The mechanism of nanostructuring the surface of engineering parts during shot blasting

Full Text

Введение[13] Современный мир российского и зарубежного машиностроения сталкивается со многими проблемами. В процессе эксплуатации под действием внешних нагрузок в деталях накапливаются дефекты, которые приводят к нарушению работоспособности деталей и излому. Для борьбы с подобными проблемами в современном машиностроении используются различные методы, такие как конструктивные, технологические и профилактические. Конструктивные методы включают применение различных виброгасителей, обеспечение рациональных значений геометрических параметров деталей, узлов машин и жесткости опор и т.д. К профилактическим методам относится систематический осмотр деталей для выявления повреждений, своевременная их замена и другие мероприятия по техническому обслуживанию машин и механизмов. Анализ характера поломок деталей машин показывает, что большинство из них следует отнести к классу усталостных разрушений деталей, имеющих концентраторы напряжений. Следовательно, из технологических методов наиболее известными являются устранение или уменьшение технологических концентраторов напряжений (прижоги при шлифовании, закалочные трещины и т. д.), балансировка вращающихся деталей, термическая (поверхностная закалка) и химико-термическая (азотирование), а также применение методов упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием, обеспечивающих повышение усталостной прочности [1-5]. Проведено немало исследований по проблемам поверхностного пластического деформирования: от влияния и взаимодействия параметров на усталостную долговечность до оценки величины остаточных напряжений и их прогнозирования на поверхности деталей после дробеструйного упрочнения [6-9]. Однако многолетний опыт использования дробеструйной обработки не позволяет объяснить все эффекты положительного влияния на свойства деталей только наличием сжимающих остаточных напряжений в их поверхностном слое, поскольку наряду с ними в объеме обрабатываемой детали из условия самоуравновешенности формируются и остаточные напряжения растяжения [10; 11]. Это и является главным недостатком многих работ по оценке сопротивления усталости, несмотря на то, что остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое позволяют снизить действие растягивающих напряжений при эксплуатации более чем на 20 % [12]. Также к недостаткам современных исследований можно отнести отсутствие учета временного фактора при расчетах напряженно-деформированного состояния в очаге деформации и вычисления остаточных напряжений в упрочненной детали, что может привести к появлению дополнительной погрешности [13]. 1. Формирование наноструктурированного слоя при обработке дробью В работе [14] эффект повышения эксплуатационных свойств деталей и материалов при дробеструйном упрочнении объясняется образованием наноструктурированного поверхностного слоя. Когда на поверхность металлической детали воздействует поток сферических частиц с высокой скоростью, происходит наноструктурирование за счет холодной пластической деформации в тонком поверхностном слое детали. Само понятие «наноструктурирование» означает получение стабильной фазы, зернистость которой составляет от нескольких десятков нанометров до нескольких десятков микрометров. Наноструктурирование поверхности позволяет объяснить те положительные эффекты, которые обеспечивает дробеструйная обработка поверхности деталей. При наноструктурировании поверхности материала увеличивается усталостная долговечность, твердость, коррозионная стойкость, трибологические свойства [14]. Аналогичные исследования проводятся и за рубежом [15]. Сущность технологии дробеструйной обработки заключается в следующем. Поверхность обрабатываемой детали подвергают воздействию металлических закаленных микрошариков из сталей ПР10Р6М5 или ШХ15, диаметр шариков 0,16-2 мм. Упрочнение деталей микрошариками выполняют на специальных дробеметных установках, обеспечивающих равномерный поток микрошариков со скоростью 60-80 м/с. Данная технология широко применяется для упрочнения деталей машиностроения, в частности деталей авиационных двигателей. В результате холодной пластической деформации, которая реализуется в процессе дробеструйной обработки, происходит наноструктурирование поверхности обрабатываемого металла, приводящее к уменьшению размеров зерна кристаллической структуры поверхностных слоев. Необходимое условие наноструктурирования - холодная пластическая деформация. Холодная пластическая деформация - это деформация, при которой металл поверхности упрочняется без следов рекристаллизации, что и происходит при дробеструйной обработке. Наноструктурирование поверхностного слоя приводит к повышению твердости за счет наклепа поверхностного слоя металла. Кроме того, в процессе дробеструйной обработки в поверхностном слое формируются сжимающие остаточные напряжения, повышающие усталостную прочность обрабатываемого металлоизделия. 