ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ДРОБЕУДАРНОЙ ОБРАБОТКЕ МАЛОПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

АННОТАЦИЯ

В статье приводится анализ напряженного состояния, формируемого при действии сосредоточенной силы, нормальной к плоскости нагружения. Данная модель нагружения описывает контактное взаимодействие при ударе сферического индентора по металлической поверхности в процессе дробеударного упрочнения малопластичного конструкционного материала- серого чугуна, пластические свойства которого зависят от структуры основной металлической массы (аустенит, феррит, перлит) и формы графитовых включений.

В соответствии с расчетной схемой определены компоненты главных напряжений σ₁, σ₂ и интенсивность напряжений σ_i по глубине поверхностного слоя обрабатываемого материала. Получены закономерности их изменения при действии единичной сосредоточенной силы Р. Уровень интенсивности нормальных напряжений в соответствии с условием пластичности (σ_i=σ_т) отвечает за протекание упруго-пластических деформаций в поверхностном слое упрочняемых деталей.

ABSTRACT

The article provides an analysis of the stress state formed under the action of a concentrated force normal to the loading plane. This loading model describes the contact interaction when a spherical indenter hits a metal surface in the process of shot-impact hardening of a low-plasticity structural material - gray cast iron, the plastic properties of which depend on the structure of the main metal mass (austenite, ferrite, pearlite) and the shape of graphite inclusions.

In accordance with the calculation scheme, the components of the main stresses σ₁, σ₂ and the stress intensity σ_i along the depth of the surface layer of the processed material were determined. The patterns of their change under the action of a single concentrated force P are obtained. The intensity level of normal stresses in accordance with the plasticity condition (σ_i=σ_т) is responsible for the occurrence of elastic-plastic deformations in the surface layer of the parts being strengthened.

Ключевые слова: дробеударная обработка, поверхностно-пластическое деформирование (ППД), напряжение, интенсивность напряжения, деформация, графитные включения, серый чугун. 

Keywords: shot-impact processing, surface plastic deformation (SPD), stress, stress intensity, deformation, graphite inclusions, gray cast iron. 

Введение

Метод поверхностного пластического деформирования (ППД), реализуемый в виде дробеударной обработки рабочих поверхностей ответственных деталей машин и механизмов, является эффективным технологическим способом повышения долговечности и усталостной прочности изделий, особенно работающих при повторного- переменных (циклических) нагрузках. Важно отметить, что дробеударное упрочнение, обеспечивая высокое качество поверхностного слоя, как и другие способы ППД, имеет существенное технологическое преимущество. Данное преимущество выражено в том, что границы применимости дробеударной обработки очень широки и распространяются для упрочнения специфических (тонких маложестких, со сложным профилем, с острыми кромками и др.) деталей – рессоры, пружины, пильные диски, лопатки газотурбинных двигателей и т.п., когда традиционные методы ППД (обкатка шариком, роликом, алмазное выглаживание) практически неосуществимы [1-4].

Контактное взаимодействие при дробеударном упрочнении деталей машин характеризуется свободным ударом дроби, сопровождающимся упругопластическим внедрением в поверхностный слой металла, вызывая деформацию контактной зоны. В общем случае возникает сложное неоднородное напряженно-деформированное состояние, соответствующее локальному очагу деформации с изменяющейся границей.

Напряжения и деформации, возникающие в поверхностном слое детали при динамическом контакте с дробью, зависят от совокупности факторов, характеризующих параметры направленного потока (масса и скорость дроби, угол атаки) деформирующих тел и сопротивление металла упругопластическим деформациях (предел текучести условный σ_0,2 или физический σ_т).

Целью исследования явилась оценка уровня и значений параметров напряженно-деформированного состояния при ППД, которые позволяют решать ряд важнейших технологических задач при расчете, проектировании и эксплуатации ответственных деталей рабочих органов машин. Так, всесторонний анализ напряженно – деформированного состояния, возникающего в поверхностном слое детали при контакте инструмента с обрабатываемой поверхностью, дает возможность перейти к расчету остаточных напряжений, глубины и степени наклепа, оценить тепловую напряженность процесса финишной механической обработки и др., которые в совокупности оказывают воздействие на критерий работоспособности и надежности: прочность, износостойкость, долговечность деталей машин.

Методология исследований по упрочняющей технологии

Вследствие локальности процесса при ППД напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя детали оказывается неоднородным по глубине, т.е. имеет место неравномерная деформация с ее характерным признаками, а именно формирование сжимающих остаточных напряжений, увеличение твердости, повышение плотности, возрастание плотности дислокаций, необратимые искажения кристаллической решетки металла и искривление плоскостей скольжения. Применяемые методы ППД основываются на выраженных пластических свойствах конструкционных сталей и сплавов, например, по данными А.П. Гуляева [5] механические свойства стали после закалки и отпуска составляют: при изменении предела прочности σ_в и предела текучести σ_т соответственно в диапазонах 1600…700 и 1400…600 МПа параметры пластичности δ, ψ – относительные удлинения и сужения возрастают и находятся в пределах соответственно 10…30 и 45…70%.

