АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Управления процессом термосиловой обработки

Прежде чем рассматривать разработанную САУ термосиловой обработки (ТСО), следует сделать замечание по физике процес­са. В настоящее время не представляется возможным описать уравнениями состояния реономного тела, как бы тщательно оно не было изучено. Применение макроскопического реономенологического подхода, при котором не учитываются детальные устройства системы и работа отдельных элементов, а изучается функционирование системы в целом, как связь между выходом и входом, такие не решает поставленную задачу.

Процесс пластической деформации имеет ряд особенностей. Одна из них это зависимость сопротивления деформации в данный момент времени от истории деформации - технологической наследственности, т.е. от закона развития деформации во времени. Сопротивление пластической деформации нельзя задать в виде , т.е. как функцию от степени дефор­мации при данной фиксированной температуре. Если достичь заданного и далее обеспечить , то напряжение будет уменьшаться, хотя степень деформации останется неизменной. Это свидетельствует о том, что единой формулы типа не существует. Приведенные ранее уравнения моделей неупругих тел и их решения по­казывают, что напряжение не определяется значением в данный момент времени, а зависит от функции . До­пущение, что время релаксации постоянно для материалов, не соответствует экспериментальным данным. Нельзя считать известной функцию , если в заданным момент времени известны и . Деформация до определенной величи­ны может быть осуществлена различными путями, т.е. при одной и той же величине деформации, напряжения имеют существенно иные величины. Сами факты ползучести и релаксации показывают, что нет единой функции и попытки получить такого рода формулы обозначены на неудачу. В чем тут суть вопроса. На участке установившейся податливости при степень деформации возрастает, а остается постоянной. Если бы при напряжение было бы функцией , то была бы достигнута величина , соответст­вующая данному , и податливость не происходила. Однако это не верно. При релаксации и , а , тем не менее, изменяется от начальной может быть очень большой величины до весьма малых величин. Понятно, что если бы имело место , то при и получили бы и , т.е. релаксация не происходила бы. Если за время произошла деформация , то не оп­ределяется величиной , ни величиной , так как не яв­ляется функцией двух и более переменных, а зависит от всей функции .

Из определения остаточных напряжений не ясно, какие же причины лежат в основе образования поля остаточных напряжений. Единственное, что можно выяснить, что способ их определения, известный как теоремы о разгрузке.

В чем сущность возникновения и развития остаточных напряжений? Для пояснениях их происхождения рассмотрим графическую интерпретацию образования остаточных напряжений с помощью схематизированной кривой - . Представим вал (рис. 3.10, а) в виде стержневой плоской модели (три стержня одинакового диаметра 1, 2, 3 и скрепленных недеформируемой поперечной 4, в плоскости максимального прогиба). Будем считать, что до приложения внешней нагрузки стержни находились в начальном ненапряженном состоянии. Под действием растягивающей силы все стержни получат одинаковое удлинение и деформации .

Рассмотрим наиболее характерных три варианта несовмести­мости деформаций при разгрузке, первый - модули упругости , а и модули упрочнения , т.е. по­верхность изделия, в плоскости максимальной деформации, и его сердцевины имею не равные модули упругости (рис.3.10, а). Вто­рой вариант - изделие с однородными свойствами до деформации, а в процессе нагружения стержни 1, 2, 3 получили различные пластические деформации (рис.3.10, в).

При первом варианте, когда модули упругости стержней не равны между собой, как и их модули упрочнения (рис.3.10, б) целесообразно сравнить два стержня 1 и 2, это не нарушит пони­мание физики процесса и упростит рисунок.

Рассмотрим два ва­рианта разгрузки, стержень 2 находится при нагрузке еще в упругом состоянии и его деформация по закону Гука , где - напряжение в стержне 2, а стержень 1 находится при той же нагрузке в пластическом состоянии и его деформацию можно представить в виде , где и - пластическая и упругая деформация соответственно. При снятии внешней нагрузки деформация и напряжение в стержне 1 убывает по линии АК, а в стержне 2 по линии .

После разгрузки вели­чина деформации в стержне 1 равно , а напряжение в последнем равно нулю, а в стержне 2 , т.е. стержень 2 еще упруго растянут и обладает потенциальной энергией , т.е. под действием потенциальной энергии, соответствующей: , стержень 2 будет продолжать укорачиваться. Так как стержни связаны поперечной 4, то укорачивающийся стержень 2 вызовет в стержне 1 деформацию и напряжение сжатия.

Рис.3.10. Стержневая плоская модель деталей типа вал (а) и диаграммы нагружения (разгрузки) с неравными модулями упругости и упрочнения (б); нагружения стержней с разными пластическими деформациями (в); нагружения стержней в различных состояниях при нагрузке (г): 1', 2', 3' – характеристики стержней 1, 2, 3 соответственно

Деформация сжатия стержней будет идти до тех пор, по­ка не наступит упругое равновесие . Во втором варианте разгрузки стержень 2 как и стержень 1 имеет пластическую, неравную деформацию и разгрузка идет по линиям Вв и Мм. При полной, разгрузке стержня 1, , а . Как и в первом случае укорачивающийся стержень 2 вызовет деформацию сжатия, которое будет происходить до полного упругого равнове­сия потенциальных энергий .

