Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Номенклатура изделий радиолокационной техники, условия работы и требования работоспособности материалов
1.1 Характеристика изделий, виды отказов, поломок и разрушений 8
1.2 Общая характеристика бериллиевых бронз 13
1.2.1 Влияние легирующих элементов на физико-механические свойства бронзы 13
1.2.2 Коррозионные свойства бронзы 14
1.2.3 Фазовые превращения, происходящие при термической и пластической обработке 14
1.2.3.1 Закалка 14
1.2.3.2 Старение 18
1.3 Технология изготовления пружин из бронзы Бр.Б2 и анализ недостатков производства 20
1.4 Определение предельной удельной энергии деформации 24
1.5 Характеристика пружинных сталей 26 1.5.1 Влияние легирующих элементов на механические свойства пружинных сталей 26
Выводы по главе 1 29
Цель, задачи и программа работ 30
Глава 2 Методика выполнения исследований
2.1. Выбор объектов исследования 32
2.2. Режимы термической и пластической обработок, оборудование и методы исследования бериллиевой бронзы 33
2.3. Образцы для создания различного напряжённо-деформированного состояния, виды механических испытаний, контролируемые и рассчитываемые параметры 44
2.4. Выбор и построение гомологической шкалы и оценка структурно-энергетического состояния исследуемых сплавов 45
2.5. Построение зависимостей диаграмм предельного состояния сплавов от показателя напряжено-деформированного состояния 47
2.6. Определение критериев зарождения трещин, распространения трещин и критерия хрупкости 49
2.7. Определение плотности 50
2.8. Измерение микротвёрдости 51
2.9. Проведение акустических испытаний для определения модуля продольной упругости, модуля упругости при сдвиге и коэффициента Пуассона 52
2.9.1 Аппаратно - программные средства 52
2.9.2 Методика измерений 54 2.9.3. Методика проведений расчетов 60
2.10. Проведение макро- и фрактографического исследований 63
2.11 Проведение микроструктурного анализа 64
2.13 Методика проведения рентгеноструктурного анализа 65
2.13.1. Рентгеновский дифрактометр ДРОН-2 65
2.13.2 Фазовый анализ 72
2.13.3. Определение величины микронапряжений и размеров областей когерентного рассеяния методом аппроксимации 76
2.14 Метрологическая экспертиза 81
2.15. Оценка точности эксперимента 81
Выводы по главе 2 85
Глава 3 Результаты исследований структуры и свойств пружинных сплавов
3.1. Закономерности изменения предельной удельной энергии деформации для бериллиевой бронзы и пружинных сталей 87
3.1.1. Закономерности предельного состояния бронзы 87
3.1.2. Закономерности предельного состояния пружинных сталей 87
3.2. Закономерности изменения других предельных характеристик от показателя напряжённо-деформированного состояния 95
3.3. Комплексы зарождения и распространения трещин, хрупкости 116
3.4. Определение плотности 123
3.5. Акустические испытания 123
3.6. Результаты измерений твердости 126
3.7. Рентгеноструктурный анализ 126
3.8. Микроструктурный анализ 13 О
3.9. Результаты макроструктурного анализа 135
Результаты фрактографического анализа изломов 143
Глава 4 Анализ полученных результатов
4.1. Поведение бронзы Бр.Б2 149
4.1.1. Влияние деформации на структуру и критерии разрушения 149
4.1.2. Влияние температуры и продолжительности старения на физико-механические свойства и критерии разрушения 150
4.1.3 Влияние концентрации напряжений на механические свойства и критерии разрушения 162
4.2. Поведение пружинных сталей 164
Глава 5 Практические рекомендации 170
Выводы 175
Литература 177
Приложение 184
4
- Общая характеристика бериллиевых бронз
- Образцы для создания различного напряжённо-деформированного состояния, виды механических испытаний, контролируемые и рассчитываемые параметры
- Закономерности изменения других предельных характеристик от показателя напряжённо-деформированного состояния
- Поведение пружинных сталей
Введение к работе
В настоящее время основополагающим условием производимых изделий является их конкурентоспособность, которая во многом определяется их качеством, степенью надёжности. Качество деталей, однако, оценивается стандартными механическими характеристиками, что в действительности, не соответствует реальным условиям эксплуатации деталей. К подобному типу деталей относятся и упругие элементы, качество структуры которых в основном определяется путем замера твердости и предела упругости, что дает возможность лишь предполагать о степени надежности деталей, имеющих сложные геометрические формы и разные условия нагружения. Поэтому актуальной проблемой является поиск новых параметров оценки качества, которые бы являлись наиболее информативными и достоверными при оценке работоспособности изготовляемых деталей, при этом внедрение методик их определения является также не менее актуальным. Для многих марок сталей их структурные состояния с помощью новых параметров оценки качества еще не оценены. Поэтому, часто на предприятиях к качеству продукции предъявляются требования не по конкретному значению какого-либо свойства, а по интервалу, (например, но твердости) полученному при обработке статистических результатов испытаний.
Цель работы. Изучение структурно-энергетических состояний пружинных сплавов после термического и деформационного упрочнения, оценка этих состояний с помощью новых энергетических критериев разрушения, обеспечивающих обобщенную оценку физико-механических свойств и работоспособности деталей радиотехнических систем и вспомогательных механических устройств. В диссертационной работе решены следующие научные задачи. 1. Установлено поведение физических параметров (модуль нормальной упругости Е ГПа, модуль упругости при сдвиге G ГПа, коэффициент Пуассона //, плотность р кг/м3) в зависимости от степени предварительной деформации, температуры и продолжительности дисперсионного твердения бериллиевой бронзы марки Бр.Б2.
2. Установлено поведение предельных синергетических характеристик в зависимости от степени предварительной деформации, температуры и продолжительности дисперсионного твердения бериллиевой бронзы марки Бр.Б2.
3.Изучены и установлены закономерности структурных превращений, протекающих в бериллиевой бронзе Бр.Б2 в зависимости от степени деформирования, температуры и продолжительности дисперсионного твердения.
4. Изучено влияние легирующих элементов пружинных сталей на работоспособность изготовленных из них деталей с позиции разрушения синергетики. Научная новизна работы заключается в установлении:
закономерностей структурных превращений, а также поведения физических, механических, в том числе предельных характеристик разрушения в зависимости от степени предварительной деформации, временных и температурных режимов термической обработки сплавов;
величин и закономерностей поведения новых критериев разрушения бронзы в зависимости от степени предварительной деформации, временных и температурных режимов термической обработки, а также от показателя напряженного состояния исследуемого материала;
причин разрушения деталей особо ответственного назначения, изготовленных из бронзы Бр.Б2 и в обосновании выбора оптимальных режимов термической обработки и исходного напряженно-деформированного состояния при изготовлении конкретной детали, предотвращающих нерег-ламентированное разрушение;
влияния легирующих элементов пружинных сталей на критерии разрушения и выбор оптимальных состояний, в зависимости от температуры закалки и отпуска;
оптимальных режимов термической обработки, неразрушающего метода контроля качества и создание опытной технологии при производстве контактных упругих элементов.
Основные положения, выносимые на защиту:
комплексная оценка структуры, изломов, физических характеристик, показателей прочности и пластичности бронзы Бр.Б2 после деформации, закалки и старения с применением современных методов исследований, позволивших получить достоверные данные о структуре, свойствах, характере разрушений и поведения предельных характеристик разрушения сплава при простых и сложных напряженных состояниях;
влияние предварительной пластической деформации, продолжительности и температуры дисперсионного твердения бронзы на ее структуру, физико-механические свойства, предельную удельную энергию деформации, критерии зарождения и распространения трещин;
влияние легирующих элементов на критерии разрушения пружинных сталей;
новая методика выбора оптимальных режимов термического упрочнения и исходного напряженного состояния бронзы (способ патентуется);
новая методика неразрушающего контроля качества упрочненных деталей (способ патентуется);
практические рекомендации по проектированию, изготовлению контактных пружин и решению конструкторских и технологических задач.
Работа выполнена на кафедре «Металловедение, термическая и пластическая обработка металлов» Нижегородского государственного технического университета и в Нижегородском научно-исследовательском институте радиотехники (ННИИРТ).
Автор выражает искреннюю благодарность профессору, д.т.н. Вениамину Аркадьевичу Скуднову за огромный труд по руководству работой над диссертацией и ценные замечания, а также коллективу кафедры за плодотворные дискуссии, содействие в проведении экспериментов с использованием уникального оборудования и обсуждении результатов работ.
Общая характеристика бериллиевых бронз
Применение бериллиевой бронзы марки Бр.Б2 в качестве контактных упругих элементов ответственного назначения весьма обосновано. Бериллиевые бронзы являются уникальными сплавами по благоприятному сочетанию в них высоких механических, физико-химических и антикоррозионных свойств. Эти сплавы после закалки и облагораживания (старения) имеют высокий предел прочности, упругости, текучести и усталости, отличаются высокой электропроводностью, теплопроводностью, твердостью, обладают высоким сопротивлением ползучести, высокой циклической прочностью при минимальном гистерезисе, высоким сопротивлением коррозии и коррозионной усталости. Наконец, эти сплавы являются морозостойкими, немагнитными и не дают искры при ударах [2].
Основные компоненты бериллиевой бронзы марки Бр.Б2 - это бериллий (1,8-2,1%), никель (0,2-0,5%) и медь, которая служит основной составляющей сплава. Бериллиевые бронзы отличаются тем, что фазовые превращения в них протекают чрезвычайно быстро, поэтому брак данного материала по механическим свойствам происходит вследствие недостаточно резкой закалки. Никель заметно замедляет процесс фазовых превращений, что значительно облегчает технологические процессы закалки и дисперсионного твердения, так как при этом отпадает необходимость в крайне высоких скоростях охлаждения [3]. Иначе говоря введение никеля, прежде всего повышает устойчивость переохлажденного а-твердого раствора к высокотемпературному распаду, ведущему к образованию стабильной у-фазы, что снижает прочность и коррозионную стойкость бронзы [2]. Кроме того, введение никеля сильно уменьшает степень развития прерывистого или ячеистого распада, который во всяком случае в бериллиевых бронзах, снижает уровень упрочнения, а также способствует измельчению зерна ст-фазы [4]. Но тем не менее, введение никеля крайне необходимо, однако требуется строго регулировать его содержание. Оптимальные свойства бронзы обеспечиваются при содержания никеля 0,15-0,35% [2].
Марки бериллиевых бронз, производимые в России, содержат от 1,5 до 2,5% бериллия. Это обусловлено пределами растворимости данного компонента в меди и его дороговизной. Примеси свинца, висмута и сурьмы весьма вредны.
Бериллиевая бронза устойчива в различных атмосферных условиях. При высоких температурах она окисляется в меньшей степени, чем медь, и сплавы на медной основе.
Бериллиевая бронза устойчива в пресной и морской воде и более стойка, чем медь, против ударной коррозии. Бериллиевая бронза мало склонна к меж-кристаллитной коррозии, однако в напряженном состоянии при действии влажного аммиака и воздуха она подвергается коррозионному растрескиванию. Газы (галогены) при повышенных температурах вызывают избирательную коррозию бериллиевой бронзы, окисляя главным образом составляющую, обогащенную бериллием. В таблице 1.2.2.1 приведена скорость коррозии бериллиевой бронзы марки Бр.Б2 в некоторых средах.
Закалка бериллиевых бронз имеет важное значение как в процессе их производства, так и в процессе изготовления из них изделий, прежде всего в качестве промежуточной обработки для повышения пластичности или деформи руемости бронз, а также для достижения высокого упрочнения при последующем старении.
В первом случае закалка устраняет деформационное упрочнение, если предварительно бронза подвергалась деформации, хотя для повышения ее пластичности можно использовать и рекристаплизационный отжиг (температура рекристаллизации БрБ2 после деформации с обжатием 33%равна 530С) при 600-650С, в процессе которого меньше окисление и рост зерна, чем при закалке. Однако пластичность бронзы из-за получения при этом отжиге двухфазовой структуры ниже, чем после закалки при 770-790С [5]. Наконец, повторные промежуточные закалки в процессе прокатки или волочения способствуют повышению однородности состава и строения or-твердого раствора, и поэтому применение закалки более предпочтительно, чем отжига. Влияние температуры закалки на структуру и свойства бериллиевых бронз представлено для интервала 710-8 ШС, так как ниже 710С, согласно диаграмме состояния системы Си-Ве (рисунок 1.2.3.1а) располагается двухфазная область а+Д а выше 810С возможен не только очень сильный рост зерен, но даже оплавление их границ. Практически предельно высокое насыщение а - твердого раствора достигается при 770-780 С, а далее, при 790-810 С оно изменяется очень мало [1].
