Введение
Технологии восстановления деталей путем наращивания поверхностного слоя с использованием различных способов массопереноса широко используются в АПК. Одним из существенных факторов, влияющих на прочность деталей после восстановления и упрочнения, являются остаточные напряжения. В настоящей работе приведены результаты измерения остаточных напряжений в поверхностном слое образцов, упрочненных газопламенным способом порошковых композиций. Исследования выполнены в рамках совместных научных исследований ЧГАА и ФГБОУ ВПО «Башкирского ГАУ», по обеспечению требуемой надежности упрочненных деталей путем регулирования возникающих при упрочнении остаточных напряжений.
Методика определения остаточных напряжений
в поверхностном слое
Остаточные напряжения определялись по методике доктора технических наук, доцента кафедры «Сопротивления материалов» Челябинского государственного агроинженерного университета А.Г. Игнатьева.
Остаточные напряжения в поверхностном слое вызывают качественное и количественное изменение распределения деформационных перемещений [1, 2 с.120]. Количественная связь между величинами главных остаточных напряжений, действующих вдоль осей симметрии распределения перемещений, и перемещениями в контрольных точках очага деформирования в принятой системе координат описывается следующим выражением:
где: σт — предел текучести материала, Wmax – величина нормального перемещения в контрольной точке для материала поверхностного слоя детали без остаточных напряжений (определяется по диаграмме вдавливания «Wmax – d» для материала покрытия), 
Изменение перемещения ΔW определяется как разность между величиной нормального перемещения Wσ (при наличии остаточных напряжений) и перемещением Wmax:
Общий цикл работ при измерении остаточных напряжений включает два этапа: первый (предварительный этап) — определение начальных условий для данного материала, второй — измерение остаточных напряжений. На предварительном этапе решают задачу построения диаграммы вдавливания Wmax(d) для материала детали. При измерении остаточных напряжений (второй этап) эти данные используются как описывающие базовые нормальные перемещения поверхности вокруг отпечатка, на фоне которого наблюдаются изменения, вызванные влиянием поверхностных остаточных напряжений.
Данный метод позволяет получать исчерпывающий объем информации об остаточных напряжениях (величины, знака, направления главных осей) в конкретной точке поверхности объекта. Погрешность измерений по отношению к среднестатистическим значениям с 95% доверительной вероятностью не превышает 10%.
Целью исследования являлось получение информации об остаточных напряжениях в образцах упрочненных газопламенным способом.
Экспериментальные результаты
Таблица 1.
Исходные данные по материалам основного металла
образцов и покрытий
| № | Материал основы | Материал покрытия | Примечание |
| 1 | Сталь 65Г | ПГ12Н-02 | Напыление порошка
Наплавленный слой 2 мм |
| 2 | Сталь 65Г | ПГ12Н-02 | Напыление порошка
Наплавленный слой 1 мм |
| 3 | Сталь 65Г | ПГ12Н-02 | Напыление порошка
Был наплавлен слой 1,5 мм и снят до основания |
Основные размеры и шаг замеров показаны на рисунке 1. Образцы имели плоскую форму, длина L=40…50 мм, ширина B=30…40 мм, толщина S=5…7 мм. В направлении L по центру поверхности образца напылен порошок газопламенным способом шириной b=10…15 мм.
В соответствии с технологией метода:
1) определяли механические свойства основного металла детали (ОМ) и металла покрытия (МП);
2) получали диаграммы вдавливания «Wmax – d», описывающие связь между высотой наплыва и диаметром отпечатка индентора, для ОМ и МП;
3) получали данные об остаточных напряжениях в поверхностном слое восстановленных деталей.
Измерения остаточных напряжений проводили с шагом a=5…7 мм вдоль образца, в некоторых случаях при достаточной ширине покрытия производили замеры в два ряда, так же отступая шаг a.
Механические свойства и диаграммы вдавливания для ОМ и МП приведены в таблице 2. Результаты измерения остаточных напряжений в образцах представлены в таблицах 3-5, средние значения приведены без учета всплесков. Данные приведены по отношению к пределу текучести основного металла.
Таблица 2.
Механические свойства материалов и диаграммы вдавливания для образцов, упрочненных газопламенным способом порошковых материалов
| Номер образца |
Основной металл |
Покрытие |
||||
| Предел текуче-сти σт, МПа | Модуль упрочнения Eт·10-4, МПа | Диаграмма вдавливания N(d) | Предел текуче-сти σт, МПа | Модуль упрочнения Eт·10-4, МПа | Диаграмма вдавливания N(d) | |
| 1 | 785±20 | 0,92…0,93 | 12,9·d | 260±15 | 0,64…0,66 | 7,4·d |
| 2 | 785±20 | 0,92…0,93 | 12,9·d | 260±15 | 0,64…0,66 | 7,4·d |
| 3 | 785±20 | 0,92…0,93 | 12,9·d | 260±15 | 0,64…0,66 | 7,4·d |
Таблица 3.