Из приведенного примера видно, что различие в механиче­ских свойствах наружных и внутренних частей изделия (вала) приводит к тому, что при разгрузке не вся накопленная системой потенциальная энергия рассеивается, причем, чем больше величина пластической деформации, тем больше накапливается энергии. Если тело до деформации имело однородные свойства в сечении, а при деформации, в процессе нагружения три соседних элемента 1 … 3 получили различные пластические деформации, то при одной и той же полной деформации элементы достигли предела упругости (рис.3.10, в) и, начиная с этой точки, происходили неодинаковые пластические деформации. Для упроч­няющегося материала углы наклона кривых упрочнения стержней 1 … 3 неодинаковы при нагружении. Если разгрузить тело начиная от , то в точке второй элемент будет свободен от напряжений, и первый будет нагружен напряжениями растяжения . Этим напряжениям соответствует некоторый уровень потенциальной энергии , вызывающий в стержне 2 напряжения сжатия. При равновесии стержень 2 упру­го сжат , а стержень 1 упруго растянут. Площади заштрихованных треугольников соответствуют уровняй потенциальных энергий . Аналогичным образом можно описать поведение 3 стержня относительно 1 и 2. Таким образом, вследствие неодинаковых пластических деформации в поперечной сечении изделия механические свойства от элемента к элементу (от на­ружной поверхности зала к внутренней) различны, в результате чего появление остаточных напряжений неизбежно, а, следовате­льно, с учетом знака остаточные напряжения создают изгибающий момент, который и приводит к короблению готового изделия, а с учетом релаксационных процессов, это явление может проявляться через длительные периоды (месяцы после изготовления).

Третий вариант - все три стержня имеют одинаковый модуль упругости, но температура 1 и 3 элемента (поверхности вала) повышается настолько, что их пределы текучести заметно меньше предела текучести 2 стержня (рис.3.10, г). Здесь и в предыдущих случаях различные пластические деформации приводят к появлению остаточных напряжений.

Следует отметить, что во всех рассмотренных случаях ос­таточные наполнения исчезают, если элементы системы (стержни) освободить от связи одного с другим (например, проточить на токарном станке). Тогда система без связей свободно рассеивает накопленную потенциальную энергию, хотя следует за­метить, что геометрия таких свободных элементов будет другой, т.е. нарушается совместность пластических деформаций. В процессе разгрузки действительное перемещение в координатах начинается в точках (рис.3.10) и заканчивается в точке . Интервал соответствует вектору действительного упругого перемещения системы при разгрузке. В точке , система упругих остаточных напряжения в элементах тела уравновешивается, и дальнейшее движение - разгрузка возможна только при обтачивании изделия (вала).

Если в качестве внешнего воздействия выступает разновременность газовых превращений различных окрестностей деформируемого тела, то можно построить диаграммы подобные как на рис.3.10, т.к. базовые изменения в общем случае вызывают изменения объема и механических характеристик в различных точках тела в различное время. Такое же физическое толкование справедливо и для микронапряжений второго рода.

Можно считать, что непосредственной причиной развития остаточных напряжений является несовместность пластических деформаций, возникающих при нагружении изделия любым видом воздействия. С этих позиций следует рассмотреть механизм возникновения остаточных напряжений в круглом прокате при горячей прокатке. При прокате круглого профиля можно выделить две причины возникновения и развития остаточных напряжений: неравномерность пластических деформаций металла при обжатии, результат механического воздействия и неоднородность температурного поля, возникающего в процессе прокатки и охлаждения.

Прокат для изготовления длинномерных деталей типа "вал" имеет прогиб в силу перечисленных причин, и технология его изготовления требует таких технологических приемов, которые позволяли бы стабилизировать и минимизировать уровень остаточных напряжений в сечениях готовых изделий.

На первом этапе проектирования, когда идет изучение объекта и возможности САУ в целом, целесообразно использовать по возможности упрощенную модель, учитывая лишь основные связи. Такой подход позволяет физически просто осмыслить полученные результаты и накопить опыт проектирования САУ в рамках линейной теории. Степень идеализации САУ нельзя рассматривать в отрыве от тех задач, которые она должна решать и тех требований, которые к ней предъявляются. Применительно к задачам ТСО САУ представляет собой соединение различных многомерных звеньев и здесь в понятие объекта управления включается кроме математической модели собственно объекта управления и заданные динамические характеристики усилительно-регулирующих и измерительных устройств. Кроме того, на сам объект при ТСО наложены связи, одна связь обусловлена физическими свойствами регулируемого объекта, как увеличение температуры приводит к уменьшению прочностных характеристик обрабатываемого материала, с ростом внесшего рабочего усилия растет продольная и поперечная деформация. Второй ряд связей накладывается на систему управления по условиям, определяющимися технологическим процессом (внешние связи). Кроме того, сложность разработки САУ процессом нагрева заготовки, как объекта управления с входными и выходивши параметрами, сос­тоит в том, что исходное распределение температуры в заготовке неизвестно и нет измерительных средств, позволяющих контролировать текущее распределение. В ходе процесса нагре­ва измеряется лишь температура рабочей среды печи. Такая не­полнота измерительной информации о ходе процесса затрудняет регулирование скорости нагрева и определение момента стабилизации температуры по длине и диаметру заготовки.

