увеличением относительного сужения у) образца при растяжении величины контактного модуля упрочнения НД и условного предела текучести ст возрастают, а значение коэффициента к2 снижается. Уже спустя 72 часа наблюдается существенное повышение значения коэффициента к2 практически до исходных, а спустя 100 часов значения коэффициента к2 снова снижаются (изменение составляет 15… 20%). Таким образом, изменения значения коэффициента к2 не является стабильной по времени величиной, характеризуя лишь качествен-
ное изменение упругих свойств материала. Величины контактного модуля упрочнения НД и условного предела текучести ст после упрочнения практически не изменяются с течением времени (изменение составляет 5. 10%).
Выводы
1. Исследована зависимость упругих и пластических свойств материала от степени пластической деформации.
2. Установлено, что изменение модуля упругости Е не может в полной мере служить параметром оценки степени упрочнения материала, так как с течением времени наблюдается восстановление упругих свойств.
3. Отмечено, что более стабильными во времени являются контактный модуль упрочнения НД и условный предел текучести ст (как видно из табл. 2 и 3 их изменение с течением времени не превышает 5 … 10%).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лебедев, А. А. Контроль состояния металла в процессе наработки методом ЬМ-твердости / А. А. Лебедев // VI Международный симпозиум «Современные проблемы прочности»: науч. тр. — Великий Новгород, 2003. — Т. 1. -С. 195−212.
2. Скуднов, В. А. Предельные пластические деформации металлов / В. А. Скуднов. — М.: Металлургия, 1989. -
176 с.
3. Жуков, А. М. Упругие свойства пластически деформированного металла и сложное нагружение / А. М. Жуков // Инженерный сборник. — 1960. — Т. XXX. — С. 3−16.
4. Павленко, Д. В. О структурных изменениях поверхностного слоя сплава ЭК79-ИД после упрочняющей обработки / Д. В. Павленко, С. В. Лоскутов, В. К. Яценко, Н. В. Гончар // Письма в ЖТФ. — 2003. — Т. 29, вып. 8. — С. 79−83.
5. Бастун, В. Н. Влияние характера напряженного и деформированного состояний на модуль упругости сталей /
B. Н. Бастун, Н. И. Черняк // Проблемы прочности. — 1971. -№ 9. — С. 52−55.
6. Островский, А. А. Влияние предварительной пластической деформации на величину модуля упругости стали / А. А. Островский // Проблемы прочности. — 1975. -№ 4. — С. 93−94.
7. Созонов, Ю. А. Об изменении модулей упругости меди и никеля в процессе пластической деформации / Ю. А. Созонов // Труды ленинградского политехнического института, № 278. — Ленинград, 1967. — С. 35−37.
8. Безъязычный, В. Ф. Проблемные вопросы упрочнения поверхностных слоев металлов и сплавов при пластической деформации и представление о наклепе / В. Ф. Безъязычный, Б. М. Драпкин, М. В. Тимофеев, М. А. Прокофьев // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2005. — № 1. -
C. 3−6.
9. Беленький, Д. М. Изменение механических свойств стали при упругопластическом деформировании / Д. М. Беленький, А. В. Ищенко, Л. Г. Шамраев // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. — І999. — Т. 65. — № 8. -
С. 52−55.
10. Дрозд, М. С. Определение механических свойств металла без разрушения / М. С. Дрозд. — М.: Металлургия, І965. — І7І с.
11. Radhakrishnan, V. M. Relaxation of residual stress with fatigue loading / V. M. Radhakrishnan, C. R. Prasad // Eng. Fract. Mech. — І976. — 8, № 4. — P. 593−597.
12. А.с. І44 795І ССР, МКИ 00І N 3/42 Способ определения физико-механических свойств материала / М. С. Дрозд, М. М. Матлин. — Опубл. 30. 03. 85, Бюл № І2.
13. Пат. 2 086 947 Российская Федерация, МКИ6 00І N 3/00. Способ определения предела текучести материалов / Ю. И. Славский, М. М. Матлин. — Опубл. І0. 08. І997, Бюл. № 22.
14. ГОСТ І8835−73. Металлы. Метод измерения пластической твердости. — Введ. 0І. 0І. 74. — М.: Издательство стандартов, І973. — 8 с. — (Межгосударственный стандарт).
15. Дрозд, М. С. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации / М. С. Дрозд, М. М. Мат-лин, Ю. И. Сидякин. — М.: Машиностроение, І986. — 224 с.
16. ГОСТ І497−84. Металлы. Метод испытания на растяжение. — Взамен І497−73. — Введ. 0І. 0І. 85. — М.: Издательство стандартов, І985. — 40 с. — (Межгосударственный стандарт).
17. Дрозд, М. С. Исследование соударения сферы с плоскостью с учетом местной пластической деформации в зоне контакта / Г. В. Гурьев, М. С. Дрозд // Научные труды Волгоградского политехнического института / ВПИ. -Волгоград, І967. — С. 405−425.
18. Безухов, Н. И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести / Н. И. Безухов. — М.: Высшая школа, І968. — 5І2 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой