Спосіб визначення залишкових напружень в азотованих шарах

Реферат: Спосіб визначення залишкових напружень в азотованих покриттях, в якому плоский зразок з покриттям з обох сторін піддають електролітичному травленню з однієї сторони, записуючи при цьому деформацію зразка. Середнє значення залишкових напружень  в покритті визначають одним з відомих способів або/і з його використанням в залежності від товщини hn покриття і коефіцієнта k визначають величину залишкових напружень  z в будь-якій точці по товщині азотованого шару на відстані z від поверхні за формулою:  k( z 0,45hn ) 0,94  z    e (h n  z ) . UA 116041 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ В АЗОТОВАНИХ ШАРАХ UA 116041 U UA 116041 U 5 10 15 20 Спосіб належить до вимірювань напружень і деформацій, зокрема, до визначення залишкових напружень в азотованих шарах, що застосовуються в галузях металообробки та машинобудування. Відомий спосіб визначення залишкових напружень в смугових заготовках [1], який полягає в видаленні з смугової заготовки досліджуваного зразка, вимірюванні товщини покриття, визначенні параметра кривизни зразка, як параметра відхилення від прямолінійного положення і визначенні величини залишкових напружень за формулою, яка враховує модуль пружності та коефіцієнт Пуассона матеріалу основи. Недоліками цього способу є низька достовірність результату при його застосуванні до електроосаджених покриттів з ізольованою з одного боку основою і складність точного визначення кривизни поверхні малих зразків. Відомий спосіб визначення залишкових напружень в вакуум-плазмових покриттях [2], що здійснюється на основі експериментально-розрахункового методу з використанням гнучкого зразка з покриттям. Суть способу полягає в тому, що під дією залишкових напружень в покритті довга, вузька і тонка пластинка, на яку воно нанесено, деформується у вигляді дуги кола. Прогин або радіус кривизни деформованого зразка дозволяє розрахувати середнє значення залишкових напружень. Перевагою такого розрахунково-експериментального методу є те, що напруження розраховуються за остаточним результатом, тобто їх походження не має значення. Вакуум-плазмові покриття наносили на сталеві зразки методом конденсації з плазмової фази в умовах іонного бомбардування поверхні на устаткуванні ННВ-6,6-И1 ("Булат-20"). Після нанесення покриття визначали прогин, набутий в результаті дії залишкових напружень. Виходячи з величини виміряного прогину і використовуючи рівняння пружної лінії для балки, залишкові напруження визначали за залежністю: зал n  25 30 35 40 45 32EoH3 f o , (1) 2 3 a hn (1   o )(2Ho  hn ) де Ho , hn - товщини основи і покриття; Eo ,  o - модуль пружності основи першого роду і коефіцієнт Пуассона матеріалу основи; f - прогин зразка; a - довжина зразка. Недоліком даного способу є те, що він дозволяє визначати лише середнє значення залишкових напружень, які фактично є змінними по товщині покриття. Відомий спосіб визначення внутрішніх напружень в електроосаджених покриттях, згідно з яким експериментально визначають величину прогину зразка і розраховують напруження з урахуванням модуля пружності матеріалу основи [3]. Недолік відомого способу полягає в недостатній достовірності результатів при визначенні залишкових напружень в електроосаджених покриттях, що зумовлене наступним. При одержанні зразків електроосаджених покриттів, призначених для визначення залишкових напружень, осадження здійснюється з одного боку основи, що призводить до її деформації після нанесення покриття. При цьому інший бік основи ізолюється від контакту з електролітом за допомогою лаку, полімерної стрічки або інших матеріалів, які не проводять електричний струм. Звісно, наявність ізолюючого матеріалу впливає на пружні властивості зразків. Однак, у відомих способах не передбачене врахування наявності ізолюючого матеріалу, яким нехтують у розрахунках, використовуючи лише пружні константи матеріалу основи, що призводить до зменшення достовірності одержуваних результатів визначення залишкових напружень. Відомий спосіб визначення залишкових напружень в дифузійних покриттях, який включає визначення параметра відхилення зразка від прямолінійного положення, згідно з корисною моделлю [6] навантажують консольно защемлений зразок з покриттям на верхній площині та ідентичний зразок без покриття однаковим вантажем величиною P , що створює в зразку без покриття максимальні напруження згину, що мають величину більшу за залишкові напруження, але не перевищують границю пропорційності матеріалу, вимірюють відхилення кожного зразка від початкового положення і знаходять різницю прогинів азотованого і не азотованого зразків. За цією різницею з формули прогину консольної балки визначають силу P1 , за формулою 3YEJ Z , (2) L3 де E - модуль Юнга матеріалу пластини; JZ - момент інерції поперечного січення пластини. За силою P1 знаходять величину середніх залишкових напружень за формулою (4). P1  50 1 UA 116041 U  6P1L . (3) bh2 Найбільш близькими до запропонованого способу визначення залишкових напружень в азотованих шарах є відомий метод вимірювання залишкових напружень (метод М.