Как отмечалось ранее, целью разработки САУ ТСО является создание равновесного минимального напряженного состояния за­готовки в поперечном и продольном сечениях. Прямого контроля за реономным поведением материала во времени и процессе ТСО осуществить невозможно и поэтому в разработанной САУ были применены косвенные методы измерения в реальном масштабе време­ни таких параметров, как удлинение и сужение заготовки, внеш­нее усилие, приложенное к ней, температура нагрева и охлаждения, а также их производных. На основании априорной инфор­мации о взаимодействии перечисленных параметров и математи­ческих зависимостях, была разработана многоканальная, с автономными каналами, система управления, работающая по составленным алгоритмам, отдельные контуры ко­торой работают как следящие системы по отклонению регулируе­мого параметра (пример, управление за поперечной деформацией изделия) и как системы стабилизации - внешнего усилия с заданной величиной деформации (управление продольной деформацией и температурой нагрева и охлаждения). Структурная схема ТСО (рис.3.11) включает в себя сам объект управления – семь автономных каналов с передаточными функциями

; ; . (3.16)

Количество каналов определяется согласно модальному принципу управления, применение которого подробно доказано на примере САУ механической обработки. Технологический процесс обработки маложестких длинномерных деталей построен на всех операциях правки, термосиловой обработки, мехобработки и виброобработ­ки на модальном принципе, т.е. управляющее воздействие прик­ладывается в зонах и узлах пучности первых трех гармоник и в этих же зонах контролируются деформации, т.е. семь модулей для правки и мехобработки. Соответственно и термосиловая об­работка построена по тому же принципу - семиканальной систе­мы управления. Все каналы идентичны и каждый имеет по два выхода и входа. Контролируемые параметры на выходе и , продольная и поперечная деформация, а управляемые параметры и - внешнее напряжение, приложенное вдоль оси заготовки, и температура нагрева и охлаждения в зонах и узлах пучностей при механическом деформировании. Первый автономный канал управления продольной деформацией представляет собой контур обратной связи по отклонению, входом которого является продольная-осевая деформация , а выходом напряжение, приложенное к одному из концов заготовки. В обратную связь контура управления включены последовательно три звена направленного действия, первичный преобразователь (датчик линейных перемещений) с передаточной функцией , дифференциальный усилитель , на второй вход дифференциального усилителя подключен один из выходов контроллера , последний согласно программе включает в работу контур управления осевой деформацией.

Следует отметить, что этот контур обеспечивает управление осевой деформации, кото­рая является интегральным параметром, т.к. в процессе ТСО невозможно проконтролировать осевую деформацию по длине заготовки на отдельном участке вала, в силу отсутствия технических средств измерения. Поперечная деформация, связанная с продольной через коэффициент Пауссона, несет больше информа­ции о техпроцессе и легко поддается контролю в любой точке заготовки с большей точностью. Контур контроля и управления за поперечной деформацией по длине изделия, с учетом количе­ства каналов, включает в себя следующие звенья: первичный преобразователь , блок управления нагревом и охлаждением секций печи , источник питания нагревательных элементов , нагревательный элемент (ТЭН)

Рис.3.11. Структурная схема управления ТСО

Каждый из каналов нагрева и охлаждения имеет контур обратной связи, в который включено одно звено (термопара) с передаточной функцией .

Кроме каналов нагрева печи, система управления имеет столько же каналов быстрого охлаждения, на рис.3.11 каналы представлены одним звеном , последний включает в себя электропневмоклапан пропорционального действия; который управляет расходом воздуха поступающего с компрессора. Управление всеми каналами, согласно разработанным алгоритмам, осуществляется контроллером .

Разработанная структурная схема аналогична схемам для мехобработки и правки, имеет идентичные каналы управления, с теми же элементами контроля, управления и исполнительными механизмами, кроме источников нагрева. Последние выбраны стандартными и никаких особенностей в динамике и статике управления не имеют. Быстродействие электронных блоков на нес­колько порядков выше самого процесса ТСО и исследовать динамику поведения контуров управления не имеет смысла, (экспериментальные исследования подтвердили эти предпосылки). Расчет на управляемость, устойчивость и точность для семиканальных автономных контуров управления САУ ТСО аналогичен расчету, проведенному для САУ механической обработки. Рассмотрим влияние обратной связи, САУ на объект управления. Для наглядности упростим схему, представив объект одной передаточной функцией , а контур управления одним зве­ном, это не изменит физической сути, но даст четкое представ­ление о взаимодействии объекта и САУ. На рис.3.11.1, а объект имеет на выходе деформацию (или напряжение нагружения), а на выходе напряжение (или деформацию). Статическая характеристика объекта с обратной связью показана на рис. 3.11.1, б.

