CC BY
20
УДК 621.9.047
Влияние комбинированной обработки ЭМО + ППД
I V V
на демпфирующие свойства среднеуглеродистой стали
Н. Г. Дудкина, В. В. Чекунов
Рассматривается технология комбинированного поверхностного упрочнения стальных изделий, состоящая из электромеханической обработки (ЭМО) и последующего поверхностного пластического деформирования (ППД). Приводятся результаты исследования демпфирующих свойств стали 45,упрочненной ЭМО + ППД. Проведен сравнительный анализ рассеяния механической энергии стальных образцов в исходном состоянии и обработанных ППД, ЭМО и ЭМО + ППД. Предложенная технология с практической точки зрения может рассматриваться как метод снижения динамической напряженности деталей, работающих при циклических нагрузках и колебаниях.
Ключевые слова: комбинированное упрочнение, электромеханическая обработка (ЭМО), поверхностное пластическое деформирование (ППД), диаграмма растяжения, поверхностный слой, сталь, структура, белый слой, ширина петли гистерезиса, демпфирующие свойства.
Введение
Рассеяние энергии в материале тесно связано с усталостной прочностью. Это обусловлено следующим обстоятельством: насколько материал способен поглощать энергию на необратимые процессы, настолько он является естественным демпфером при циклическом нагружении. Поэтому способность материала к рассеянию энергии — весьма важный показатель, определяющий надежность работы деталей машин. Согласно этому предположению рассеяние энергии обусловливается микропластическими деформациями в материале, при этом «энергоемкость» пластически деформированных макрообъемов может быть различной как для разных материалов, так и для одного и того же материала — в зависимости от структурных и геометрических особенностей микрообъема [1, 2]. Отмечается высокая чувствительность рассеяния энергии к самым незначительным изменениям в материале. В связи с этим представляет интерес исследовать зависимость интенсивности рассеяния энергии (демпфирующих свойств) от структурного состояния поверхностного слоя
материала после различных методов поверхностного упрочнения сталей.
Поверхностное упрочнение сочетанием электромеханической обработки (ЭМО) и последующего поверхностного пластического деформирования (ППД) является эффективным методом технологической обработки, позволяющим значительно повысить надежность и долговечность деталей машин. Исследования свидетельствуют о специфическом влиянии и особой роли поверхностно упрочненных слоев металла в процессе макро- и микродеформации [3-5]. Установлено, что параметры режима ЭМО оказывают наследственное влияние на закономерности изменения микротвердости и пластического деформирования образцов, подвергнутых комбинированному упрочнению [5]. Так, отмечается существенное влияние регулярной неоднородной структуры поверхностного слоя после комбинированного упрочнения (ЭМО + ППД) на формирование общего характера кривой «напряжение — деформация». Однако в литературе недостаточно сведений об изменении демпфирующих свойств в зависимости от состояния поверхностного слоя, подвергнутого ЭМО + ППД. Остается
|3б
№ 1(91)/2016
ШШШМБОТКА
невыясненным, каким образом тонкий упрочненный поверхностный слой может влиять на изменение рассеяния энергии в материале.
Цель настоящей работы — оценка и сравнительный анализ демпфирующих свойств конструкционной углеродистой стали, подвергнутой комбинированной обработке поверхностного слоя: электромеханической обработке с последующим поверхностным пластическим деформированием (ЭМО + ППД).
Описание методики
Испытанию подвергалась нормализованная сталь 45. Свойства поверхностного слоя изменяли посредством ППД, путем обкатки образцов на токарном станке с помощью двух-роликового приспособления с одновременным подводом электрического тока (ЭМО) и финишной обкаткой роликом без подвода тока (ППД). Режимы ЭМО:
• плотность тока ] = 400 А/мм2;
• напряжение и = 4... 5 В;
• усилие на инструмент Р = 300 Н;
• скорость обработки V = 0,05 м/с;
• подача инструмента 8 = 0,8; 1,25; 2,00 мм/об.