Несмотря на то, что такой распространенный в машиностроении материал, как чугун, имеет существенно слабые пластические свойства, чем стали, имеются данные [6], свидетельствующие о том, что серый чугун марки СЧ24 подвергается ударному деформационному упрочнению с возрастанием микротвердости на 750 МПа при начальном значении 2250 МПа. Приведенное доказывает о возможности механического упрочнения серых чугунов, обладающих малой пластичностью, которая зависит [5] от конфигурации графита в чугуне: для пластинчатой – δ=0,2…0,5%; вермикулярной – 1…1,5%; хлопьевидной – 5…10%; шаровидной – 10…15%.

Для раскрытия особенностей  упрочняющей технологии деталей из малопластичных материалов (серого чугуна) важно учесть, что из-за незначительности размеров контактной зоны при обработке дробью усилие Р на контакте будет более корректно приложить в точке, а не распределять по некоторой площади с определенной закономерностью (равномерно распределенная, распределенная по “полушару” и др.). При этом задачу динамическую можно решать как статическую контактную задачу [7,8], основываясь на следующих допущениях: материалы контактирующих твердых тел однородны и изотропны; контактные площадки малы по отношению к поверхности взаимодействующих тел: сжимающая сила направлена по нормали к абсолютно гладкой поверхности контакта и вся деформация протекает в пределах упругости; колебания, возникающие при соударении тел, пренебрегают.

Основываясь на изложенном, определим напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя при дробеударной обработке деталей из малопластичных материалов, приняв нагрузку в виде сосредоточенной силы Р. Пусть плоскость z=0 является границей полубесконечного простанство (тела) и сосредототоченная сжимающая сила Р направлена вдоль оси z (рис. 1).

Рисунок 1. Расчетная схема для напряженного состояния, создаваемого нормальной сосредоточенной силой Р, приложенной на границе полубесконечного пространства

Компоненты напряжений в этом случае рассчитываются по формулам [9]:

                                                                  (1)

Анализ напряженного состояния чаше всего выполняется для точек слоя, параллельного обрабатываемой поверхности, в которых интенсивность напряжений максимальная σ_i^max. Известно, что при действии сосредоточенной нагрузки Р, нормальной к плоскости нагружения, такие точки лежат на оси z, совпадающей с направлением действия сосредоточенной силы. В таком случае нагружение является осесимметричным и компоненты напряжений для точек, лежащих на оси z могут быть определены по формулам   

                                                      (2)

Следует отметить эти три компоненты нормальных напряжений являются главными, так как касательные напряжения для точек, лежащих на оси z, равны нулю, т.е. справедливы равенства

σ₁ = σ_z;  σ₂ = σ₃ = σ_x = σ_y                                                              (3)

Выражение для интенсивности напряжений σ_i в общем случае объемного напряженного состояния имеет вид

,

но так как в рассматриваемом случае σ₂ = σ₃ (3), то получим

                                                           (4)

Подставив выражения для главных напряжений с учетом (2) и (3) в формулу (4), после преобразований получим интенсивность напряжений σ_i при действием сосредоточенной нагрузки:

                                                (5)

Следует заметить, что ограничивающая плоскость z=0 (рис.1) свободна от напряжений всюду, кроме точки приложения сосредоточенной силы Р, в окрестности которой возникнут очень больше напряжения (теоретически неограниченно велико), практически превышающие предел упругости материала. Так как конечная сила Р в этой точке действует на бесконечно малой площади, но конечной ширины, то имеет место локальное пластическое течение, охватывающее некоторую воображаемую цилиндрическую поверхность малого радиуса. Обычно в теории упругости эту поверхность уделяют и заменяют ее действие эквивалентной системой усилий. Уравнения теории упругости в этом случае можно принимать к остальной части рассматриваемой пластинки единичной толщины и тогда Р – нагрузка на единицу толщины пластинки.

Результаты и обсуждение

На рис.2 представлены зависимости расчетных значений главных нормальных напряжений σ₁ и σ₂, а также интенсивности напряжений σ_i по глубине поверхностного слоя z при действии единичной сосредоточенной силы Р. Расчет нормальных напряжений по формулам (2), (3) и (4) выполнен для малопластичного конструкционного материала- серого чугуна, имеющего следующие механические свойства: коэффициент поперечной деформации μ=0,23-0,27; модуль упругости Е=(1,15-1,60)∙10⁵ Н/мм² [10].

Уровень и глубина залегания главного нормального напряжения σ₂ существенно меньше, чем σ₁. Выявлена закономерность резкого уменьшения напряжений σ₁, σ₂ и σ_i по глубине поверхностного слоя. Так, значения этих напряжений уменьшаются в 9 раз при переходе с глубины z=0,02 до 0,06 мм и составляют, например, для σ_i соответственно 1095 МПа и 122 МПа.