Рис.3.11.1. Упрощенная структурная схема управления ТСО (а) и статическая характеристика объекта с обратной связью

Здесь характеристика объекта без обратной связи - кривая I, а с контуром управления - кривая II. В случае отрицательной обрат­ной связи и удобно откладывать по горизонтальной оси вправо, а - влево и строить ха­рактеристику контура управления во втором квадрате. При этом , т.е. расстоянию " ав " (рис.3.11.1, б). Передвинуть отрезок " ав " вправо по горизонтали так, чтобы ее конец " а " совпал с точкой 1, найдем точку с искомой характеристики. При отрицательной обратной связи резулътатирующая характерис­тика объекта (кривая III) идет более полого, чем характеристика объекта без обратной связи, т.е. при одном и том же входном воздействии , с учетом обратной связи напряжение на выхо­де меньше. Если коэффициент усилия объекта , табл.3.1, п.3. для стандартного тела, а контур обратной свя­зи еет коэффициент усиления , то из выражения , где . При условии, что , коэффициент САУ к обращается в бесконеч­ность, практически это значит, что линейное звено (объект управления) становится астатическим (нелинейное звено переходит в релейный режим). При работе САУ в астатическом режи­ме отклонение регулируемой величины стремится к нулю в неза­висимости от величины внешнего воздействия при установившем­ся состоянии. Расчет астатизма системы представляет собой инженерную задачу и здесь не рассматривается. Примени­тельно к процессу ТСО в качестве внешнего параметра может быть напряжение или деформация, если в качестве независимой переменной выступает напряжение, то неупругая релаксация про­является как независимое от времени установления равновесно­го значения сопряженной переменной - деформации (или наоборот). Следует заметить, что внешнее проявление релаксации отражает просто поднастройку внутренних параметров материала к новым равновесным значениям и для каждого значения приложенного напряжения. Существует равновесное значение внутрен­него параметра и по мере релаксации внутреннего параметра к равновесному значению, деформация также стремится к соот­ветствующему равновесному значению. Изменение внутренних па­раметров может происходить в результате кинематических процессов, таких как диффузия. Внешним проявлением внутренней релаксации являются зависимые от времени деформационные свойства.

Целесообразно остановиться на технологических проблемах, связанных с управлением ТСО (отпуск, нормализация и т.д.) с учетом прочностных характеристик и физмехсвойств обрабатыва­емого материала. Известные работы в области управления уров­нем остаточных напряжений решают задачу расчета, на основе априорной информации о времени, о времени ох­лаждения изделия на последней стадии его проката, с целью выравнивания температур по сечению изделия из минимизации таким образом уровня остаточных напряжений. Задача управления в этом случае сводится к созданию совместных пластических деформаций.

В первой главе подробно разбирались причины коробления маложестких деталей, здесь только заметим, что потеря геоме­трической точности изделия напрямую связана с возникновением остаточных напряжений первого рода, последние возникаю из-за неравномерности пластических деформаций металла, неоднородности температурного поля профиля заготовки в процессе охлаждения, разновременности протекания процесса структурных превращений. Для минимизации уровня остаточных напряжений необходимо устранить, свести к нулю выше перечисленные причины возникновения остаточных напряжений, для этого необходимо управлять текущими параметрами процесса ТСО. Трудность в выборе управляемых параметров состоит в том, что нет одно­значных зависимостей между текущими и конечными параметрами в процессе ТСО. За основные (доминирующие), параметры управ­ления были приняты - температура и продольная деформация.

Процесс термосиловой обработки необходимо разбить на три этапа - нагрузки, выстоя и разгрузки. Каждый из этапов требует своего технологического приема, в зависимости от прочностных характеристик металла. Так, существует стандарт­ная технология таких операций, как отпуск и т.д., температу­рный режим таких операций известен, но как правило, этот ре­жим назначается из задач металловедения, а не технологии об­работки МЖД, связанных с короблением. Снижение уровня остаточных напряжений, как правило, приводит к короблению деталей в процессе отпуска или отжига, а дальнейшее исправление криволинейности вводит свои неоднородные остаточные напряже­ния и т.д.

Целью данной ТСО является минимизация и стабилизация остаточных напряжений в продольном и поперечном направлениях длинномерной детали. Для достижения данной цели необходимо решить один из главных вопросов, при какой температуре проводить термосиловую обработку. На рис. 3.5 приведены зависимости предела текучести от температуры для различных конструкционных сталей, построенных по данным таблиц механических свойств при повышенных температурах. Для конструкционных сталей характерно наличие участков со слабой зависимостью предела текучести от температуры, причем такие участки лежат в интервале (0,15 … 0,25) или проходит через него, а неко­торые стали (40Н), имеют участки повышенного значения преде­ла текучести при нагреве.