Однако даже если концентрация бериллия в твердом растворе и растет, то использовать эти температуры закалки не представляется возможным из-за сильного роста зерна (рисунок 1.2.3 Л б, 1.2,3.1 в), а это ведет к ухудшению свойств бериллиевой бронзы, особенно в виде тонких лент. Для повышения уровня упрочнения и особенно увеличения усталостной прочности бронзы на практике стремятся к уменьшению размеров зерен. С этой целью бронзу подвергают холодной пластической деформации с большим обжатием и последующей закалке при 770-780С. При длительном нагреве при указанных температурах величина зерна а - твердого раствора бронзы мало зависит от степени предшествующей деформации, но все же после обжатия 40% она меньше (рисунок 1.2.3.1г). Бериллиевая бронза при равных температурах закалки будет более мелкозернистая, если в ее структуре присутствуют равномерно распределенные включения избыточной у -фазы, которые препятствуют развитию собирательной рекристаллизации кристаллов а - твердого раствора при нагреве. Однако значительные скопления включений избыточной /-фазы, могут напротив, ускорить рост зерна за счет фазового наклепа вследствие различных объемных коэффициентов расширения а- и /?-фаз.
Следует отметить, что крупные включения /?-фазы, или ее крупные скопления играют роль структурных концентраторов напряжений и, в итоге, снижают пластичность бронзы, ее релаксационную стойкость и усталостную прочность.
Установлено, что выдержка бериллиевой бронзы при температуре закалки в печах муфельного типа оказывает существенное влияние на свойства и должна быть не менее 10-15 минут (рисунок 1.2.3.Ї д). При большей выдержке упрочнение практически не изменяется, но при этом растет зерно.
Скорость охлаждения бериллиевой бронзы при закалке должна быть максимальной (обычно в воде). Как показано в работе [б], наиболее опасно замедление охлаждения в области температур 500-3 80С, когда превращение переохлажденного твердого раствора происходит с большой скоростью и ведет к образованию пластинчатых перлитообразных структур. Ниже 380С происходит обычное старение. Если распад произошел выше 380СС, то степень упрочнения при последующем старении будет низкой.
Важнейшим этапом упрочняющей обработки бериллиевых бронз является процесс старения, в результате которого не только возрастает прочность, но также сильно изменяются и многие [7] физические свойства. Именно поэтому изучению процесса старения бериллиевой бронзы посвящено значительное число исследований, причем интерес к этим исследованиям не ослабевает и в последнее время. Это объясняется большой сложностью протекающих структурных превращений, которые .частично могут быть объяснены только с помощью данных рентгеноструктурного и электронно-микроскопического анализов и с применением методики микродифракции. Однако интерпретация результатов, полученных указанными методами, не приводит к однозначным выводам в работах разных авторов. Это расхождение особенно четко выражено в различной интерпретации последовательности перехода от одних метастабильных фаз к другим на начальных стадиях распада закаленных меднобериллиевых сплавов, а также механизмов переходов, происходящих во время более поздних стадий старения [2]. Нет единого мнения и о том, происходит ли переход от одних метастабильных продуктов превращения к другим непрерывно, т.е. путем реакции «на месте», или в результате растворения одних, менее устойчивых и образования других, более устойчивых, хотя также метастабильных.
Образцы для создания различного напряжённо-деформированного состояния, виды механических испытаний, контролируемые и рассчитываемые параметры
Программа исследований включала испытания на растяжение гладких цилиндрических образцов и образцов с надрезами, а также контроль твердости. Для испытания на растяжение использовались образцы с диаметром рабочей части 6 мм и длиной рабочей части 30 мм. Образцы изготовлялись в соответствии с ГОСТ 1497. Статические испытания на растяжение гладких и надрезанных образцов проводили на испытательной машине типа УМЭ-10ТМ с предельной нагрузкой 5 х 10 Ни скоростью 5 мм/мин. При каждой величине напряженно-деформированного состояния испытывали по 3 образца, результаты усредняли.
Оценка уровня механических свойств исследуемой бронзы после различных режимов пластической и термической обработок проводилась по стандартным характеристикам, определяемым по ГОСТ 1497.
Для оценки пластических свойств исследуемой бронзы кроме относительного сужения у/ использовали истинную (логарифмическую) деформацию
где FQ и FK начальная и конечная площади поперечного сечения образца при надрезе соответственно, Начальный и конечный диаметр замеряли на инструментальном микроскопе типа БМИ-1 ГОСТ 5.188-69 (цена деления 0,005 мм.).
Для оценки предельной деформации образцов с надрезами использовали величину , при соответствующем напряженном состоянии - , \И) .
Предельная удельная энергия деформации Wc, МДж/м3 определялась при испытаниях на растяжение. Для гладких образцов и образцов с надрезами данный параметр рассчитывался по формуле Трощенко [32]: Значения показателя структурно-энергетического состояния бериллиевой где Hfi - микротвердость бронзы, МПа; JK.U - предел текучести меди, -130 МПа [30].
