научная статья по теме ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ДЕТАЛЯХ С РАСКАТАННЫМИ ФЛАНЦАМИ ИЗ СПЛАВОВ Л63 И АК7 Физика

Текст научной статьи на тему «ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ДЕТАЛЯХ С РАСКАТАННЫМИ ФЛАНЦАМИ ИЗ СПЛАВОВ Л63 И АК7»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 8, с. 20-28

УДК 621.77.04

ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ В ДЕТАЛЯХ С РАСКАТАННЫМИ ФЛАНЦАМИ ИЗ СПЛАВОВ Л63 И АК7 © 2015 г. В. Н. Востров1, П. В. Кононов1, *, И. Е. Кононова1, 2

1Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия 2Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, 197376Санкт-Петербург, Россия

*Е-таП: kpv710@rambler.ru Поступила в редакцию 12.01.2015 г.

Методом дифракции рентгеновских лучей исследованы параметры деформированного и напряженного состояний поверхностных слоев деталей из алюминиевого сплава АК7 и медного сплава Л63, изготовленных раскаткой, с фланцами, значительно удаленными от торца заготовок. Определены величины остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей. Построены графики изменения остаточных напряжений по глубине деформированных областей.

Ключевые слова: дифракция рентгеновских лучей, детали с раскатанными фланцами, сплав Л63 и АК7, остаточные напряжения, деформация.

БО1: 10.7868/80207352815080181

ВВЕДЕНИЕ

Детали с фланцами широко используются в машиностроении и промышленном строительстве. В машиностроении детали с фланцами, значительно удаленными от торца, применяются в агрегатах для обработки пищевых продуктов, в хлопкоуборочных и текстильных машинах, изделиях бытовой техники. В промышленном строительстве детали данного класса обеспечивают герметичное соединение узлов, агрегатов, трубопроводов. Изготовленные пластическим формообразованием детали с фланцами содержат остаточные напряжения, которые относятся к факторам, существенно влияющим на качество изделий, в частности на износостойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность, надежность изделий и другие свойства.

Экспериментальные и экспериментально-расчетные методы определения напряженного и деформированного состояний в пластической области деталей рассмотрены в работах [1—9]. Знание величин напряжений и деформаций при формоизменении заготовок и их остаточных значений способствует рациональному построению технологических процессов, выявлению и устранению причин возникновения дефектов деталей. Одним из эффективных методов неразрушающе-го контроля и диагностики остаточных напряжений является рентгеновская дифракция [10]. Достоинство метода заключается в высокой точности определения деформаций и напряжений,

поскольку измерения деформаций выполняются непосредственно на кристаллической решетке нагруженных материалов.

Обеспечение требуемого качества изделий с фланцами остается актуальной задачей. Качественное и количественное влияние остаточных напряжений на функциональные свойства деталей с фланцами в настоящее время недостаточно изучено. Поэтому целью настоящей работы является исследование остаточных напряжений поверхностных слоев деталей, изготовленных раскаткой, с фланцами, значительно удаленными от торца заготовок из алюминиевого сплава АК7 и медного сплава Л63.

МЕТОДИКА

Исследование остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей, возникающих в процессе раскатки фланцев разработанным способом [11, 12], выполнено неразрушающим методом дифракции рентгеновских лучей, который позволяет определить деформированное и напряженное состояния поверхностных слоев исследуемых материалов на глубине до 20 мкм. Метод основывается на законе Вульфа—Брэгга [13]

2d sin 0 = rik, (1)

где d — межплоскостное расстояние кристаллической решетки, 9 — угол дифракции, X — длина волны монохроматического рентгеновского излучения, n — порядок отражения.

СТ33, Е33 Х3Ь

ш ф

/ /)Х21

/ /',/ £22

/ у ТЧк.СТф, £ф, и/2

/ххь £11

- ) 1 с, / \ • 2

^^^-- = ~ $2 ( -^33 )П ^ +

+ 2 $2СТ33 + $хТг (ст) + 2 $24 эт (2¥),

(2)

а„ = а11ео8 ф + ст12эт2ф + ст22эт ф;

(3)

хф — касательное напряжение в направлении ази-

мутального угла ф,

т13 еоэ ф + т23 эт2ф;

(4)

стп, а 22, ст33, т12, т13, т23 — нормальные и касательные компоненты тензора напряжений

Тг (а) = ап +022 + азз; (5)

51, S2 — рентгеновские постоянные упругости:

= -у/Е; $2 = 2(1 + и)/Е = ЦО, (6)

Е и О — модули упругости при растяжении и сдвиге, и — коэффициент Пуассона.

Формула (2) может быть проиллюстрирована с помощью графика, изображенного на рис. 4 [14]. На графике использованы следующие обозначения: а — угол наклона большой оси эллипса,

а = 2 -СТ33);

(7)

ш = 0

Рис. 1. Схема координат положения исследуемой поверхности образца: ф — азимутальный угол и у — угол между нормалью к поверхности образца и нормалью к отражающей плоскости (ккГ).

Схемы расположения азимутального угла ф и угла у между нормалью к поверхности образца и нормалью к отражающей плоскости (Нк1) представлены на рис. 1. Схема кристаллической решетки в исходном (недеформированном) состоянии показана на рис 2. Схема деформированной кристаллической решетки приведена на рис. 3.

Связь между деформацией и напряжением в кристаллической решетке описывается уравнением

Рис. 2. Схема кристаллической решетки в недефор-мированном состоянии: 1 — падающий рентгеновский луч; 2 — отраженный рентгеновский луч.