Рис.3.12. Экспериментальные зависимости σ₀₂ от температуры для конструкционных сталей

Для изделий из таких сталей требу­ется особо тщательно выбирать ту величину пластической дефо­рмации, на которую скачкообразно и локально деформируются микрообъемы металла при выходе за предел упругости - критическая деформация для различных материалов разная, но не пре­вышает 4 %. При переходе за предел текучести одновременного охвата пластической деформацией всего объема металла не про­исходит до тех пор, пока все микрообъемы металла не окажутся охваченными пластической деформацией критической величины. Только после этого возможна одновременная деформация всего объема материала.

Трудность определения этой критической величины, как ин­формации для задатчика блока управления осевой деформации за­ключается в том, что эта величина зависит от размера зерна, термической обработки, скорости деформирования и т.д. Следовательно, контроль за неравномерностью пластической деформа­ции по длине изделия необходим. Как и необходим критерий, характеризующий среднюю неравномерность пластических деформаций .

Значение , близкое к единице, свидетельствует об од­нородности пластических деформаций материала по всей длине заготовки. На рис. 3.6 представлены значения коэффициента от средней остаточной деформации образца для стали 12Х18Н10Т при Т° = 320°С, причем значение , с увеличением средней деформации постепенно уменьшается, а при наблюдается значительный разброс данных и большое значение коэффициента (1,5 до 2) при температурных режимах ТСО. Для изделий из сталей 30ХГСА, 34ХМ10А, 12Х18Н10Т термосиловую обработку лу­чше проводить при 300 … 320°С, т.к. предел текучести при этой температуре снижается на 20 … 25 % и зависимость от темпе­ратуры нагрева слабая. Далее необходимо решить задачу о пре­дельной критической величине осевой деформации, это связано с тем, что пластическая деформация в поликристаллических ме­таллах в условиях однородного напряженного состояния характеризуется локальностью протекания, здесь следует различать микро и макро локальность (неоднородность) пластической деформации.

Рис.3.13. Зависимость К_ср от средней остаточной деформации ε_ср для стали марки 12Х18Н10Т

Неравномерность пластической деформации в микрообъемах оказывает значительное влияние на процесс пластического течения в целом и на критерии прочности, однако количе­ственного влияния микронеоднородности на макронеоднородность пластической деформации пока еще сделать не удается. Неравно­мерность пластической деформации имеет две фазы протекания. Первая - одновременная, но неравномерная деформация микрообъема металла тлеет решающее значение для оценки неоднороднос­ти пластических свойств материалов. Критерий оказывается чувствителен к изменению структуры металла, если в резуль­тате некачественной термической обработки оказались участки с различными по величине зернами, то величина резко возрастает.

Устойчивость хода равномерного пластического течения происходит путем перемещения очага деформации по длине рас­тягиваемого образца, от более упрочненного участка к менее упрочненному. Процесс равномерной деформации справедлив при условии , контроль же за локализацией деформаций на определенном участке вала (например, в зонах и узлах пучнос­ти высших гармоник) при нагреве возможен только в поперечном сечении, т.к. измерение относительной осевой продольной де­формации при ТСО невозможно из-за отсутствия технических средств измерений. Согласно разработанной технологии ТСО из­делие растягивают (например, при температуре со слабо выраженной зависимостью упругости от температуры) до желаемой степени деформации, затем, если равномерность пластической деформации неудовлетворительна, участки с высокой степенью деформации неудовлетворительна, участки с высокой степенью деформации быстро охлаждают, а слабо деформированные нагревают и с получением заданной деформации температуру снова повышают до прежнего значения и так повторяют до тех пор, по­ка не обеспечат равномерное деформирование всего объема металла по всей длине изделия, при этом скорость деформации во время охлаждения и нагрева снижают в 2 - 3 раза. Таким образом, рассмотренный этап ТСО позволяет устранить технологиче­скую наследственность от предыдущих операций, стабилизирова­ть уровень остаточных напряжений в сечении и по длине изделия, создавая при этом остаточные напряжения одного знака, од­новременно провести правку длинномерных заготовок, если в процессе предыдущих операций изделие покоробилось.

В процессе температурно-силового нагружения происходят изменения напряжений и второго рода, на которых следует остановиться. Основные внешние напряжения ускоряют релаксацию напряжений второго рода, но их главная роль состоит в вырав­нивании напряжений первого рода, т.е. в стабилизации формы вала.

Заметим, что осевые нагрузки можно сочетать также и с вибрационным методом. Этот вопрос будет рассмотрен отдельно.

Сложностью в реализации разработанной технологии ТСО яв­ляется сам объект управления - обрабатываемая деталь, ее ма­тематическая модель. Здесь необходимо решить проблему контроля и управления структурной перестройки материала заготов­ки, т.к. упрочнение кристаллических материалов в результате холодной обработки - наклеп, возрастает из-за увеличения плотности дислокаций. При этом образуются сетки дислокаций, перемещение данной дислокации в плоскости, пронизанной другими дислокациями, затруднено.