М. Давиденкова) [4] і спосіб та установка для визначення залишкових напружень в дифузійних шарах [5], відповідно до яких залишкові напруження E  a2  K df , (4)  da 3b2 де E - модуль пружності матеріалу, Па; a - товщина зразка в середньому січенні без половини стравленого шару, мм; b - половина віддалі між осями закріплювальних гвинтів, мм; df / da - інтенсивність зміни стріли прогину зразка в залежності від його товщини; K - коефіцієнт, що дорівнює відношенню масштабів запису по осях X і Y. Зазначений спосіб дозволяє визначати залишкові напруження в любій точці по товщині покриття. Але він має наступні недоліки: низьку точність, що зумовлена зміною напруженого стану частини покриття, яка залишилась при видаленні частини покриття в результаті стравлення; неможливість визначення залишкових напружень з урахуванням діючих в покритті структурних напружень; високу трудомісткість і низьку технологічність, яка зумовлена великою тривалістю випробувань (4-8 годин) та складністю підбору режиму травлення внаслідок високої корозійної стійкості більшості матеріалів, які використовують для захисних поверхневих шарів (наприклад: карбідів, нітридів, боридів тощо); високу токсичність, яка зумовлена присутністю в складі речовини для травлення концентрованих кислот, лугів. В запропонованому способі визначення залишкових напружень в будь-якій точці по товщині азотованого шару усуваються недоліки, що зазначені в прототипі [4, 5], та вирішується задача з підвищення достовірності, точності та спрощення способу. В основу запропонованого способу поставлена задача з підвищення достовірності, точності та спрощення способу визначення залишкових напружень в будь-якій точці по товщині азотованого шару. Поставлена задача вирішується тим, що в металевій пластині з азотованим шаром за відомим способом [1| або [6] визначають середнє значення залишкових напружень  в азотованому шарі, а потім в залежності від товщини hn і коефіцієнта k за формулою (5) визначають дійсне значення залишкових напружень  z в будь-якій точці поперечного січення азотованого шару, що знаходиться на відстані z від поверхні.  5 10 15 20 25  30 35 40 k( z 0,45hn ) 0,94 (5) ,  z    e (h n  z ) де z - віддаль від поверхні до точки знаходження залишкових напружень в покритті; hn - товщина покриття; k - коефіцієнт, що враховує вплив температури Т°K нанесення дифузійного покриття. При іонному азотуванні сталей k=900/Т°K, який знаходиться з експерименту. Формула (5) одержана на основі апроксимації експериментальних даних, що отримані при дослідженнях залишкових напружень в азотованих шарах конструкційних сталей за відомими способами [3, 4]. Наводимо конкретні приклади реалізації запропонованого способу. Перший приклад. На пластини із сталі 40Х товщиною 3 мм, шириною 12 мм і довжиною 240 мм з одного боку по площині 12240 мм наносився азотований шар методом іонного азотування за різними режимами (табл. 1). Після цього вимірювався прогин f і за формулою (1) визначали середні значення залишкових напружень σ для кожного режиму (табл. 1). 2 UA 116041 U Таблиця 1 Залежність середніх залишкових напружень в сталі 40Х після різних режимів іонного азотування з використанням рівняння (2) пружної лінії для балки Технологічні параметри Середні Режим Мікро- Товщина Товщина Вміст Прогин залишкові ТемпеЧас азотуазотуоснови Тиск Р, азоту N2 твердість покриття f, мм напруження ратура вання τ, вання Н0, мм Па в суміші, Н100, МПа hn, мкм σ, МПа Т, °C год. % 1 560 235 3 100 6100 210 0.81 2,790 -162,2 2 560 235 3 75 9500 220 1.15 2,780 -230,3 3 560 235 3 50 5050 200 0,70 2,800 -140,2 5 Другий приклад. Пластини із сталі 40Х товщиною 3 мм і шириною 12 мм після іонного азотування за різними режимами (табл. 1) навантажували силою Р=60 Н на віддалі L-140 мм від защемленого кінця і заміряли прогин пластини Y1 в місці прикладання сили. Аналогічно навантажували ідентичну пластину без покриття такою ж силою Р і заміряли прогин Y2. Використовуючи формули з джерел інформації (3, 6, 7), знаходимо Y, Р1 і а для кожного режиму іонного азотування. Результати експериментів та розрахунків наведені в таблиці 2. 