Параметры финишной обработки ППД:
• рабочая нагрузка на инструмент Р = =1200 Н;
• подача 8 = 0,25 мм/об;
• скорость вращения шпинделя — 100 мм/об;
• число проходов п = 1.
В результате интенсивного температурно-силового воздействия на поверхности формировался специфический упрочненный слой (белый слой) толщиной 0,15-0,2 мм и твердостью Нр = 8,0.8,5 ГПа. В результате изменения подачи упрочняющего инструмента в диапазоне в = 0,8-2,0 мм/об формировались регулярные спиралеобразные треки упрочненного (белого) слоя с различной степенью перекрытия на поверхности образцов.
Для оценки влияния комбинированного упрочнения на рассеяние энергии нормализованной стали 45 были проведены статические испытания на растяжение цилиндрических образцов длиной 100 мм, диаметром 10 мм (ГОСТ 1497-84). Образцы, находящиеся в исходном состоянии и обработанные ЭМО + ППД, подвергались осевому растяжению. Нагружение
образцов осуществлялось с постоянной скоростью перемещения захвата, равной 0,5 мм/мин, на машине УМЭ-10ТМ. Одновременно производилась прецизионная запись начальных участков диаграмм растяжения с помощью тензометра с точностью определения деформаций до 1 • 10-5. Получали возрастающую функцию напряжения от деформации, что соответствует большинству конструкционных материалов. Рассеяние энергии при простом растяжении стандартных цилиндрических образцов из конструкционных сталей оценивали методом статической петли гистерезиса (петли гистерезиса снимались при разных уровнях напряжений и при одном и том же виде деформации).
Результаты и обсуждение
Рассеяние энергии оценивали по ширине петли гистерезиса Де в цикле нагружение— разгружение. Метод предусматривает оценку неупругости металла по петлям гистерезиса, построенным в координатах напряжение—деформация а - е при монотонном изменении нагрузки (рис. 1). Интенсивность рассеяния энергии зависит от интенсивности протекания неупругих процессов в материале и приводит к нелинейной зависимости между напряжениями и относительной деформацией (появлению петли механического гистерезиса). Ширина петли гистерезиса Де представляет пластическую деформацию за цикл. Таким образом, неупругая деформация (ширина петли гистерезиса) характеризует энергетические потери и показывает, насколько материал способен поглощать энергию.
Запись диаграмм деформирования в области напряжений предела текучести [6, с. 16], показывает, что петли образуются сразу за площадкой текучести, а нарастание общих пластических деформаций приводит к увеличению ширины петли гистерезиса образцов, упрочненных ЭМО. Сравнение упрочненных образцов с образцами в исходном состоянии показало рост ширины петли на 50 % для образцов, упрочненных ЭМО с подачей в = 0,8 мм/об при общей деформации 2,5 %.
После проведения финишной операции ППД у стальных образцов также повышается механический гистерезис по сравнению с об-
МЕШПООБМБОТК|»
о, МПа
Рис. 1. Петля механического гистерезиса
Де-10-2, % 6 -
5 4
3 -2 -1
е, %
Рис. 2. Изменение ширины петли гистерезиса Де в функции общей деформации е, %:
1 — исходное состояние; 2, 3 — упрочнение ЭМО + ППД с подачей предварительной ЭМО $ = 2,0 мм/об и $ = 0,8 мм/об соответственно
разцами в исходном состоянии. На рис. 2 показаны графики зависимости ширины петли гистерезиса от степени общей деформации для образцов, упрочненных ЭМО + ППД, с различной регулярной структурой поверхностного белого слоя, сформированной предварительной ЭМО с различной подачей инструмента.
