УДК 621.785
Иванов Д.А.
Воздействие пульсирующими дозвуковыми низкочастотными воздушными потоками на структуру и механические свойства машиностроительных материалов
Балтийский государственный технический университет «Военмех»
This work about influence on metal materials non-stationary gas streams at absence of heating. Positive influence of similar processing on their constructive durability is established.
Key words: Details of machines, metal materials, a gas stream, constructive durability.
Эта работа о воздействии на металлические материалы нестационарными газовыми потоками при отсутствии нагрева. Установлено положительное влияние подобной обработки на их конструктивную прочность.
Ключевые слова: Детали машин, металлические материалы, газовый поток, конструктивная прочность.
Для изготовления деталей машин широко используются стальные детали, а также детали из других металлических конструкционных материалов.
Известно положительное влияние на конструктивную прочность металлических материалов и изделий воздействия нестационарными газовыми потоками, в том числе при сочетании подобного воздействия с термической и другими видами обработки [1].
Вместе с тем остаются не полностью выясненными оптимальные амплитудно-частотные характеристики воздействующего на металлические изделия и заготовки газового потока, продолжительность воздействия а также положение изделия в потоке, обеспечивающее наилучший результат, в том числе с учётом направления эксплуатационной нагрузки.
Недостаточно изучено влияние газовых течений на свойства металлических материалов, не подвергаемых упрочняющей термической обработке и материалов, обдуваемых нестационарными газовыми потоками без предварительного нагрева.
Цель исследования – создание экономичных и экологически чистых способов повышения конструктивной прочности машиностроительных сталей и цветных сплавов различных марок.
Исследования осуществляются с использованием двух типов устройств: Первое устройство представляет собой газоструйный генератор колебаний параметров существенно дозвукового потока с числом Маха менее 0,1 построенный по схеме «струя-резонатор», обладающий кольцевым соплом, рассекателем кольцевой струи в виде цилиндрического ножа и резонатором тороидально-цилиндрической формы. Подача воздуха в генератор осуществляется при помощи воздуходувки, а варьирование амплитудно-частотных характеристик за счёт использования сменных наружных частей и центральных тел кольцевого сопла различных диаметров а также путём продольного перемещения рассекателя.
Второе устройство - газоструйного генератора типа свистка Гавро с цилиндрическим осесимметричным резонатором. Подача воздуха в него осуществляется по магистрали из ресивера, а варьирование амплитудно-частотных характеристик – за счёт изменения давления на входе и применения различных насадков.
В результате воздействия импульсов газового потока на металлический материал, в последнем возникают возмущения, способные оказать влияние на его микроструктуру. В основе газоимпульсной обработки лежат принципы непосредственного воздействия механических волн на тонкое кристаллическое строение, в том числе на концентрацию и конфигурацию распределения точечных дефектов, дислокационную структуру и блочное строение зерна.
Эффект использования газоимпульсной обработки может быть основан на том, что изменение тонкого кристаллического строения металла при распространении в нём механической волны сопровождается изменением его физико-химических свойств без изменения формы и размеров изделия. В основе схемы воздействия газовых импульсов на металлический материал лежат положения о влиянии циклического нагружения на дислокационную структуру металлов и сплавов.
Разработанными к настоящему времени теориями показано, что основная доля поглощения энергии колебательного движения связана с преимущественной способностью дислокаций воспринимать энергию, подводимую извне. Это вызывает в структуре металлов и сплавов протекание необратимых процессов. В структуре металла, содержащего дислокации, всегда имеются области, представляющие собой барьеры на пути движения дислокаций. В данных областях подвижность дислокаций существенно ниже, в сравнении с решеткой идеального кристалла. Механические колебания, поглощаясь преимущественно дислокациями, могут вызывать развитие дислокационной перестройки структуры металла, результатом которой будет изменение механических свойств.
При упрочнении металлических материалов и изделий с использованием газовых потоков необходимо ориентировать обрабатываемое изделие относительно воздействующего потока с учетом направления будущих рабочих нагрузок [2].
