Способ упрочнения деталей

 

Изобретение относится к разработке конструкции и технологии производства конкурентоспособных изделий и может быть использовано для определения достоверных свойств КМ, например, металлов. В основе использовано пластическое деформирование, которое сопровождается образованием внутренних напряжений (ВН). Стабилизацией удаляют пластические релакцируемые во времени ВН, а упругие ВН разного знака используют для повышения несущей способности изделий или экономии КМ. Величина ВН достигает предела текучести как при растяжении, так и при сжатии. 3 ил.

Изобретение относится к разработке конструкции и технологии производства конкурентоспособных изделий и может быть использовано для определения достоверных свойств КМ, например металлов, в пределах от абсолютного нуля до максимальной температуры, при которой контролируемый металл сохраняет упругие свойства.

Известен способ упрочнения металлов. Сущность его заключается в том, что в основе используют пластическую деформацию (ПД), которая является результатом необратимых смещений атомов.

В результате преимущественно скольжения возникают как макро-, так и микроскопические деформации контролируемого тела. Считают, что чем больше количество движущихся дефектов структуры и длиннее суммарный путь их перемещений, тем больше величина деформации.

Реальная картина (ПД) определяется структурой, составом материала, величиной энергии дефектов упаковки, влиянием примесей и легирования, а также существенно зависит от ориентировки относительно направления действия внешних нагрузок.

Низкотемпературная (от 0 до 0,2 Тпл.) ПД, когда процессы термического возврата во времени деформации практически можно не учитывать с самого начала и до момента разрушения, сопровождается повышением сопротивления материала образца деформации по мере ее увеличения. Иными словами, для продолжения деформации требуется постоянное увеличение прилагаемого напряжения.

Это явление называется деформационным упрочнением. Оно проявляется не только в процессе деформации. Известно, например, что после предварительной холодной деформации прочностные характеристики материала повышаются.

Основным недостатком его является большое неуправляемое рассеивание, например, предела текучести при одинаковом упрочнении определенного металла.

Известен способ упрочнения металла. Он заключается в том, что металлы и металлические изделия получают, применяя неравновесные процессы обработки, что приводит к возникновению внутренних (остаточных) напряжений (ВН) и деформаций, т.е. ВН возникают под действием ПД. Местное изменение удельного объема твердого тела приводит к возникновению ВН, т.е. к повышению потенциальной энергии, которая является одной из составных частей внутренней энергии системы.

В однородной системе часть ВН обратимо снимаются при нагревании, а часть нагревом устранить невозможно. Причем еще в древности было известно упрочняющее действие на металлы закалки и нагартовки, в более позднее время раскрыто подобное действие процессов старения.

В основе закономерного деформирования твердого тела лежит закон сплошности рабочих тел, закон равновесия и физический закон, устанавливающий связь между изменением напряжений и деформации в рабочем процессе.

При использовании закона сплошности рабочее тело наделяется признаками однородного (т.е. непрерывной среды), бесконечно малые элементы которого имеют свойства, присущие микроскопическим объемам. Он позволил ввести понятие об истинных деформациях (1) (1) где ε- относительная деформация; Δl₁, Δl₂ расстояние между рассматриваемыми точками тела до и после деформации.

Однако он утрачивает смысл при использовании реального твердого тела, содержащего дефекты структуры и пластические ВН.

Закон равновесия деформируемого тела характеризует механическое равновесие тел и бесконечно малых частиц. В реальном КМ сохранение равновесия в микроскопической части сопровождается нарушением условий равновесия в микроскопическом масштабе, при котором потенциальная энергия его равна нулю.

В реальном теле в силу неравномерного распределения искажений физический закон, устанавливающий зависимость между деформацией и напряжением, имеет большие рассеивания. Отсюда очевидна необходимость дополнения физических методов статистическими.

Основным недостатком его является отсутствие разделения ВН на пластические и упругие составляющие.

Известен также способ упрочнения деталей.

Сущность его состоит в том, что осуществляют поверхностное пластическое деформирование деталей или их частей. В результате возникают благоприятные сжимающие ВН, которые упрочняют изделия, например, повышают предел текучести в 1,5 2 раза и их долговечность.

Недостаток отсутствие разделения ВН на составляющие, что вызывает большое рассеивание параметров.