Оценка сил, действующих на головную дислокацию в стенке, показывает, что возникают напряжения выше предела упругости,

, (3.17)

где: - число дислокаций в стенке; - среднее расстояние между дислокациями; - модуль сдвига; - коэффициент Пуансона. Из микроструктур следует, что , м, Н/м².

При нагревании, когда температура достигает такой вели­чины, при которой становятся существенными процессы диффузии, частицы мелкодисперсной фазы начинают растворяться, и при обмене растворенных атомов вследствие диффузии - перемещаться вместе с дислокациями. Переползание дислокаций и отжиг ве­дут к уменьшению плотности дислокаций.

В результате неоднородной пластической деформации повер­хностного наклепа образуются остаточные напряжения. Наружные слои сжимаются, а внутренние слои растягиваются. Поскольку наружный слой имеет обычно малую толщину, напряжения сжатия в нем значительно превышают растягивающие напряжения во внут­ренних слоях.

В абсолютной величине радиальные напряжения в 8 … 10 раз меньше, чем осевые остаточные напряжения.

Задачей ТСО является повышение однородности свойств за­готовки, т.е. уменьшение разброса значений касательных и, главное, осевых напряжений в поверхностном слое.

Чтобы вызвать диффузию неоднородностей предлагается при­ложить внешние растягивающие осевые силы и одновременно про­вести нагрев заготовки в печи.

Растягивающее внешнее напряжение уменьшает внутренние сжимающие напряжения, что сопровождается диффузией дефектов и структурной перестройкой. Повышение температуры понижает нап­ряжение пластической деформации. Кроме того за счет неравномерного нагрева (наружный слой прогревается быстро, а середина остается холодной) создаются термонапряжения, которые нарушают равновесие между концентрационными и упругими напряже­ниями, что увеличивает диффузию дефектов. Эмпирическая зависимость коэффициента диффузии от температуры имеет следующий вид

, (3.18)

здесь R _зер - размер зерен.

При этом диффузия происходит по границам зерен. Неоднородность в распределении напряжений связана с различием в размерах зерен, разной пластической деформацией и их взаимной ориентации. Описать измерение всех факторов очень сложно. Для простоты будем считать, что неоднородность обусловлена различными углами разориентировки межзеренных границ.

Энергия дислокационной границы описывается формулой

, (3.19)

где - энергия границ зерен; - максимальная энергия гра­ниц зерен; - угол разориентации, при котором энергия границы максимальна. Плотность дислокаций и напряжения вблизи гра­ницы пропорциональны углу разориентировки . Следовательно, диффузия дислокаций приводит к выравниванию угла .

Покажем, что внешние осевые напряжения оказывают ориен­тирующие действия на текстуру заготовки (детали), что в конечном счете уменьшает неоднородность напряжений. Если крис­таллы обладают анизотропией, то их энергию в зависимости от ориентации зерна по отношению к внешнему напряжению можно записать

, (3.20)

где - угол между и направлением "легкой" оси, - направляющие косинусы для двух других осей.

(3.21)

Из условия устойчивости получили зависимость .

Структурная перестройка, проходящая в поверхностном слое сопровождается выделением энергии, запасенной за счет пластической деформации. Эту энергию в форме звуковых колебаний можно зафиксировать непосредственно с помощью пьезопреобразователя, укрепленного на поверхности детали.

Пусть за счет неоднородностей существует распределение напряжений по некоторому закону, например, по нормальному закону

(3.22)

со средним и дисперсией .

Пусть к валу приложено внешнее растягивающее напряжение . Тогда структурная перестройка происходит в той части зерен, для которой сжимающее напряжение .

Относительное число таких зерен, и следовательно, интенсивность сигнала

, (3.23)

где - интеграл вероятности, функция Лапласа.

Так как резко уменьшается при термической обработке, то очевидно, что в процессе нагрева при заданном напряжении легко зафиксировать структурную перестройку по увеличе­нию мощности принимаемого пьезопреобразователя. Резкое увеличение сигнала будет при .

Анализ математической модели показывает, что приложение растягивающих напряжений приводит к уменьшению неоднороднос­ти в распределении остаточных напряжений. Регистрацию и управление перестройки структуры материала целесообразно осуществлять по выделению энергии высокочастотных колебаний сопровождающих эту перестройку.

При воздействии осевых напряжений, равных или превышающих предел текучести, устанавливается структура, которую ха­рактеризует большая степень однородности и преимущественная ориентация зерен вдоль оси. Объяснить это можно тем, что за счет движения дислокации уменьшаются углы разориентировки границ. Так как угол разориентировки границ связан с концен­трацией дислокаций в границах, то основным механизмом будет движение дислокаций.

Размножение и скольжение дислокаций объясняется моделью Франка и Рида. Согласно этой модели могут генерироваться дислокационные петли, если напряжение

. (3.24)

где - напряжение сдвига; - вектор Бюргерса, величина которого равна порядку постоянной решетки; u - расстояние между дислокациями.

Наиболее непосредственный механизм торможения дислокации - существование в кристаллите частиц другой фазы. При об­работке аустенитной стали такой фазой будут дисперсные частицы мартенситной фазы. Большую роль в закреплении дислокаций играют также растворенные атомы. Таким образом, чем больше наклеп, тем менее подвижны дислокации.