2. Практическое исследование упрочнения деталей при дробеструйной обработке В АО «ОДК - Пермские моторы» проводили исследования упрочнения хвостовиков рабочих лопаток из сплава ЖС32-ВИ при дробеструйной обработке. В результате определения остаточных напряжений по методу Давиденкова сжимающие напряжения на расстоянии 2 мкм от поверхности составляют , на расстоянии 5 мкм - , на расстоянии 10 мкм - . При дальнейшем увеличении расстояния от поверхности остаточные сжимающие напряжения снижаются, переходят в растягивающие и на расстоянии 200 мкм составляют . Можно полагать, что наноструктурированный поверхностный слой составляет 5 мкм. Накопление взаимно уравновешенных остаточных напряжений в процессе деформации является характерным для упрочнения (наклепа) в процессе дробеструйной обработки. Накопленные сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое могут благоприятно влиять на эксплуатационные свойства деталей после дробеструйного упрочнения. 3. Способ определения упрочненного (наноструктурированного) слоя Выявление условий формирования наноструктурированного слоя за счет холодной пластической деформации поверхностного слоя при дробеструйной обработке деталей машиностроения является целью работы. Для решения данной задачи было использовано известное из теории упругости решение о действии сосредоточенной силы на упругое полупространство [16]. На рис. 1 представлена расчетная схема. Рис. 1. Сосредоточенная сила, действующая на плоскость, ограничивающую полубесконечное тело [Figure 1. Concentrated force acting on a plane bounding a semi-infinite body] Выражения для напряжений в данной задаче имеют следующий вид [16]: ; ; , где P - действующее усилие, равное усилию действия одной дробинки; - коэффициент Пуассона материала обрабатываемой детали. Максимальные напряжения соответствуют оси . При , соотношения (1) принимают вид (2) ; ; . Задачей решения является достижение пластической деформации при дробеструйном упрочнении, которая обеспечивает формирование наноструктурированного слоя в поверхностном слое детали. Реализация пластической деформации возможна при использовании критерия пластичности Мизеса для напряженного состояния, описываемого соотношениями (2). Критерий пластичности Мизеса имеет следующий вид , (3) где - предел текучести материала обрабатываемой детали. Для материалов в условиях пластического состояния принято использовать условие несжимаемости, согласно которому коэффициент Пуассона . Тогда из уравнений (2) имеем для При этом условие пластичности (3) принимает вид (4) Из соотношения (4) следует, что толщина наноструктурированного поверхностного слоя при дробеструйной обработке равна (5) Усилие определяется произведением давления струи воздуха с дробью на площадь сечения ударяемой дробинки и углом наклона струи дроби к обрабатываемой поверхности: (1) (6) где - радиус применяемой дроби; - угол между направлением струи дроби и поверхностью обрабатываемой детали. Подстановка выражения (6) в соотношение (5) дает формулу для определения толщины наноструктурированного слоя при дробеструйной обработке: (7) На рис. 2 приведены расчетные зависимости толщины наноструктурированного слоя на поверхности при дробеструйной обработке от предела текучести обрабатываемого металла по формуле (7) для м, для МПа. Рис. 2. Зависимость толщины наноструктурированного слоя обрабатываемого материала от предела текучести: 1 - МПа; 2 - МПа; 3 - МПа; 4 - МПа; 5 - МПа [Figure 2. Dependence of the thickness of the nanostructured layer of the produced material on the yield strength: 1 - МПа; 2 - МПа; 3 - МПа; 4 - МПа; 5 - МПа] Из рис. 2 следует, что повышение предела текучести материала приводит к уменьшению толщины наноструктурированного слоя, а также, что толщина наноструктурированного слоя зависит от давления в струе дроби. Формула (7) составляет основу полученного патента [17]. Заключение На основании решения контактной задачи теории упругости о действии силы на упругое полупространство предлагаются формулы для расчета технологических параметров дробеструйной обработки деталей машиностроения, в частности формирования наноструктурированного слоя на поверхности детали. При холодной пластической деформации, реализуемой в процессе дробеструйной обработки, происходит измельчение зерен кристаллической структуры поверхности обрабатываемого металла до наноразмеров, что способствует повышению усталостной долговечности, твердости, коррозионной стойкости, улучшению триботехнических характеристик. Наличие наноструктурированного слоя на поверхности обеспечивает улучшение характеристик длительной и усталостной прочности, поскольку с позиции механики разрушения поверхность определяет опасность образования и роста трещин, приводящих к разрушению деталей машиностроения.

About the authors

German L. Kolmogorov

Perm National Research Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: vysotin.dpm@mail.ru

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Dynamics and Strength of Machine Department, Honored Worker of the Higher School of the Russian Federation

29 Komsomolskii Ave, Perm, 614000, Russian Federation

Alexandr S. Vysotin

Perm National Research Polytechnic University

Email: vysotin.dpm@mail.ru

graduate student of the Dynamics and Strength of Machine Department

29 Komsomolskii Ave, Perm, 614000, Russian Federation

References

Supplementary files