Анализ графиков показал, что нарастание общих пластических деформаций во всех случаях приводит к увеличению ширины петли гистерезиса, как и при традиционной ЭМО. Результат анализа графиков выявил высокую чувствительность ширины петли к степени перекрытия треков белого слоя на поверхности стали 45. Так, при общей пластической деформации до 1,0 % уровень энергетических
потерь больше у образцов, упрочненных ЭМП + + ППД с подачей 8 = 2,0 мм/об. Ширина петли образцов, упрочненных с подачей упрочняющего инструмента 8 = 0,8 мм/об, Де = 1,6 %, с подачей 8 = 2,0 мм/об — Де = 2,5 %. Эта закономерность рассеяния энергии согласуется с результатами исследования диаграмм растяжения и закономерности микронеоднородной деформации [4, 7]. При дальнейшем растяжении образца закономерность и интенсивность зависимостей меняются: с увеличением доли высокопрочной структуры в поверхностном слое интенсивность неупругих деформаций возрастает — ширина петли упрочненных ЭМО + ППД с подачей 8 = 0,8 мм/об образцов Де = 6,1 %, с подачей 8 = 2,0 мм/об — Де = 4,8 % (при общей деформации 2 %).
Авторами проведены сравнительные исследования в целях оценки влияния видов обработок, составляющих комбинированную технологию упрочнения ЭМО + ППД, на рассеяние энергии в стали 45. На рис. 3 показаны графики зависимости ширины петли гистерезиса от степени общей деформации для образцов, упрочненных ППД, ЭМО, ЭМО + ППД. Анализ закономерности рассеяния энергии образцов, подвергнутых различным обработкам, показал, что при проведении традиционного поверхностного пластического деформирования демпфирующие свойства стали не изменяются (рис. 3, кривая 2). Влияние поверхностного пластического деформирования на демпфирующие свойства стали незначительно по сравнению с традиционной электромеханической обработкой (рис. 3, кривая 3), но в сочетании с ЭМО наблюдается значительное увеличение неупругих свойств (до 50 %) по сравнению с ППД (рис. 3, кривая 4), а при растяжении е > 1,5 % ширина петли механического гистерезиса увеличивается и по сравнению с ЭМО.
На рис. 4 показаны значения неупругой деформации стали 45, подвергнутой различным методам поверхностного упрочнения: ППД, ЭМО, ЭМО + ППД. Гистограмма показывает вклад каждой составляющей комбинированного упрочнения ЭМО + ППД в изменение демпфирующей способности стали. Сравнительный анализ энергетических потерь образцов показал, что при общей деформации е = 1,0 % ширина петли упрочненных ЭМО образцов Де = 4,8 %, ЭМО + ППД — Де = 4,0 %.
[Э8
№ 1(91)/2016
ШШШМБОТКА
Нарастание общих пластических деформаций приводит к изменению закономерности и интенсивности рассеивания энергии. Неупругие деформации после ЭМО + ППД увеличиваются по сравнению с ЭМО. Так, при е = 2,0 % ширина петли упрочненных ЭМО образцов Де = 5,4 %, ширина петли упрочненных ЭМО + + ППД Де = 5,9 %.
Повышение механического гистерезиса стали, подвергнутой ЭМО + ППД, авторы объясняют, с одной стороны, специфической структурой, вызванной микроискажениями кристаллической решетки металла треков белого слоя, наличием в нем фазы высокоуглеродистого мартенсита, макроструктурной неоднородностью поверхностного слоя в осевом направлении образца [6], с другой — чрезвычайно сложной картиной остаточных напряжений по элементам структуры, возникающей после финишной обработки поверхностным пластическим деформированием [3, 5]. Для раскрытия механизма повышения демпфирования всего образца (в то время как упрочнению подвергается только тонкий поверхностный слой металла на глубине до 0,2 мм) необходимо привлечь результаты исследования закономерности локальной микронеоднородной деформации по элементам структуры в исходном состоянии и после упрочнения [7].
Таким образом, комбинирование электромеханической обработки с поверхностным пластическим деформированием позволяет повысить демпфирующие свойства стали в 2 раза при одновременном повышении прочностных свойств в 1,5 раза [4, 5] по сравнению с исходным материалом, наследуя при этом высокую твердость и специфические свойства упрочненного поверхностного слоя, сформированного предварительной электромеханической обработкой.
Изучение особенностей закономерности рассеяния энергии в поверхностно упрочненном материале задача довольно сложная, требующая проведения дальнейших систематических исследований в этом направлении.
