Влияние характеристик порошковых материалов и деталей на прочность прессовых соединений 05. 16. 06 − «Порошковая металлургия и композиционные материалы»

В четвертой главе описаны результаты исследований напряженно-деформированного состояния порошковых деталей полученных после их напрессовки и запрессовки. Напряжения I рода при получении неразъемного соединения «компактная деталь  порошковая деталь» образуются в результате нормальных и касательных сил, возникающих в зоне деформирования. По результатам изменения диаметров образцов после разрезки и снятия слоев были построены деформационные кривые, с помощью которых можно предварительно судить о знаке остаточных напряжений. При разрезке втулок, напрессованных на стальной вал, на начальном этапе разгружения наблюдается уменьшение значений диаметров, а затем их плавное увеличение. В результате уплотнения поверхностного слоя пористых втулок были получены более высокие значения остаточных напряжений, чем у исходных образцов, сжимающие по контактной поверхности и растягивающие в среднем сечении (рис.4). С увеличением толщины стенки втулки, сжимающие напряжения по деформируемой поверхности возрастают. Для образцов с толщиной 10 и 12мм характер распределения остаточных напряжений практически не изменяется по сравнению с ненагруженными образцами. Наблюдается также увеличение сжимающих напряжений у деформируемой поверхности от -150 МПа (натяг 0,2 мм) до -213 МПа (натяг 0,8 мм), переходящих в растягивающие на глубине 450-600 мкм. У образцов с толщиной стенки 6 мм сжимающие напряжения меньше (-50МПа), они переходят в растягивающие на глубине 250 мкм и имеют значения 110МПа при натягах 0,8мм. У Рисунок 4 – Распределение остаточных напряжений σI по глубине сечения втулки полученной после напрессовки на вал с натягом N=0,8 мм, П=10 % ( толщина стенки S: 1−4 мм; 2−6 мм; 3−8мм; 4−10 мм; 5−12 мм) величение глубины залегания остаточных напряжений с ростом пористости связано с тем, что материалы с большей пористостью обладают повышенной податливостью к объемным изменениям и, следовательно, к более значительному уплотнению и упрочнению. Сопоставление результатов рентгенографического анализа показало, что величины напряжений I рода, полученные по результатам экспериментов с разрезкой образцов и снятием слоев механическим способом, по знаку и величине практически совпадают. При напрессовке порошковых втулок на компактный вал образуются сжимающие напряжения I рода, которые распространяются на глубину от 200 до 600 мкм в зависимости от натяга, исходной пористости и толщины стенки образца. Переходная зона напряжений от сжимающих к растягивающим, при напрессовке порошковой втулки на стальной вал с одинаковым натягом, меняется в зависимости от толщины стенки втулки и ее исходной пористости (рис.5). С уменьшением толщины стенки переходная зона смещается ближе к контактной поверхности втулки от 0,55 до 0,25 мм при пористости 10 % и от 0,7 до 0,31 мм при пористости 25 %. У толстостенных втулок (S = 12 мм) глубина залегания остаточных сжимающих напряжений при напрессовке с натягом 0,8 мм наибольшая −0,6 мм, как и значения напряжений по деформируемой поверхности (-320 МПа при П = 10 % и -260 МПа при П = 25 %). В результате изучения влияния натяга на степень упрочнения материала установлено, что деформирование пористого материала при данном виде получения соединения, вызывает появление в поверхностных слоях микронапряжений. С увеличением натяга и толщины стенки интерференционная ширина В возрастает по всей поверхности деформирования. Сравнение линии (110), полученной у образцов, напрессованных с натягом 0,2 мм, с шириной такой же линии у образцов, напрессованных с натягом 0,8 мм, показало, что при больших натягах происходит сильное, а при малых − лишь слабое искажение кристаллической решетки. У переходная зона переходная зона ширение линий происходит за счет повышения степени деформации, расходуемой на уплотнение и деформацию материала, а также неравномерности распределения деформации по сечению порошковых втулок. Наибольшая ширина линии и величина искажения кристаллической решетки при напрессовке втулки с натягом 0,2 мм наблюдается в поверхностных слоях (δ = 100-200 мкм), а при напрессовке с натягом 0,8 мм на глубине 200-350 мкм. Результаты исследований показывают, что остаточные напряжения II рода (σII) при напрессовке могут изменяться в зависимости от натяга для материала с пористостью 10 % от 214 МПа, при толщине стенки 4 мм, до 305 МПа при толщине стенки 12 мм. Значения микронапряжений уменьшаются при удалении от деформированной поверхности, за исключением образца толщиной 4 мм, напрессованного на стальной вал с натягом 0,8 мм. С увеличением пористости до 25-30 % характер распределения микронапряжений несколько изменяется. Наибольшее значение микронапряжений наблюдается непосредственно на деформируемой поверхности образцов, уменьшаясь на глубине 350-400 мкм до минимальных значений. С уменьшением толщины стенки втулки, значения микронапряжений несколько увеличиваются на свободной от деформации стороне. σII изменяются при разных натягах для материалов с пористостью 10-25 % от 240 до 280 МПа для толщины стенки втулки 6 мм и от 270 до 310 МПа для толщины стенки 12 мм. Полученные данные подтверждаются характером распределения плотности по глубине сечения образца. Исходное состояние материала характеризуется относительно равномерным распределением плотности, а после напрессовки даже с натягом 0,2 мм поверхностный слой, хотя и незначительно, уплотнен по глубине сечения. С увеличением натяга плотность повышается, и уплотнение затрагивает более глубокие слои материала. С уменьшением толщины стенки образца уплотнение занимает больший относительный объем материала. Так как упруго искаженные микрообласти при приложении нагрузки становятся концентраторами напряжений и могут стать зародышами трещин, то при достаточно больших внешних и внутренних напряжениях эти зародыши развиваются в трещины и способствуют дальнейшему разрушению. Это особенно проявляется на тонкостенных образцах. При детальном рассмотрении микрошлифов было установлено, что после напрессовки порошковых втулок с минимальным содержанием углерода на компактный вал с натягами 0,2 мм, число и величина пор уменьшается, они достаточно равномерно распределены по всей поверхности микрошлифа. При увеличении натяга до 0,8 мм вдоль уплотненной поверхности (δ ~ 80 мкм) количество пор заметно уменьшается, приближая микроструктуру к беспористой. Поры принимают вытянутую форму и увеличиваются в размерах в направлении течения материала при деформации. Микроструктура представляет собой феррит, зерна которого в результате неоднородной деформации имеют криволинейные линии скольжения. Под действием внешних нагрузок, возрастающих с увеличением натяга зерна феррита, обладающие высокой пластичностью, интенсивно деформируются. Их утонение и вытягивание происходит в направлении действия нагрузок. Такая переориентировка зерен феррита совпадает с образованием текстуры, ориентированной в том же направлении. С уменьшением пористости наблюдается более интенсивная деформация зерен в поверхностных слоях. На образцах с исходной пористостью 25 % уже при натягах 0,4 мм в материале порошковых втулок, особенно тонкостенных (< 4 мм), наблюдается разуплотнение. Большие деформирующие нагрузки создают шелушение и микротрещины на деформируемой поверхности, ориентированные в поперечном направлении относительно оси сопрягаемого вала в процессе напрессовки. Исходная микротвердость материала составляет 950-1050 МПа. По мере приближения к поверхности деформирования микротвердость непрерывно повышается и на некоторой глубине (до 100 мкм) достигает максимального значения (в 2 раза выше исходной). Интенсивность роста микротвердости повышается с увеличением натяга и толщины стенки втулки. После напрессовки, на свободной от деформирования поверхности, значения микротвердости ниже исходных, причем с уменьшением толщины стенки эти значения уменьшаются интенсивнее и захватывают большие объемы материала. По результатам исследования микротвердости можно определить качественный характер изменения остаточных напряжений на поверхности изделия. Известно, что растягивающие напряжения снижают, а сжимающие  увеличивают твердость материала. Изучение распределения микротвердости по сечению втулки подтвердило выводы о знаке остаточных напряжений, о толщине уплотненного слоя δ, а также о появлении разуплотнения по свободной от контакта поверхности при увеличении исходной пористости до 25%. В пятой главе на основе численного моделирования напряженно-деформированного состояния процесса напрессовки и обобщения результатов исследований даны практические рекомендации по обеспечению надежности соединения «компактная деталь  порошковая деталь» на примере ряда однотипных прессовых соединений «ступица колеса  