10Таблиця 2 Залежність середніх залишкових напружень в сталі 40Х після різних режимів іонного азотування в без водневих середовищах Технологічні параметри Середні Режим Мікро- Товщина Прогин НавантаВміст залишкові ТемпеЧас азотуТиск Р, азоту N2 твердість покриття Y=Y2-Y1, ження Р1, напруження ратура азотування вання мм Н Па в суміші, Н100, МПа hn, мкм σ, МПа Т, °C τ, год. % 1 560 235 3 100 6100 210 5,76 24,03 -160,2 2 560 235 3 75 9500 220 8,12 33,86 -225,2 3 560 235 3 50 5050 200 4,7 19,76 -138,4 Використовуючи формулу (1), визначаємо величини залишкових напружень в різних точках по товщині азотованого шару, що знаходяться на певній відстані від поверхні (табл. 3). Таблиця 3 Розподіл залишових напружень по товщині азотованого шару після іонного азотування сталі 40Х за різними режимами Віддаль від поверхні покриття 0 25 50 75 100 125 150 175 200 Запропонований спосіб 1 -312 -278 -240 -197 -148 -96 -48 -22 -5 Режим 2 -440 -395 -344 -286 -222 -152 -81 -35 -10 3 -269 -238 -203 -164 -115 -71 -29 -10 0 Метод Давиденкова М.М. [4] Режим 2 -450 -425 -375 -290 -208 -140 -ко -40 -12 1 -300 -290 -260 -210 -145 -94 -55 -26 -5 15 3 3 -250 -238 -208 -157 -100 -63 -35 -12 0 Відхилення від методу Давиденкова М.М., % Режим 1 2 3 4 2 8 4 7 0 8 8 2 6 1 4 2 7 15 2 9 13 13 1 16 15 13 17 0 17 0 UA 116041 U 5 10 15 20 25 З метою підтвердження достовірності визначення залишкових напружень в азотованих шарах за запропонованим способом в таблиці З наведені результати експериментальних досліджень залишкових напружень в азотованих шарах після іонного азотування сталі 40Х за аналогічними режимами (табл. 1), що отримані за відомим методом М.М. Давиденкова [4]. З таблиці 3 видно, що відхилення залишкових напружень, визначених запропонованим способом, від їх значень в аналогічних точках, визначених за методом М.М. Давиденкова, в верхній частині азотованих шарів не перевищують 8 %, що є цілком прийнятним для практики. Більші відхилення в нижній частині азотованих шарів пояснюються невисокою точністю вимірювань при малих значеннях залишкових напружень. Таким чином запропонований спосіб визначення залишкових напружень в азотованих шарах дозволяє визначати їх величину в будь-якій точці по товщині азотованого шару і є прийнятним для практики. Він більш простий в порівнянні з [4, 5] і значно скорочує кількість експериментів та їх протя Джерела інформації: 1 А.С. 1805307. G01L1/00. Способ определения остаточных напряжений в полосовых заготовках /Колмогоров Г.Л. - № 4888114/28; заявл. 06.12.1990; опубл. 30.03.1993; Бюл. № 12. 2. Патент UA № 28383: G0 1L1/06. Спосіб визначення структурних і температурних складових залишкових напружень в покриттях /Антонюк B.C., Сорока О.Б., Клименко С.А., Копейкіна М.Ю. - № u200707507; заявл. 04.07.2007; опубл. 10.12.2007. 3. Ковенский И.М., Поветкин В.В. Металловедение покрытий. - М: Интермет инжиниринг, 1999. - С. 53-55. 4. Давиденков Н.Н. Об измерении остаточных напряжений /Заводская лаборатория. -1937. № 8. С. 987-990. 5. Яковчук Ю.Е. Установка для определения остаточных напряжений в диффузионных слоях. /Ю.Е. Яковчук, В.Ф Лоскутов, С.М. Чернега //Заводская лаборатория, 1984, № 7. 6. Патент на корисну модель № 104531. Спосіб визначення залишкових напружень в дифузійних покриттях. Каплун В.Г., Гончар В.А., Паршенко А.В. Опубліковано 10.02.2016, бюл. № 3. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 Спосіб визначення залишкових напружень в азотованих покриттях, де плоский зразок з покриттям з обох сторін піддають електролітичному травленню з однієї сторони, записуючи при цьому деформацію зразка, а середнє значення залишкових напружень  в покритті визначають одним з відомих способів або/і з його використанням в залежності від товщини hn покриття і коефіцієнта k визначають величину залишкових напружень  z в будь-якій точці по товщині азотованого шару на відстані z від поверхні за формулою:  40 k( z  0,45h n ) ,  z    e (h n  z ) де z - віддаль від поверхні до точки знаходження залишкових напружень в покритті; hn - товщина покриття; k - коефіцієнт, що враховує вплив температури Т °K нанесення 0,94 дифузійного покриття, експериментів. при іонному азотуванні сталей k  900 / T , який отримано Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4 з