Остаточные напряжения.-1
.pdfКоэффициент Пуассона определяли по методике, изло женной в работе [14], звуковым методом путем возбуждения в исследуемом образце стоячей волны изгибных колебаний. Суть метода заключается в том, что, если в стержне прямоугольного поперечного сечения возбудить стоячую волну, то в первую по ловину периода колебаний слой материала выше нейтральной оси будет испытывать по длине стержня деформацию растяже ния, а слой материала ниже нейтральной оси— деформацию сжатия. Во вторую половину периода колебаний картина изме нится на обратную. Верхний слой материала стержня будет ис пытывать деформацию сжатия, а нижний — деформацию рас тяжения.
Периодические продольные деформации растяжения и сжатия с частотой собственных колебаний стержня вызывают поперечные сокращения слоев материала, величина которых зависит от коэффициента Пуассона материала.
Схема устройства для измерения коэффициента Пуассона путем возбуждения в исследуемом образце стоячей волны из гибных колебаний состоит из двух мостов Уинстона, один из которых служит для измерения продольной деформации, дру гой — для измерения поперечной деформации.
Коэффициент Пуассона определяли по формуле р = ДКяо„/ЛКпр,
где AVnon — амплитуда напряжения на выходе моста для измере ния периодической поперечной деформации; AVnp— амплитуда
ill
напряжения на выходе моста для измерения периодической про
дольной деформации.
Результаты исследования упругих характеристик и коэффи
циента линейного расширения покрытий представлены в табл. 3.1.
Табл. 3.1
Модуль упругости первого рода, коэффициенты линейного рас ширения и Пуассона исследуемых покрытий
№№ п/п |
Материалы |
Е, 10ю Н/м2 |
а, 10-6 1/°С |
|
|
порошка |
|
|
|
1 |
Fe-10% V |
20,21 |
11,2 |
0,25 |
2 |
Fe-T i |
15,39 |
П ,2 |
0,33 |
3 |
С-300 |
18,03 |
8,6 |
0,31 |
4 |
Р6М5ФЗ |
17,83 |
10,06 |
0,32 |
5 |
ПЖРВ2 |
19,54 |
11,5 |
0,30 |
6 |
Fe-Cr |
20,22 |
15,7 |
0,30 |
3.7.Расчетно-экспериментальное определение остаточных напряжений в покрытии и основе тел вращения
Было установлено, что в процессе формирования электро магнитных покрытий в результате различия температур и ко эффициентов линейного расширения покрытия и основы, изме нений удельных объемов при фазовых превращениях возника ют остаточные напряжения, которые изменяют адгезию покры тий, оказывают влияние на их эксплуатационные свойства и в ряде случаев приводят к образованию трещин.
Следует отметить, что в настоящее время нет единой ме тодики определения остаточных напряжений в системе покры тие-основа, которая бы учитывала все процессы, происходящие при формировании покрытий.
Учитывая то, что температурные условия формирования электромагнитных покрытий оказывают основное влияние на их свойства, представляет большой интерес определение области температур покрытия и основы по условию минимальных оста точных напряжений на границе раздела покрытие-основа. Вместе с тем необходимо оценить остаточные напряжения в покрытии и основе для различных температур формирования покрытия.
Полученные выше соотношения (3.59), (3.60), (3.64), (3.65) позволили разработать алгоритм и составить на языке ПАСКАЛЬ программу для численных исследований остаточных напряже ний в системе покрытие-основа на поверхностях тел вращения (рис. 3.9).
При определении остаточных напряжений для каждого образца устанавливались теплофизические и упругие характе ристики материалов покрытия и основы, геометрические пара метры системы, диапазон температур, который обеспечивался режимом ЭМН. Покрытия наплавлялись на основу из стали 45 порошками: Fe-10%V, Fe-Ti, С-300, Р6М5ФЗ, ПЖРВ2. Расчет остаточных напряжений оканчивался при условии проведения его по всей толщине системы.