Представляет особый интерес влияние обработки нестационарными газовыми потоками на конструктивную прочность металлических материалов, как подвергаемых, так и не подвергаемых упрочняющей термической обработке без предварительного нагрева. Нагрев повышает подвижность дислокаций в металлических материалах и делает их структуру более восприимчивой к воздействию пульсаций газовой среды, но в силу быстрого охлаждения даже в существенно дозвуковом потоке обработка газовыми импульсами нагретого изделия крайне непродолжительна, что уменьшает её эффективность и затрудняет установление связи между временем обдува и изменениями механических свойств.
На первом газоструйном генераторе были проведены исследования влияния пульсирующего газового потока, имеющего скорость 30 м/c, частоту 560 Гц и звуковое давление 100 дБ на свойства алюминиевого сплава АМг2 в отожженном состоянии после воздействия пульсирующего газового потока в течение 30 минут без нагрева. В результате был получен рост как показателей прочности, так и показателей пластичности.
Далее при помощи образцов из стали 40 исследовалась зависимость механических свойств от продолжительности обдува без нагрева для данных амплитудно-частотных характеристик. Результаты исследований показали, что положительное влияние пульсирующего газового потока на конструктивную прочность начинает ощутимо проявляться спустя 5 минут после начала обдува и достигает своего максимума через 30-35 минут. Так для стали 40 в состоянии поставки после 5 минут обработки пульсирующим газовым потоком ударная вязкость составила 0,77 МДж/м2, а после 35 минут – 0,79 МДж/м2. Для стали 40 в нормализованном состоянии после 5 минут газоимпульсной обработки ударная вязкость составила 0,98 МДж/м2, а после 35 минут – 1,4 МДж/м2. В целом предварительно осуществлённая нормализация способствует достижению более высоких сравнительных значений показателей механических свойств в результате газоимпульсной обработки без нагрева чем у нетермообработанных образцов.
Влияние пульсирующего газового потока тех же частот на механические свойства стали 40Х исследовалось как в состоянии поставки, так и после закалки и отпуска при температуре 200° C в течение 30 минут, после нормализации, после закалки и отпуска 580° C 30 минут. Обдув во всех случаях осуществлялся в ненагретом состоянии в течение 35 минут.
Результаты исследований показали существенное положительное влияние газоимпульсной обработки на конструктивную прочность данной стали и возможность сокращения продолжительности отпуска с 1,5-2 часов до получаса без снижения надёжности изделий.
На втором газоструйном генераторе были проведены исследования влияния пульсирующего газового потока, имеющего скорость 26 м/c, частоту 2100 Гц и звуковое давление 140 дБ на ударную вязкость стали 40 в состоянии поставки и стали 40Х после закалки и отпуска при температуре 200° C в течение 30 минут. Газоимпульсная обработка и в том и в другом случае осуществлялась в ненагретом состоянии в течение 10 минут. В результате был получен рост значений показателей ударной вязкости до 25%.
Для пластин из холоднокатаной латуни Л68 размером 145×26×1 мм применялся обдув пульсирующим воздушным потоком без нагрева в течение 10 мин. при тех же амплитудно-частотных характеристиках.
Пластина располагалась вдоль газового потока. Повышение механических свойств в сравнении с необработанной (контрольной) пластиной: 462 МПа против 414; 267 МПа против 239 при 23,8% против 22,1. Таким образом установлено, что газоимпульсная обработка при данных амплитудно-частотных характеристиках обеспечивает повышение механических свойств тонколистового проката из сплавов на основе меди, не подвергаемых термоупрочнению.
Таким образом, установлена высокая эффективность обработки широкого спектра металлических материалов и изделий нестационарными газовыми потоками при отсутствии нагрева с целью повышения их конструктивной прочности.
Литература
1. Иванов Д.А. Засухин О.Н. Газоимпульсная обработка машиностроительных материалов без предварительного нагрева // Двигателестроение. – СПб., 2010, №2, с. 20-22.
2. Иванов Д.А., Васильева А.В. Струйные технологии в машиностроении. Монография. – СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2010. – 147 с.