порошковый ротор» грузового автомобиля. Д Рисунок 6 – Экспериментальные эпюры остаточных напряжений σI и поля напряжений, полученные путем моделирования, для толстостенных (а) и тонкостенных (б) роторов, после их напрессовки с натягом N=0,8 мм а) б) б) ля анализа напряженно-деформированного состояния порошковых толстостенных и тонкостенных роторов в момент напрессовки их на ступицу было проведено численное моделирование процесса методом конечных элементов с помощью программного комплекса ANSYS. Задача прочности решена с учетом упруго-пластичных свойств и гипотезы малосжимаемости материала (свойства материала задавались диаграммой σ – ε). Такое допущение основано на том, что после напрессовки спеченных втулок с исходной пористостью ≤ 10% и их последующей распрессовке общее изменение объема деформированного пористого материала незначительно и составляет в среднем 0,81,0%. Установлена неравномерность распределения напряжений по толщине соединения, вызванная неоднородностью контактных давлений. Наибольших значений напряжения σ I max достигают на начальном этапе внедрения вала во втулку в месте заходного конуса. Определена повышенная концентрация напряжений по поверхности контакта пористых образцов и их рассеивание в направлениях свободных от напрессовки (рис.6,а). С увеличением натяга очаг деформирования расширяется, распространяясь вглубь сечения. Напряжения в тонкостенных изделиях при натягах более 0,4 мм имеют критические значения, превышающие предел прочности материала, что приводит к образованию трещин и дальнейшему их разрушению и разупрочнению (рис.6,б). Зона пластических деформаций представляет кольцевую область, отстоящую на 0,10,2d от внутреннего диаметра. По результатам компьютерного моделирования составлено уравнение регрессии, описывающее влияние варьируемых факторов (S–толщина стенки пористой втулки; N– натяг) на сжимающие остаточные напряжения, возникающие в пористом материале при получении прессового соединения: . (3) И ,МПа спользуя уравнение (3), проведено сравнение значений, полученных экспериментально и моделированием (рис.7). Данные, полученные экспериментальным методом, не превышают значений, полученных моделированием при аналогичных условиях. Модель позволила получить значения сжимающих напряжений, при превышении которых прочность соединения уменьшается. П S,мм модель эксперимент Рисунок 7 – Зависимость от толщины стенки втулки S при натяге N=0,8 мм, полученные моделированием и экспериментальным путем о результатам проведенных исследований и на основе анализа типов соединений «ступица колеса – порошковый ротор» автомобиля «КамАЗ», проведена корректировка величины оптимального натяга для сопрягаемых деталей с учетом условий эксплуатации. Предложены параметры, обеспечивающие прочность соединений 5 типоразмеров роторов, изготавливаемых методом ПМ. Данная корректировка обеспечила требуемые эксплуатационные характеристики прессового соединения «ступица колеса – порошковый ротор» и позволила сократить количество бракованных сборочных узлов. Экономический эффект от предложенной корректировки составил 5,1млн.руб. в год. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ Прочность соединения «компактная деталь  порошковая деталь» возрастает с увеличением содержания углерода С, уменьшении пористости и увеличении толщины стенки S сопрягаемой порошковой детали. Посадка при этом обеспечивается смятием неровностей с последующим уплотнением поверхностных слоев материала сопрягаемых поверхностей, сопровождающегося пластической деформацией. Это связано с ростом упругих деформаций в результате действия сжимающих напряжений на контактируемой поверхности. Показано, что величина действующих напряжений возрастает с увеличением натяга, толщины стенки образца и пористости. Переходная зона сжимающих напряжений к растягивающим смещается вглубь сечения пористой втулки при увеличении ее толщины и возрастании исходной пористости, сопровождаясь увеличением объема уплотненного слоя, что приводит к росту упругих деформаций и повышению прочности соединения. Установлены зависимости степени пластической и упругой деформации от пористости напрессовываемых втулок, величины натяга, материала и толщины стенки образца. Увеличение натяга и уменьшение толщины стенки втулки приводит к росту пластических деформаций по наружному Dпл и по внутреннему dпл диаметрам, при всех значениях пористости и содержании углерода в материале. Впервые