Результаты измерения поверхностных остаточных напряжений
в образце №1
| Номер измерения |
Остаточные напряжения по отношению к условному пределу текучести металла покрытия |
|
| σx/σтмп | σy/σтмп | |
| 1 | 0,27 | 0,32 |
| 2 | 0,21 | 0,26 |
| 3 | 0,14 | 0,18 |
| 4 | 0,21 | 0,22 |
| 5 | 0,14 | 0,17 |
| 6 | 0,10 | 0,13 |
| Средние значения | 0,17 | 0,21 |
Таблица 4.
Результаты измерения поверхностных остаточных напряжений
в образце №2
| Номер измерения |
Остаточные напряжения по отношению к условному пределу текучести металла покрытия |
|
| σx/σтмп | σy/σтмп | |
| 1 | 0,18 | 0,10 |
| 2 | 0,06 | 0,10 |
| 3 | 0,25 | 0,27 |
| 4 | 0,32 | 0,26 |
| 5 | 0,36 | 0,33 |
| 6 | 0,26 | 0,31 |
| 7 | 0,25 | 0,05 |
| Средние значения | 0,29 | 0,28 |
Таблица 5.
Результаты измерения поверхностных остаточных напряжений
в образце №3
| Номер измерения |
Остаточные напряжения по отношению к условному пределу текучести металла покрытия |
|
| σx/σтмп | σy/σтмп | |
| 1 | 0,27 | 0,23 |
| 2 | 0,25 | 0,07 |
| 3 | 0,26 | 0,21 |
| 4 | 0,28 | 0,28 |
| 5 | 0,11 | 0,03 |
| Средние значения | 0,27 | 0,24 |
Рисунок 3 Экспериментальные распределения нормальных перемещений
в наплыве для ненапряженного тела.
При напылении газопламенным способом на сталь 65Г порошка ПГ12Н-02 средние значения главных остаточных напряжений приваренного 2 мм слоя составили σхост = 0,19σт, σyост = 0,22σт в долях предела текучести основного металла или в абсолютных значениях σхост = 99 МПа, σyост = 114 МПа, наплавленный слой в 1 мм даёт средние значения главных остаточных напряжений σхост = 0,24σт, σyост = 0,17σт в долях предела текучести основного металла или в абсолютных значениях σхост = 124 МПа, σzост = 86 МПа.
При тех же материалах после полного снятия приваренного слоя средние значения главных остаточных напряжений составили σхост = 0,24σт, σyост = 0,2σт в долях предела текучести основного металла или в абсолютных значениях σхост = 184 МПа, σyост = 154,5 МПа.
Анализ результатов
При газопламенном упрочнении порошковыми материалами остаточные напряжения растягивающие, их величины значительно ниже предела текучести основного металла.
При этом концентрация тепло вложения ниже. По толщине привариваемого слоя распределение температуры более равномерное, поскольку тепло расходуется на спекание частиц порошка между собой и с поверхностью основы. Поэтому при упрочнении порошковыми материалами уровень остаточных напряжений несколько ниже.
Выводы
При газопламенном упрочнении остаточные напряжения на 50…70% ниже по сравнению с другими способами нанесения покрытия. Значит в процессе формирования покрытия движущиеся частицы не нагреваются до высокой температуры и в процессе напыления не происходит значительного повышения температуры основы и поэтому охлаждающиеся после удара частицы не сжимаются больше, чем металлическая основа. Так как остаточные напряжения при газопламенном упрочнения по значению ниже, то упрочненная поверхность не будет деформирована. Прочность сцепления покрытия с основой высокая, так как остаточные напряжения маленькие.
Используя полученные результаты исследований, были подготовлены рабочие органы для дальнейших эксплуатационных испытаний [3, c. 262]. Также это позволило разработать ресурсосберегающую технологию упрочнения лезвия ножей различных рабочих органов.
Список литературы:
- Игнатьев А.Г. Диагностирование поверхностных остаточных напряжений в металлических покрытиях, нанесенных при восстановлении деталей сельскохозяйственной техники: автореф. дис. докт. техн. наук. – Челябинск, 2008. 40 с.
- Игнатьев А.Г., Третьяков А.А. Применение конического индентора при диагностировании остаточных напряжений в восстановленных деталях // Промышленный салон. Ремонт, восстановление, реновация : мат-лы V междунар. науч.-практ. конф. – Уфа: БашГАУ, 2014. С. 264.
- Фаюршин А.Ф., Хакимов Р.Р., Багаутдинова И.И. Факторы, влияющие на износ рабочих органов почвообрабатывающих машин // Х Промышленный салон. Ремонт, восстановление, реновация: материалы VI всероссийской научно-практической конференции – Уфа: БашГАУ, 2015. С. 316.[schema type=»book» name=»РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ОБРАЗЦАХ УПРОЧНЕННЫХ ГАЗОПЛАМЕННЫМ СПОСОБОМ» description=»В статье представлены результаты измерения остаточных напряжений в упрочненных деталях, основанный на использовании упругопластического контактного взаимодействия. Исследования проведены на образцах из стали упрочненных газопламенным способам с использованием оптико-электронной установки.» author=»Фаюршин Азамат Фаритович, Хакимов Ринат Рафисович, Багаутдинова Ильнара Ильфировна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-25″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_31.10.15_10(19)» ebook=»yes» ]