Удобство этого показателя состоит в том, что он легко рассчитывается и позволяет сопоставлять в единой системе отсчета напряжённое состояние сплава, создаваемое путем изменения структуры с напряжённым состоянием, создаваемым конструкцией и условиями нагружен ия. В зависимости от степени деформации и режима термической обработки значения Псэс приведены в таблице 2.4. L Для сталей показатель Псзс рассчитывается подобным образом: леза, к 300 МПа.
Основными зависимостями предельных характеристик являются зависимости временного сопротивления разрыву авь сопротивления разрушению им предельной деформации єпгед и предельной удельной энергии деформации Wc от показателя напряжённо-деформированного состояния [19] П = , где материала в исследуемом состоянии. ot - величина постоянная для определенного состояния.
Методика заключается в проведении испытаний на растяжение цилиндрических образцов с кольцевым надрезом различного радиуса кривизны. Нанесение кольцевого надреза приводит к локализации пластической деформации [39] и уменьшению объёма, в котором происходит пластическая деформация. Деформационное упругое изменение объёма и соответствующее накопление потенциальной энергии в нем приводит к предельному состоянию. Наличие концентратора у образцов приводит к существенным изменениям в законах накопления повреждённое и предельных величин по сравнению с теми же параметрами гладких образцов. Рост повреждённости в образцах с надрезом более интенсивен, чем у гладких образцов. Это подтверждается данными [40], где показано, что вязкость разрушения материала в большей степени зависит от пластичности при испытании образцов в условиях плоскодеформированного состояния, и от пластичности при осеометричном нагружении.
При v=0,35 для бронзы величина Пкр =3. При этих значениях (Пкр 3) изменяется механическое поведение металла, что отчетливо видно на рисунках 3.2.1 - 3.2.24. Это проявляется в изменении наклона графиков до величины П,ф и после нее. Величина наклона отражает чувствительность материала к изменению напряженного состояния, и вычисляется по тангенсу угла наклона 71 (по абсолютной величине) по формуле (2.5.10). Чем выше величина л , тем материал более чувствителен к концентраторам напряжений в изделиях.
Таким образом, величина я является новой важной характеристикой поведения металлов в конструкциях, так как отражает чувствительность предельной деформации к напряжённому состоянию и разрушению. Значения характеристик предельного состояния, значений Пи 71 v бронзы Бр.Б2 приведены в таблице 3.2.1.
Двухпараметрический критерий зарождения трещины К1Т есть безразмерный коэффициент перенапряжения кристаллической решетки в момент зарождения трещины, количественно определяющий способность материала сопротивляться возникновению трещин при деформации (чем выше КЇТ) тем труднее в материале зарождаются трещины) и выражается следующим образом [42]: имеет размерность напряжения (МПа)2, или работа (МДж/м3)2, количественно определяющий способность материала сопротивляться свободному движению трещин при деформации в условиях достижения критического напряженного состояния (чем выше Крт, тем труднее в материале распространяются трещины). Wc кр - критическая величина предельной удельной энергии деформации, которая определяется при критическом напряженном состоянии (трехосное растяжение), когда энергия деформации, затрачиваемая на пластическую деформацию, равна энергии, идущей на упругое искажение объема. Трехпараметрический комплекс хрупкости Рхр, количественно оцениваю щий понятие «хрупкость» по соотношению предыдущих критериев, (чем выше Рхр, тем сильнее превышает критерий распространения трещины над критерием зарождения трещин, тем лучше металл противостоит хрупкости) [44]: размерность (МПа) или Полученные результаты расчетов приведены в таблице 3.3.1, рисунках 3,3.1-3.3.3 для бериллиевой бронзы и таблице 3.3.2, рисунках 3.3.4-3.3.6 для пружинных сталей. Плотность образцов определялась методом гидростатического взвешива-ния на аналитических весах типа ВЛА-200г-М с точностью до 10 г. До взвешивания образцы промывались в спирте и тщательно просушивались. Взвешивание проводилось на воздухе и в дистиллированной воде, температура которой измеряется до и после взвешивания термометром. При взвешивании в воде образец крепился на капроновой нити (диаметр нити 0,01 мм.) к крючку подвески весов. Вычисление плотности производилось по формуле [45]: (2.7.2.) где В - барометрическое давление, мм. рт. ст., ц - относительная влажность, t -температура воздуха, С, Рвп парциальное давление насыщенного водяного пара при данной температуре, мм. рт. ст.,рд„ - плотность насыщенного водяного пара при данной температуре, кг/м3. Условия, при которых проводились испытания, представлены в таблице 2.7.1. При весьма точных измерениях следует иметь ввиду, что в закрытых помещениях воздух может содержать повышенное количество СОг, соответствующее увеличение плотности воздуха учитывают введением поправки, равной 0,0064Х, где X - содержание С02 в объёмных процентах. Значения плотности приведены в таблице 3.4.1.