и з
Рис. 3.9. Логическая блок-схема алгоритма для расчета
остаточных напряжений в системе покрытие—основа
$ , Шк
Рис. ЗЛО. Распределение тангенциальных (а), радиальных (б)
иэквивалентных (в) напряжений по толщине покрытия Fe-10%V
иосновы (полый цилиндр) из стали 45 в зависимости
от температуры нагрева поверхности основы: 1 - t=150°C;
2 - 1 = 200°С; 3 - 1 = 300°С
Результаты численного расчета на ЭВМ остаточных напря жений в системе покрытие-основа представлены на рис. ЗЛО...3.12. Их анализ показывает, что величина остаточных напряжений в зависимости от условий ЭМН может изменяться в широких пределах и принимать как положительные, так и отрица тельные значения. Характер распределения остаточных напряже ний не зависит от температурного режима наплавки и материала ферромагнитного порошка. Видно, что окружные напряжения в покрытии положительные (растягивающие), а в основе — отрица тельные (сжимающие), радиальные— отрицательные как в по крытии, так и в основе. С повышением температуры в системе по крытие-основа остаточные напряжения возрастают. Например, для покрытия Fe-10%V, наплавленного на сплошной цилиндр (рис. 3.11), при температуре поверхности основы 150°С окружные растягивающие напряжения на поверхности покрытия равны 283 МПа, при 200°С — 395 МПа, а при 300°С — 618 МПа, т.е. напря жения увеличиваются в 1,4 и 2,18 раза соответственно. При тех же условиях окружные сжимающие напряжения на поверхности ос новы соответственно равны — 7,18; 10,0; 15,7 МПа. Следователь но, с возрастанием температуры увеличение окружных напряже ний в основе аналогично увеличению их в покрытии. Такая зако номерность характерна и для других исследуемых материалов по рошков (рис. 3..12).
с
ь ,
too
4DO
200
о
4 |
8 |
12 |
16 |
20 |
20.2 20*4 Г , и* |
Рис. 3.11. Распределение тангенциальных (а), радиальных (б) и эквивалентных (в) остаточных напряжений по толщине
покрытия и основы (сплошной цилиндр) из стали 45 в зависимости от температуры нагрева поверхности основы: 1 - 1 = 150°С;
2 - 1 = 200°С; 3 - 1 = 300° С
Из исследуемых покрытий наименьшие остаточные на
пряжения в принятом диапазоне температур имеют покрытия из
порошка С-300, наибольшие - ПЖРВ2 (рис. 3.12).
4 |
8 |
12 |
16 |
20 |
20,2 |
20,4 Г . ж |
Рис. 3.12. Распределение тангенциальных (а), радиальных (б),
иэквивалентных (в) остаточных напряжений по толщине покрытий и основы (сплошной цилиндр) из стали 45 при температуре нагрева поверхности основы 150 °С
взависимости от материалов наплавленных порошков: 1 - С-300; 2 - Fe - Ti; 3 - Р6М5ФЗ; 4 - 1ТЖРВ2
В сплошном цилиндре радиальные и эквивалентные на пряжения так же, как и окружные при увеличении температуры в системе покрытие-основа повышаются. При этом закономер ность их роста аналогична окружным напряжениям: при увели чении температуры поверхности основы с 150°С до 200°С ради альные и эквивалентные напряжения увеличиваются в 1,4 раза, до 300°С — в 2,2 раза.
Следует отметить, что эквивалентные напряжения в по крытии значительно большие, чем в основе. Отношения этих напряжений для исследуемых материалов порошков составляли больше 35.
Анализ численных расчетов остаточных напряжений (рис. 3.10...3.12) показывает, что при наплавке покрытия на по лый цилиндр закономерность распределения напряжений в по крытии и основе отличается от распределения в сплошном ци линдре. Так, при возрастании температуры напряжения в по крытии увеличиваются больше, чем в основе. Например, если внешний радиус цилиндра в два раза больше внутреннего и температура увеличивается в два раза, т.е. от 150°С до 300°С, эквивалентные напряжения в покрытии увеличиваются в 2,12
раза, а в основе — только в 1,5. .1,7 раза. Кроме того, в полом цилиндре на поверхности основы окружные и эквивалентные остаточные напряжения большие, а в покрытии меньшие, чем в сплошном. Радиальные— на внешней стороне основы мень шие, чемокружные, а на внутренней — уменьшаются до нуля.
Например, если радиус отверстия составляет половину внешне го радиуса цилиндра и наплавка проводится при равных усло виях, то окружные и эквивалентные остаточные напряжения в покрытии уменьшаются на 8... 10% по сравнению с напряже ниями в сплошном цилиндреВсе это является следствием того, что на механизм формирования остаточных напряжений как в покрытии, так и в основе существенно влияет наличие отвер стия в цилиндре.
С целью проверки рассмотренного теоретического метода расчета механизма формирования остаточных напряжений в системе покрытие-основа проведены исследования по их экс периментальному определению. Экспериментальное определе ние остаточных напряжений проводилось по методу Давиденкова в процессе непрерывного электрополирования. Исследова ния проводили в покрытиях Fe-10%V и С-300, наплавленных на образцы в виде колец размерами 100x94x20 мм из стали 45, в качестве электролита использовали 40% H2SO4, 35% Н3РО4, 15% HF, остальное— вода. Покрытия наплавляли с контролем температуры поверхности основы.
На рис. 3.13 представлены результаты экспериментально го исследования распределения остаточных напряжений по се чению основы и покрытия из ферромагнитных порошков С-300 и Fe-10%V в зависимости от температуры нагрева поверхности основы. Анализ их показывает, что рассмотренный теоретиче