При достаточно большом осевом напряжении внутри зерен возникает генерация дислокации. Так как дислокации внутри зерна имеют знак, противоположный знаку дислокаций в границах, то угол разориентировки границ уменьшается. При этом концентрация дислокаций внутри зерна может практически не меняться, т.е. наклеп и прочность не изменяются. Такое утверждение справедливо для зерен, у которых меньший наклеп и угол . Энергия границы при этом уменьшается и состояние становится более равновесным.

Если , то уменьшение угла раз ориентировки связано с увеличением энергии границ. Очевидно, это возможно только в том случае, если длина границы уменьшится. Для таких зерен будет происходить смещение границ: более мелкие зерна растут за счет более крупных. В этом случае также достигается боль­шая однородность. Скорость деформации определяется вязкостью

. (3.25)

где h - коэффициент сдвиговой вязкости; - превышение напряжения предела сдвиговой текучести.

Релаксация напряжений определяется уравнением , т.е. происходит по экспоненциальному закону, где: - время релаксации, которое можно оценить из соотношения .

Релаксация напряжений второго рода вызывает релаксацию на­пряжений первого рода. Связь здесь достаточно сложная и мож­но говорить об оценочных формулах. Примем, что изменение на­пряжений описывается кинетическим уравнением, аналогичным из­вестным уравнениям теплопроводности и диффузии. Тогда второе уравнение Фика имеет вид

, (3.26)

где - напряжение первого рода; - оператор Лапласа; - кинетический параметр, аналогичный коэффициенту диффу­зии. Можно получить соотношение

, (3.27)

В одномерном случае для границы между двумя блоками зе­рен, которые имеют различные наполнения, отличающиеся на , получим зависимость от времени.

. (3.28)

Здесь - расстояние от границы раздела; - интеграл вероятности Гаусса, эта функция табулированная, ее значения приведены в соответствующих математических таблицах.

; . (3.29)

Выражение для получено с учетом соотношения (3.19), из (3.20, 3.21) видно, что релаксация напряжений первого ро­да определяется размерами зерен и временем релаксации, напряжения второго рода. Роль осевых наполнений состоит не только в том, чтобы создать условия для скольжения дислокаций, но такие в том, чтобы установилось равнове­сное распределение, симметрическое относительно оси изделия (зала). Очевидно, что после релаксации напряжений в силу осевой симметрии осевые, радиальные и касательные напряжения не зависят от и (в цилиндрической системе координат).

Целесообразно использовать циклический режим осевой на­грузки зала. При повторном нагружении пластически деформиро­ванного образца его сопротивление пластическим деформациям стекается. Это связано со структурной перестройкой и релаксацией напряжений. Поэтому циклическую нагрузку можно использовать одновременно как метод контроля. Низкотемпературная силовая обработка дает возможность снизить критическое напряжение, необходимое для релаксации напряжений второго рода.

Скольжение дислокаций зависит в конечном счете от подвижных точечных дефектов и растворенных атомов примеси, а также от концентрации метастабильной фазы (в нашем случае частиц мар­тенсита), которые являются стопорами для дислокаций. Следовательно, если нагревать деталь до температуры порядка 300°С, то в соответствии с (3.25) уменьшается время релаксации нап­ряжений второго рода и, соответственно время релаксации нап­ряжений первого рода.

Второй этап ТСО - выдержка (выстой) при постоянной тем­пературе и вибрационном воздействии с целью минимизации вре­мени релаксации и уровня остаточных напряжений. При этом стабилизируется осевая деформация, внешняя нагрузка и темпе­ратура по длине и сечению изделия.

Вибрационное воздействие на деталь с целью получить ра­вномерное распределение напряжений, т.е. вызвать быстрое "старение" детали, имеет ряд преимуществ по сравнению с дру­гими способами создания устойчивой формы.

Использование резонансного поглощения энергии, с одной стороны, дает возможность концентрированного поглощения эне­ргии дефектами и различными неоднородностями, а с другой, как будет показано ниже, может быть использовано как сигнал управления процессом.

Независимо от физической природы поглощения энергии внешнее проявление его в материале или конструкции наблюдается в виде петли гистерезиса, образующейся при вынужденных колебаниях.

Форма петли зависит от многих факторов, но достаточно ограничиться определением ее площади, так как именно площадь петли гистерезиса характеризует энергию, рассеянную в мате­риале, которая ограничивает величину амплитуды резонансных колебаний. Логарифмический декремент затухания можно определить экспериментально по известной формуле, , здесь и - энергия рассеяния и ее амплитудное значение за цикл колеба­нии.

Очевидно, что вибрационное воздействие может привести к структурной перестройке, т.е. к изменению напряжений первого рода в области пластичности; в этой области поглощение будет максимальным. Необходимый рабочий режим создается за счет внешнего растягивающего напряжения.

Для определения параметров петли необходимо исследовать колебания системы с одной степенью свободы при однородном распределении напряжений по объему упругого элемента.