Измерение микротвердости образцов осуществлялось на приборе типа ПМТ-3. Принцип действия прибора основан на вдавливании алмазной пирамиды в исследуемый материал под нагрузкой, равной 0,98 Н и измерении линейной величины диагонали полученного отпечатка. При исследовани и металличе
Закономерности изменения других предельных характеристик от показателя напряжённо-деформированного состояния
Программа исследований включала испытания на растяжение гладких цилиндрических образцов и образцов с надрезами, а также контроль твердости. Для испытания на растяжение использовались образцы с диаметром рабочей части 6 мм и длиной рабочей части 30 мм. Образцы изготовлялись в соответствии с ГОСТ 1497. Статические испытания на растяжение гладких и надрезанных образцов проводили на испытательной машине типа УМЭ-10ТМ с предельной нагрузкой 5 х 10 Ни скоростью 5 мм/мин. При каждой величине напряженно-деформированного состояния испытывали по 3 образца, результаты усредняли.
Оценка уровня механических свойств исследуемой бронзы после различных режимов пластической и термической обработок проводилась по стандартным характеристикам, определяемым по ГОСТ 1497.
Для оценки пластических свойств исследуемой бронзы кроме относительного сужения у/ использовали истинную (логарифмическую) деформацию где FQ и FK начальная и конечная площади поперечного сечения образца при надрезе соответственно, Начальный и конечный диаметр замеряли на инструментальном микроскопе типа БМИ-1 ГОСТ 5.188-69 (цена деления 0,005 мм.).
Для оценки предельной деформации образцов с надрезами использовали величину , при соответствующем напряженном состоянии - , \И) .
Предельная удельная энергия деформации Wc, МДж/м3 определялась при испытаниях на растяжение. Для гладких образцов и образцов с надрезами данный параметр рассчитывался по формуле Трощенко [32]: Значения показателя структурно-энергетического состояния бериллиевой где Hfi - микротвердость бронзы, МПа; JK.U - предел текучести меди, -130 МПа [30].
Удобство этого показателя состоит в том, что он легко рассчитывается и позволяет сопоставлять в единой системе отсчета напряжённое состояние сплава, создаваемое путем изменения структуры с напряжённым состоянием, создаваемым конструкцией и условиями нагружен ия. В зависимости от степени деформации и режима термической обработки значения Псэс приведены в таблице 2.4. L Для сталей показатель Псзс рассчитывается подобным образом: леза, к 300 МПа.
Основными зависимостями предельных характеристик являются зависимости временного сопротивления разрыву авь сопротивления разрушению им предельной деформации єпгед и предельной удельной энергии деформации Wc от показателя напряжённо-деформированного состояния [19] П = , где материала в исследуемом состоянии. ot - величина постоянная для определенного состояния.
Методика заключается в проведении испытаний на растяжение цилиндрических образцов с кольцевым надрезом различного радиуса кривизны. Нанесение кольцевого надреза приводит к локализации пластической деформации [39] и уменьшению объёма, в котором происходит пластическая деформация. Деформационное упругое изменение объёма и соответствующее накопление потенциальной энергии в нем приводит к предельному состоянию. Наличие концентратора у образцов приводит к существенным изменениям в законах накопления повреждённое и предельных величин по сравнению с теми же параметрами гладких образцов. Рост повреждённости в образцах с надрезом более интенсивен, чем у гладких образцов. Это подтверждается данными [40], где показано, что вязкость разрушения материала в большей степени зависит от пластичности при испытании образцов в условиях плоскодеформированного состояния, и от пластичности при осеометричном нагружении.
При v=0,35 для бронзы величина Пкр =3. При этих значениях (Пкр 3) изменяется механическое поведение металла, что отчетливо видно на рисунках 3.2.1 - 3.2.24. Это проявляется в изменении наклона графиков до величины П,ф и после нее. Величина наклона отражает чувствительность материала к изменению напряженного состояния, и вычисляется по тангенсу угла наклона 71 (по абсолютной величине) по формуле (2.5.10). Чем выше величина л , тем материал более чувствителен к концентраторам напряжений в изделиях.