Выводы
Установлено влияние структурно-неоднородного упрочненного ЭМО + ППД слоя на ширину петли механического гистерезиса при
1
1,5
2
т 2,5
е, %
Рис. 3. Изменение ширины петли гистерезиса в функции общей деформации:
1 — исходное состояние; 2 — упрочнение ППД; 3 — упрочнение ЭМО с подачей $ = 0,8 мм/об; 4 — упрочнение ЭМО + + ППД с подачей предварительной ЭМО $ = 0,8 мм/об
а)
Де • 10-2, % 5
4 -3 -2
б)
Де • 10-2, %
Без обработки ППД
ЭМО ЭМО + ППД
Без обработки ППД
ЭМО ЭМО + ППД
Рис. 4. Значения неупругой деформации стали 45, подвергнутой различным методам поверхностного упрочнения: ППД, ЭМО, ЭМО + ППД: а — при общей деформации е = 1 %; б — при общей деформации е = 2 %
статическом растяжении. Полученные результаты свидетельствуют о высокой чувствительности демпфирующих свойств к структурной неоднородности (степени перекрытия треков упрочненного слоя на поверхности) стали 45.
Проведено сравнительное исследование статических петель механического гистерезиса для стальных образцов в исходном и упрочненном ППД, ЭМО и ЭМО + ППД состояниях.
1
6
5
4
3
2
1
Установлен существенный рост демпфирующих свойств стали, подвергнутой комбинированному упрочнению: на 80 % по сравнению с упрочнением ППД; на 11 % по сравнению с упрочнением ЭМО (при уровне общей деформации образца 2 %).
Увеличение демпфирующей способности за счет ЭМО + ППД может рассматриваться с практической точки зрения как метод снижения динамической напряженности деталей, работающих при циклических нагрузках и колебаниях.
Литература
1. Трощенко В. Т. Усталость и неупругость металлов. Киев: Наукова думка, 1971. 268 с.
2. Савкин А. Н., Багмутов В. П. Прогнозирование усталостной долговечности высоконагруженных конструкций. Волгоград: Волгоград. гос. техн. ун-т, 2013. 363 с.
3. Электромеханическая обработка: технологические и физические основы, свойства, реализация / В. П. Багмутов, С. Н. Паршев, Н. Г. Дудкина [и др.] Новосибирск: Наука, 2003. 318 с.
4. Гурьев А. В., Дудкина Н. Г., Федоров А. В. Влияние электромеханического упрочнения на механические свойства углеродистой стали // Физ.-хим. механика материалов. 1990. № 3. С. 26-30.
5. Дудкина Н. Г., Садовин А. А. Исследование характеристик деформационного упрочнения стальных образцов, обработанных ЭМО + ППД // Металлообработка. 2012. № 1. С. 37-39.
6. Федоров А. В., Дудкина Н. Г. Рассеяние механической энергии в конструкционных сталях, подвергнутых электромеханической обработке // Mechanika. 1998. № 2. С. 15-18.
7. Дудкина Н. Г., Захаров И. Н. Micrononhomogeneous strain of the „white layer" produced by electromechanical treatment of carbon steels // Mechanika. 2007. N 3. P. 17-21.
Уважаемые коллеги!
Открыта постоянная редакционная подписка на научно-производственный журнал «МЕТАЛЛООБРАБОТКА». Журнал учрежден и издается АО «Издательство «Политехника» с 2001 г.
Тематика: обработка материалов резанием, давлением, электрофизические и электрохимические методы обработки; новые технологии и материалы.
Тираж 2500 экз., объем 56 е., периодичность — 6 номеров в год, стоимость одного номера — 700 руб. Постоянным подписчикам 10 % скидка. С 2003 г. журнал включен в Перечень ВАК.
Приглашаем к сотрудничеству авторов: научные статьи, одобренные редколлегией, редактируются и печатаются бесплатно.
Для рекламодателей по запросу высылаем расценки. Подписной индекс: по каталогу «Роспечать» — № 14250.
[40
№ 1 (91)/2016