Рисунок 2. Зависимости главных напряжений σ₁, σ₂ и интенсивности напряжений σ_i по глубине поверхностного слоя z для единичной точечной силы Р=1Н, приложенной на границе полубесконечного пространства

Закономерности изменения σ=f(z) по глубине поверхностного слоя при действии сосредоточенной единичной силы Р=1 Н остаются справедливыми и при любом другом значении Р, формируя пропорциональное значение напряжения. Знание уровня интенсивности напряжений σ_i очень важно для выполнения условия перехода напряженного тела (точки) от упругого состояния к пластическому – “условию пластичности”, в частности, условие пластичности по Губеру и Мизесу [11]:

                                 (6)

Особенности упруго-пластического деформирования чугуна, как малопластичного материала, вызваны тем, что благодаря действию графитных включений, вызывающих местные (локальные) концентрации напряжений, пластические деформации обнаруживаются в чугуне уже при малых нагрузках. Пластические свойства зависят от структуры основной металлической массы (аустенит, феррит, перлит), но еще в большой степени от формы графитовых включений.

Упругие деформации еще в большой степени зависят от формы графита. Они не изменяются при тепловой обработке чугуна, если при этом не изменялась форма графитовых включений. При увеличении содержания и укрупнении графитных включений увеличиваются по своей абсолютной величине как упругие, так и пластические деформации. При этом увеличивается доля пластических деформаций в условиях однократного приложения нагрузки.

Важно отметить, что графитные включения действует подобно внутренним надрезам и изменяют свойства чугуна как и наружные дефекты. Наличие в чугуне графитных включений с низкими механическими свойствами создает в нем многочисленные концентрации напряжений, оказывающих влияние на конструкционные свойства чугуна. Наличие многочисленных перенапряженных участков в чугуне приводит к появлению в нем при начальных нагрузках остаточных (пластических) деформаций наряду с упругими. Вследствие этого обнаруживаются следующие явления: 1) при начальных нагрузках изменение суммарных деформаций происходит непропорционально нагрузке; 2) при повторных нагрузках, не превышающих исходную, наблюдаются только упругие деформации; 3) разрыв образца происходит без образования в нем шейки из-за перенапряжения отдельных многочисленных участков (по этому формальному признаку чугун часто и ошибочно относят к хрупками материалам); благодаря значительно меньшими обнаруживаемым остаточными деформациям предел текучести у чугуна отличается от предела прочности на существенно меньшую величину, чем у так называемых пластических материалов (например, стали).

Наличие внутренних надрезов в виде графитных включений снижает влияние наружных надрезов на изменение свойств образца и конструкций. Поэтому при нанесении наружных надрезов предел выносливости у чугунных образцов снижается значительно меньше, чем у стальных образцов.

Заключение

Таким образом, малопластичность очень распространенного в машиностроении конструкционного материала- серого чугуна не является сдерживающих фактором для обоснованного применения эффективного метода поверхностно- пластического деформирования в виде дробеударного упрочнения. Поэтому актуальными представляются вопросы, связанные с исследованием специфики механической упрочняющей технологии деталей из серого чугуна с целью достижения высокого качества обработанного поверхностного слоя и, как следствие, обеспечение повышенной работоспособности и долговечности деталей рабочих органов технологических машин.

Список литературы:

1. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием / Справочник. – М.: Машиностроение, 1987. -328 с.
2. Дудкина Н.Г., Абраменко С.А., Баринов В.В. Определение толщины упрочненного поверхностного слоя стальных деталей, подвергнутых дробеструйной обработке // Упрочняющие технологии и покрытия, 2018. Том 14. - №12. – С. 547 – 549.
3. Шин И.Г. Расчет температуры в зоне контакта при дробеударном упрочнении деталей машин // Вестник машиностроения. 2010. -№1. – С. 67-69.
4. Волков Д.И., Гущин А.Ю., Рыкунов А.Н. Технологические возможности обработки металлическими и стеклянными микрошариками материалов ВТ9 и ЭИ787ВД // Упрочняющие технологии и покрытия. 2017. Том 13. -№8. – С. 365-369.
5. Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.
6. Абраменко Ю.Е., Албагачиев А.Ю. Ударное упрочнение чугунов // Вестник машиностроения, 1988. -№4. – С. 46-48.
7. Прочность, устойчивость, колебания // Под ред. И.А. Биргера,   Я.П. Пановко. – М.: Машиностроение, 1967. – 464 с.
8. Шин И.Г. Анализ напряженно – деформированного состояния поверхностного слоя при дробеструйном упрочнении деталей машин // Упрочняющие технологии и покрытия, 2005. -№7. – С 3-7.
9. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. – М.: Высшая школа, 1961. – 536 с.
10. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. – М.: Наука, 1976. -608 с.
11. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. – М.: Машиностроение, 1977. – 423 с.