Таким образом, величина я является новой важной характеристикой поведения металлов в конструкциях, так как отражает чувствительность предельной деформации к напряжённому состоянию и разрушению. Значения характеристик предельного состояния, значений Пи 71 v бронзы Бр.Б2 приведены в таблице 3.2.1.
Двухпараметрический критерий зарождения трещины К1Т есть безразмерный коэффициент перенапряжения кристаллической решетки в момент зарождения трещины, количественно определяющий способность материала сопротивляться возникновению трещин при деформации (чем выше КЇТ) тем труднее в материале зарождаются трещины) и выражается следующим образом [42]: имеет размерность напряжения (МПа)2, или работа (МДж/м3)2, количественно определяющий способность материала сопротивляться свободному движению трещин при деформации в условиях достижения критического напряженного состояния (чем выше Крт, тем труднее в материале распространяются трещины). Wc кр - критическая величина предельной удельной энергии деформации, которая определяется при критическом напряженном состоянии (трехосное растяжение), когда энергия деформации, затрачиваемая на пластическую деформацию, равна энергии, идущей на упругое искажение объема. Трехпараметрический комплекс хрупкости Рхр, количественно оцениваю щий понятие «хрупкость» по соотношению предыдущих критериев, (чем выше Рхр, тем сильнее превышает критерий распространения трещины над критерием зарождения трещин, тем лучше металл противостоит хрупкости) [44]: размерность (МПа) или Полученные результаты расчетов приведены в таблице 3.3.1, рисунках 3,3.1-3.3.3 для бериллиевой бронзы и таблице 3.3.2, рисунках 3.3.4-3.3.6 для пружинных сталей. Плотность образцов определялась методом гидростатического взвешива-ния на аналитических весах типа ВЛА-200г-М с точностью до 10 г. До взвешивания образцы промывались в спирте и тщательно просушивались. Взвешивание проводилось на воздухе и в дистиллированной воде, температура которой измеряется до и после взвешивания термометром. При взвешивании в воде образец крепился на капроновой нити (диаметр нити 0,01 мм.) к крючку подвески весов. Вычисление плотности производилось по формуле [45]: (2.7.2.) где В - барометрическое давление, мм. рт. ст., ц - относительная влажность, t -температура воздуха, С, Рвп парциальное давление насыщенного водяного пара при данной температуре, мм. рт. ст.,рд„ - плотность насыщенного водяного пара при данной температуре, кг/м3. Условия, при которых проводились испытания, представлены в таблице 2.7.1. При весьма точных измерениях следует иметь ввиду, что в закрытых помещениях воздух может содержать повышенное количество СОг, соответствующее увеличение плотности воздуха учитывают введением поправки, равной 0,0064Х, где X - содержание С02 в объёмных процентах. Значения плотности приведены в таблице 3.4.1.
Поведение пружинных сталей
Полученные результаты анализа пружинных сталей приводят к следующим выводам. Обобщенная диаграмма структурно-энергетического состояния (рисунок 3.1.2) показывает, что с помощью манипулирования температурой отпуска после закалки можно создать обширное поле значений предельной удельной энергии деформации и структурно-энергетического состояния. На диаграмме отражено, что на одном и том же уровне предельной удельной энергии деформации стали различаются величиной структурно-энергетического состояния, Псэс изменяется в диапазоне от 6 до 19.
Подобное многообразие структурно-энергетических состояний объясняется влиянием химического состава (содержанием углерода и легирующих элементов), концентрации вредных примесей и термической обработкой, создающих различные структуры. Все эти факторы определяют в конечном итоге структуру и многообразие механизмов упрочнения, различные комбинации которых и влияют на поведение сталей.
В основном, пружинные стали в производстве подвергаются закалке и среднему отпуску 380-470 С. Поэтому интересно проследить влияние легирующих элементов на критерии синергетики именно при этих режимах термообработки, например, при отпуске 400 С. Так, сталь 65 по сравнению с другими рассматриваемыми сталями имеет минимальное значение критерия распространения трещины и критерия хрупкости. С повышением температуры отпуска эти комплексы повышаются незначительно. Критерий зарождения трещины данной стали также не высок, по сравнению с другими сталями, но с повышением температуры отпуска этот показатель интенсивно увеличивается. Наименьшей склонностью к зарождению трещин обладает сталь 65Г, а наименьшей склонностью к движению трещин и сопротивлению хрупкости-сталь 60С2ХА.. Кроме того, эта сталь имеет высокий показатель предельной удельной энергии деформации при почти максимальном Псэс.