8= 80 — исходная деформация кристалличе-

где стф — нормальное напряжение в направлении азимутального угла ф,

ской решетки,

б 0 = 0.5$2а33 + $1Тг (а); А — длина малой оси эллипса, А = 0.5^.

Ш * 0

(8) (9)

г>

/а е г

Рис. 3. Схема деформированной кристаллической решетки.

1

2

0

г

= 0 о - 2 sin2y J

Рис. 4. Графическое представление формулы (2) [11].

Графическое представление формулы (2) используется в методике, рекомендованной стандартом [10] для оценки напряжений в поверхностных слоях заготовки. Из формулы (9) получаем выражение для определения касательных напряжений тф:

(10)

= 2 AS 2.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследования остаточных напряжений поверхностных слоев детали с раскатанным фланцем выполнены на дифрактометре (рентгеновский анализатор напряжений) XSTRESS 3000 G3R с ^-модифицированным гониометром [15, 16]. Для определения значений тензора напряжений необходимо обеспечить достаточное количество измерений в направлениях углов ф и у, что позволяет данный прибор. Два фотодетектора, играющие роль датчиков положения, обеспечивают эффективную регистрацию рентгеновского излучения в большом диапазоне углов, что значительно сокращает продолжительность сбора информации.

Дифрактометр имеет укороченную дугу гониометра, два полупроводниковых детектора, установленных под углом 180°, что позволяет выполнять исследования одновременно в двух азимутальных направлениях: ф = 0° и ф = 180°. Углы наклона гониометра составляют х = ±40°, а осцилляция — х = ±4Максимальному значению угла наклона гониометра х соответствует минимальное значение эффективной глубины проникновения рентгеновских лучей HZmin. Углы наклона гониометра х соответствуют углам у между

нормалями к поверхности образца и к отражающей плоскости (hkl).

В табл. 1 и 2 представлены режимы съемок при неразрушающем анализе напряженного состояния деталей с фланцами из сплавов АК7 и Л63 с использованием рентгеновских трубок с различной длиной волны излучения. Обозначения: X — длина волны излучения, ц — линейный коэффициент ослабления рентгеновских лучей в сплавах, HZ — эффективная глубина проникновения рентгеновских лучей. Значение HZ вычисляется по формуле [17]:

HZ = cos 20 cos х/ (и sin 0(cos20- 1)). (11)

При расчете параметров дифракционной линии использовали угол дифракции 29 [17]:

20 = pB - ka1, (12)

где PB — верхний предел диапазона углов дифракции 29, установленный во время калибровки; k — коэффициент перевода координаты шкалы линейного позиционно-чувствительного детектора на углы 29; а1 — координата центра дифракционной линии.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исследования и анализ остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей с раскатанными фланцами проводились согласно требованиям стандарта [10]. В соответствии с требованиями стандарта, для повышения точности определения напряжений необходимо выполнение следующих условий: 1) ширина дифракционной линии должна быть более 1/3 углового диапазона регистрации спектра; 2) текстура — незначительная; 3) величина зерна не должна превышать эффективную глубину проникновения рентгеновских лучей в материал; 4) значение параметра шероховатости Ra анализируемой поверхности не должно превосходить минимальное значение эффективной глубины проникновения рентгеновских лучей HZmin; 5) градиент напряжений — незначительный.

При анализе остаточных напряжений использована функция Пирсона VII, поскольку она наиболее точно описывает положение и интенсивность пиков остаточных напряжений при измере-

Таблица 1. Параметры рентгеновской съемки раскатанной детали с фланцем из сплава АК7

Режим съемки Излучение X, нм Фаза hkl 29, град ц, 1/мм HZ (V = 0 °), мкм Hz (v = 40 °), мкм

№ 1 Cu^a 0.154180 420 145.8 34 18 16.1

№ 2 Al 331 136.3 15.8 12.9

№ 3 CrKa 0.229090 311 139.5 45.8 12.0 10.7

№ 4 TiKa 0.274963 220 147.8 76.8 6.2 4.8

Таблица 2. Параметры рентгеновской съемки детали с раскатанным фланцем из сплава Л63

Режим съемки Излучение X, нм Фаза hkl 29, град ц, 1/мм Hz (у = 0°), мкм Hz (v = 40 °), мкм

№ 1 CuKa 0.154184 420 141.2 43 17.1 15.8

№ 2 a-твердый раствор цинка в меди 331 134.1 16.3 14.2

№ 3 MnKa 0.210314 311 145.7 105 8.5 6.5

№ 4 CrKa 0.229100 220 124.9 134 3.1 2.4

нии методом рентгеновской дифракции [18]. Функция Пирсона VII определяется по формуле:

F(X) = a

1 + 4

X - a1

( -1)

(13)

где X — координата точки по оси Х, в которой определялось значение функции; а0 — амплитуда интенсивности (интенсивность дифракционной линии при углах наклона у и ф); а1 — центр дифракционной линии; а2 — ширина дифракционной линии на полувысоте максимума; а3 — ширина дифракционной линии на основании пика.

Нумерация областей на раскатанных деталях, в которых измерялись остаточные напряжения поверхностных слоев, представлена на рис. 5. Во всех исследуемых точках выбраны следующие направления измерения: Х — тангенциальное, У — осевое, Z — радиальное. В качестве примера на рис. 6 показаны рентгеновские спектры детале

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»