Известен способ упрочнения металлов, принятый в качестве прототипа. Сущность его состоит в том, что если образец металла подвергнуть деформации растяжением за предел упругости и затем разгрузить до нуля, то часть общей деформации исчезнет, а часть остается. Исчезающая деформация подчиняется закону Гука. Деформируя снова тот же образец растяжением, обнаруживаем возрастание его сопротивления, т.е. упрочнение предел упругости повышается.

Предел упругости при сжатии образца, ранее наклепанного растяжением, оказывается ниже, чем при первом растяжении. Обнаруживается важная закономерность: ПД тела растяжением сопровождается образованием сжимающих ВН.

Недостатком этого способа является неоднородность реального КМ, которая обуславливает переход от упругой к ПД постепенно при различных воздействиях, а также отсутствие разделения ВН на составляющие, что вызывает рассеивание прочности тела в широких пределах.

Целью настоящего изобретения является уменьшение рассеивания прочности КМ в процессе производства и во времени, а также повышение несущей способности для нагрузки разного знака и экономия его.

Поставленная цель достигается тем, что разделяют ВН на однородные и неоднородные по объему заготовки материала, упругие и пластические составляющие, создают в процессе производства материала и изготовления заготовок однородные упругие ВН определенной величины, совпадающие по знаку с напряжениями от внешней нагрузки на данную деталь, изготовляют деталь при чистовом режиме обработки резанием, который взаимно компенсирует силовое и тепловое воздействие процесса резания и не образует измененного поверхностного слоя и новых ВН, снимают с нее пластические ВН стабилизирующей обработкой при максимальном приращении контролируемого параметра и минимальной температуре, контролируют полное удаление пластических ВН по линейности деформационной характеристики (ДХ) температурной зависимости частоты собственных колебаний образца при выдержке на каждой ступени до полного выравнивания температуры по всему объему, которую определяют по прекращению приращения контролируемого параметра, определяют упрочнение материала или детали по величине и знаку созданных однородных упругих ВН.

В общем случае используют также реальные КМ и детали после удаления в них пластических релаксируемых ВН, а также упрочняют поверхностный слой детали или ее части.

На фиг.1 изображена схема образования ВН: а сжатия, б растяжения.

Дефект микроструктуры типа атом внедрения (а) увеличивает параметры решетки дефектной ячейки и вызывает образование сил F. При этом возникают реакции решетки R_в силы межатомного взаимодействия, которые вызывают образование ВН сжатия.

Дефект микроструктуры типа вакансия (б) уменьшает параметр дефектной ячейки и вызывает образование сил F₁. При этом возникают реакции E_в1, которые вызывают образование ВН растяжения.

На фиг. 2 изображены ДХ: 1-1¹ для тела, в котором ВН равны нулю, 2 - 2₁ для тела, в котором имеются упругие ВН сжатия on(-σ_вну); 3 3 для тела, в котором имеются упругие ВН растяжения om(σ_вну).. Откуда видно, что ВН сжатия смещают ДХ вправо, а ВН растяжения влево.

На фиг.3 показано разделение однородных ВН на составляющие. Здесь ДХ 1-1 характеризует контролируемое тело. ДХ2-2 характеризует это же тело после снятия в нем пластических релаксируемых ВН.

ДХ0-0 характеризует эталон тело такое же без ВН.

Чтобы получить эталон, удаляют стабилизацией пластические ВН, а упругие ограничивают, например, путем компенсации их температурными напряжениями.

ДХ3-3 есть касательная к ДХ1-1, параллельная ДХ2-2, ДХ2-4 параллельна ДХ0-0. ДХ5-5 характеризует неоднородные ВН. Здесь контролируемый параметр - частота продольных собственных колебаний стержневого образца, а приращение ее характеризует составляющие ВН: Δf_нп неупругая (пластическая) перераспределяющаяся; Δf_нн неупругая неперераспределяющаяся; Δf_уп упругая перераспределяющаяся; Δf_ун упругая неперераспределяющаяся под воздействием приращения температуры.

Разделение однородных ВН на составляющие можно выполнить различными способами. Например, измеряют ВН в образце, удаляют пластические ВН и измеряют упругие ВН.

Под однородными ВН понимают такие напряжения, которые равномерно распределены по объему тела. Они образуются при кристаллизации и равномерной пластической деформации металла. Скорость кристаллизации определяется скоростью зарождения центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов. Она вызывает образование избыточных сил и соответственно ВН, а равномерность ее по объему тела обеспечивает однородность ВН, которую можно контролировать по углу наклона ДХ, например, температурной зависимости частоты собственных колебаний образца к оси абсцисс.