У сталей, легированных кремнием, при повышении температуры отпуска уменьшается критерий распространения трещин и критерий хрупкости, т.е. материал становится более чувствительным к охрупчиванию. Упругие элементы, изготовленные из кремнистой стали, склонны к обратимой отпускной хрупкости в интервале температуры отпуска 450 - 550 С [76], что может являться причиной пониженной сопротивляемости материала к зарождению трещин.
Для более полного анализа влияния легирующих элементов на поведение предельных характеристик был проведен расчет этих параметров пружинных сталей различных марок после закалки, (температура закалки определялась согласно диаграмме железо-углерод) и одинаковой температуры отпуска 470 С, взятых из литературных источников [1]. Результаты расчетов приведены в таблице 4.2.1.
Из анализа таблицы можно сделать следующие выводы.С повышением содержания в стали углерода (от 0,65 до 0,85%) наблюдается незначительное повышение прочностных параметров. Показатели пластичности (в том числе и спрел) остаются неизменными. При этом повышается предельная удельная энергия деформации (в 1,16 раз), сопротивляемость материала движению трещины (в 1,4 раза), и комплекс хрупкости (в 1,8 раз). Сопротивляемость образованию трещин практически не изменяется. С повышением содержания углерода увеличивается количество карбидов после закалки и отпуска, которые препятствуют движению дислокаций. В связи с этим возрастают прочностные свойства материала и сопротивляемость малым пластическим деформациям [1J. Легирование марганцем приводит к снижению прочностных свойств, остальные характеристики практически не изменяются, по сравнению с нелегированной сталью Легирование стали кремнием приводит к повышению, по сравнению с углеродистыми сталями, прочностных свойств, предельной удельной энергии ( в 1,3 1,5 раз), сопротивляемости движению трещины ( в 1,7-2 раза) и хрупкому разрушению ( в 2 раза). При этом пластичность и сопротивляемость образования трещины снижается. Легирование хромом, никелем и ванадием приводит к повышению прочностных характеристик, предельной удельной энергии деформации, сопротивляемости хрупкости ( в 2 - 3 раза) и движению трещины ( в 2 - 3 раза), по сравнению с углеродистыми марками сталей. В то же время пластичность и сопротивляемость материала образованию трещин практически сходна с данными свойствами нелегированных пружинных сталей. В промышленности на сегодняшний день оценка качества упругих элементов проводится по твердости. С одной стороны этот способ контроля качества является технологичным и простым в управлении, но с другой стороны, с помощью этого способа невозможно точно судить о качестве детали. Во-первых, твердость является показателем прочности материала, а для упругого элемента необходимо знать его характеристики упругости. Однако, упругие показатели определить сложно, по причине того, что требуется изготовление специальных образцов, наличие сложного и высокоточного оборудования и проведения сложных расчетов, поэтому применение упругих характеристик в качестве приемочных параметров в условиях производства применения не нашло. Во-вторых, показатель твердости не используется в расчетах упругих элементов на стадии разработки, т.е. этот показатель не придает информации о качестве пружин. В-третьих, замер твердости проводится на образцах-свидетелях, а не на конкретной детали, что дает лишь возможность вероятностно оценить даже характеристику прочности.
При исследовании влияния режимов термической и пластической обработки на изменение модулей упругости, выяснилось, что модуль упругости достаточно существенно изменяется в зависимости от режимов термообработки и деформации. Так как именно эти параметры участвуют в расчетах пружин при проектировании, то наиболее целесообразным будет применение упругих модулей для оценки качества пружин, так как они будут являться более информативными, по сравнению с показателем твердости.
Концепция применения модулей упругости в качестве сдаточной характеристики решает ряд задач, начиная от стадии проектирования и заканчивая контролем качества упрочненных деталей.
Как описывалось в главе 1, конструктор при расчетах пружин использует конкретное, установленное значение модуля упругости. При неудовлетворительных расчетах ему приходится изменять другие параметры пружин, например, при расчете жесткости пружины, где в формулах используются только модули упругости и геометрические размеры детали. Изменение размеров пружи ны может повлечь за собой пересмотра размеров контактирующих деталей или всей системы в целом. Поэтому, имея представление о возможности манипулирования значениями модулей упругости, на стадии проектирования имеется возможность оптимального решения «тупиковых» конструкторских задач.
При выборе оптимального значения модуля упругости конструктор отражает требование в чертеже именно по этому значению, а не по твердости. Технолог, используя зависимости изменения модулей упругости от режимов термообработки, учитывая исходное состояние бронзы, выбирает оптимальные режимы дисперсионного твердения и отражает их в технологической карте.