, (3.30)

где , , - собственная частота системы без учета неупругого сопротивления; и - нелинейная поправки; - малый параметр. Величины и можно выразить через параметры петли гистерезиса, как это сделано в (3.30), р - частота внешней силы , - масса.

Рассмотрим явление резонанса и зависимость логарифмического декремента от свойств материала и параметров внешнего воздействия , .

Решение (3.30) дает значение амплитуды

, . (3.31)

Энергия и плотность энергии при резонансе

, . (3.32)

Здесь - объем рассматриваемого элемента.

Установлено, что неупругие смещения создаются за счет ге­нерации и перемещения дислокаций. Источником дислокаций могут быть сидячие или заторможенные дислокации, которые генерируют при достаточно больших напряжениях ( - остаточные напряжения петли) дислокаций - источники Франка - Рида. Тепловые колебания не могут привести к генера­ции петель дислокаций, так как энергия тепловых колебаний мно­го меньше энергии, необходимой для образования петли. Роль теп­ловых колебаний, т.е. роль фактора хаотического движения, в данном случае играют высокочастотные колебания второй, третьей и более мод.

Если образуется дислокационная петля, то изменение энер­гии определяется зависимостью

, (3.33)

где - модуль Юнга; - вектор Бюргерса; - длина участка заторможенной дислокации.

Из (3.33) энергия хаотического движения, приходящаяся на дислокационную петлю

, (3.34)

где - плотность материала.

"Время жизни", т.е. частота испускания дислокационных пе­тель определяется по формуле Больцмана

. (3.35)

Очевидно, что коэффициент затухания , , следовательно, из (3.33 … 3.35) получим

.

Заметим, что если , то независимо от вибрационного воздействия, определяется скоростью деформации

, (3.36)

где - пластическая деформация, или изменение деформа­ции, в области текучести при постоянном значении .

Окончательно получим трансцендентное уравнение, определяющее зависимость . от параметров внешнего воздействия и от исходного состояния материала

, (3.37)

где , , .

На рисунке приведены зависимости . Резонансное поглощение зависит от амплитуды вынужденных колебаний и пос­тоянного напряжения. Наблюдается резкое возрастание логарифмического декремента при напряжении .

Вибрационное воздействие вызывает перемещение дислока­ций и связанных с ними напряжений второго рода в области на­грузок, меньших предела упругости.

Так как перераспределение напряжений связано с резким усилением поглощения колебаний, то виброакустический сигнал можно использовать не только как внешнее воздействие, но и как диагностический признак.

Обычно для конструкционных сталей существенное понижение прочностных характеристик, нежелательное для эксплуатации, происходит после нагрева до Т ° = 330…350 ° С, т.е. выше значения , поэтому, чтобы сохранить прочностные характеристики материала изделия (зала) после виброобработки и охлаждения, нагрев до температуры выше 350°С нежелателен. Эффективная область динамического воздействия на рис.3.12 заштрихована. Кроме того, вибрационная обработка при высокой температуре может привести к локальным деформациям изделия под действием приложенных динамических напряжений, что при охлаждении приводит к появлению локальных напряженных облас­тей. Кроме того, известно, что вибрационный процесс в несколько раз сокращает время релаксации напряжений, а, следовательно, повышает производительность ТСО.

Цель рассмотренных двух этапов ТСО устранение технологической наследственности (стабилизация и минимизация остаточных напряжений в сечении и по длине заготовки). Если материал изделия имеет площадку текучести на диаграмме , то равномерная деформация (порядка e = 3 … 5 %) всего объема по длине заготовки полностью снимает остаточные напря­жения (сформированные) от предыдущих операций. Если же материалы заготовки (изделия) с упрочняющей характе­ристикой на диаграмме в процессе технологического ци­кла изготовления игле л в поперечных сечениях не равные пластические деформации и разные по знаку (например, при холод­ной правке), то при термообработке необходимо устранить эти неравномерности в приращениях, выровняв остаточные напряжения в поперечных сечениях по всей длине заготовки. Разработанна технологическая операция термообработки в стапеле с приложением осевых деформаций решает эту задачу в ряде случаев не полностью.

В процессе термосиловой обработки ТСО с применением САУ, когда температура нагрева заготовки не превышает температуру отпуска, целесообразно сформировать остаточные напряжения одного знака в поперечном сечении и снизить их уровень, при этом выровнять мехсвойства материала по длине заготовки, как было описано выше.

На третьем этапе ТСО разгрузке, могут появиться новые остаточные напряжения за счет несовместимости упругих и пла­стических деформаций. Пределы текучести с понижением температуры резко возрастают, особенно в интервалах Т = (250 … 20)°С, а следовательно, единственно приемлемым технологическим при­емом является автоматическое управление термосиловой разгру­зкой, когда контролируется и управляется внешняя нагрузка, возникающая при охлаждении изделия и скорость охлаждения. Ал­горитмы разгрузки и их реализация.

Дата добавления: 2015-01-18 | Просмотры: 685 | Нарушение авторских прав