Известно, что ПД материала изменяет его свойства, включая и прочность. Однако до сих пор отсутствует технология производства, которая позволила бы этим процессом закономерно управлять.

ПД тела возникает при силовом и температурном воздействии, включая быстрое охлаждение, например, раскаленных профилей проката и сопровождается образованием ВН (фиг.1, 2), величина которых достигает предела текучести [1, с. 196) как при растяжении, так и при сжатии, откуда следует, что интервал упрочнения равен двум пределам текучести.

Были попытки раньше решить задачи закономерного упрочнения КМ, например, использование феноменологических законов деформирования тел, внутреннего трения [2] многократного ПД [3] Однако все они имеют существенные ограничения из-за большого рассеивания физических свойств. Из [2] cледует, что реально существуют упругие КМ без ВН, упругие КМ с ВН как сжатия, так и растяжения, а также КМ, содержащие пластические ВН сжатия и растяжения. Это означает, что принципиально можно использовать для упрочнения упругие ВН разного знака, т.е. чтобы скомпенсировать реакции от внешней нагрузки.

Для образования упругих ВН [4] воздействуют внешней силовой или температурной нагрузкой выше предела упругости или интенсивным охлаждением нагретого до высокой температуры тела. При этом образуются согласно эффекту Баушингера сжимающие или растягивающие ВН, которые содержат как пластическую релаксируемую, так и упругую составляющие. Пластическую составляющую удаляют стабилизацией, например отжигом.

Реальные КМ содержат пластические ВН, которые вызывают их неоднородность.

Для определения режима отжига задаются временем выдержки, например 2 ч, и определяют максимальную температуру нагрева, при которой приращение контролируемого параметра, например, частоты собственных колебаний прекращается.

Чтобы ограничить погрешность измерения упрочнения, т.е. рассеивание, используют обработку резанием, при которой тепловое и силовое воздействия на материал взаимно компенсируют друг друга. Контроль осуществляют по нулевому приращению контролируемого параметра, например, частоты продольных собственных колебаний стержневого образца.

Поликристаллические материалы являются однородными по упругим свойствам и хорошо упрочняются по объему.

Монокристаллические материалы упрочняются по поверхности.

Определение величины и знака упругих ВН производят по формуле (2) σ_вну= -(σ_тру+σ_тсу), (2) где σ_тру, σ_тсу пределы текучести материала соответственно при растяжении и сжатии.

Пример. Использованы заготовки проката диаметром 15/120 мм СТ40Х13 с закалкой с 1050^o на воздухе и отпуском при 650^oС, которые дополнительно стабилизированы при Т 520^oC, τ 80 мин при V_охл≅ 120^oC/час до Т 400^oС.

С четырех заготовок сняты ДХ температурной зависимости частоты продольных собственных колебаний (аналогичных фиг.3). Линейность ДХ определила отсутствие в них пластических ВН, а одинаковый угол наклона к оси абсцисс однородность контролируемого материала.

Изготовлены два образца N17 ГОСТ 1497-73 и определены пределы текучести при растяжении , а также два образца диаметром 13/13 мм и определены пределы текучести при сжатии .

Из уравнения (2) определены упругие ВН, упрочняющие материал

Основные преимущества предлагаемого способа по сравнению с существующими.

1. Использованы упругие нерелаксируемые ВН разного знака, что повышает стабильность размеров и свойств изделий во времени, а также экономит конструкционные материалы.

2. Ограничена резко случайная погрешность, которая обуславливала непредсказуемые явления.

Использованная литература
1.Э.Гудремон. Специальные стали. Т. 1. М. Металлургия, 1966.

2.Кочнева Л.Ф. Внутреннее трение в твердых телах при колебаниях. М. Наука, 1979.

3. Авт.свид. СССР N 616091, кл.B23K 20/00, 1978.

4. Авт.свид. СССР N 1177664, БИ 33, 1985.

Формула изобретения

Способ упрочнения деталей, включающий создание внутренних напряжений путем деформации, отличающийся тем, что предварительно деталь в исходном состоянии подвергают отжигу для снятия пластических внутренних напряжений и измеряют величину и знак оставшихся упругих напряжений в исходной детали, деформацию осуществляют с получением внутренних напряжений, однородных по объему, упрочненную деталь подвергают отжигу для снятия пластических напряжений, измеряют величину и знак оставшихся внутренних упругих напряжений и учитывают величину и знак таких напряжений в исходной детали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3