выявлено влияние долей пластической и упругой деформации на качество соединения при различных технологических параметрах пористого материала. Выявлено, что сжимающие напряжения I рода, возникающие при напрессовке порошковых втулок на компактный вал, определяемые обычно количественным рентгеновским анализом, определяются разрезкой образцов и снятием слоев. Их величина и распределение с достаточной достоверностью описывает характер напряженно-деформированного состояния пористой втулки. Посредством моделирования, основанном на конечно-элементном анализе процесса напрессовки пористой втулки на компактный вал определены градиенты остаточных напряжений, возникающих в пористой втулке и вале при образовании сопряжения с натягом. С уменьшением толщины стенки втулки напряжения в теле возрастают, занимая весь его объем и не распространяясь при этом на стальной вал, в отличие от напрессовки компактной втулки на стальной вал, где напряжения распространяются в равном объеме по телу втулки и по телу вала. Расчетные и экспериментальные данные по распределению напряжений совпадают. Определено влияние технологических факторов на формирование и качество прессовых соединений «компактный вал – втулка из порошкового материала». Выявлено, что увеличение количества связанного углерода приводит, благодаря увеличению прочности материала на основе железного порошка, возрастанию прочности соединения в целом; увеличение относительной величины натяга N/S приводит к сужению зоны пластических деформаций втулки, локализующейся вблизи поверхности вала, росту ее плотности, увеличению контактных напряжений и прочности соединения. Разработаны практические рекомендации обеспечивающие прочность прессовых соединений «ступица колеса – порошковый ротор» автомобиля «КамАЗ». Экономический эффект составил 5,1 млн.руб. в год. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Дебеева С.А. Влияние остаточных напряжений на надежность прессового соединения деталей из порошкового и компактного материалов // Известия ВУЗов. Черная металлургия - Москва. МИСИС - 2008. - № 8- С. 26-30 Дорофеев Ю.Г., Дебеева С.А, Бабец А.В.. Влияние масштабного фактора на прочность неразъемных соединений «порошковая деталь   компактная сталь»// Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия: материалы 7-й Междунар. науч.-техн. конф., г.Минск, 16-17 мая 2006г. /Институт порошковой металлургии БГНПК ПМ. Минск, Беларусь, 2006. - С. 55-56 Дорофеев Ю.Г., Дебеева С.А, Бабец А.В., Волхонская Д.А. Прочность неразъемных соединений «порошковая деталь   компактная сталь» //Порошковая металлургия: респ. межведомств. сб. науч. тр. /Нац. акад. наук Беларуси; Белорус. Гос. Науч.-произв. Концерн порошковой металлургии; Гос. науч. Учреждение «Ин-т порошковой металлургии». - Минск, Беларусь, 2006. - Вып.29.- С. 129-132 Дорофеев Ю.Г., Бабец Н.В., Дебеева С.А. О влиянии тонкой структуры порошковых материалов на свойства прессового соединения // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2007. - Спец. вып. - С. 21-25. Дорофеев Ю.Г., Ганшин А.В., Бабец А.В., Дебеева С.А., Волжин Д.Б. Разработка и внедрение порошковых и композиционных материалов и изделий из них // Эффективные технологические процессы в металлургии, машиностроении и станкоинструментальной промышленности: материалы Междунар. науч.-техн. конф.- Ростов-на-Дону, 2007. - С. 109-111. Бабец Н.В., Сычев А.Г., Дебеева С.А., Полоян К.В. Исследование характера распределения остаточных напряжений в порошковых втулках при получении неразъемного соединения с компактной сталью// Студенческая научная весна 2007: сб. науч. тр. асп. и студ. ЮРГТУ(НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2007. - С. 94 Бабец А.В., Дебеева С.А., Волжин Д.Б., Яковенко А.С. Особенности напряженно деформированного состояния прессовых соединений с использованием деталей из порошковых материалов// Изв. вуз. Сев.-Кав. регион. Техн. науки. - 2009. - № 4 - С. 80-82 В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: проектирование и изготовление оснастки для проведения экспериментальных исследований; проведение экспериментов по напрессовке и запрессовке порошковых втулок на компактные валы и обоймы; статистическая обработка и анализ полученных данных, формулирование научных выводов, разработка практических рекомендаций по применению оптимальных натягов для обеспечения прочности соединения; составление алгоритмов для применения компьютерного моделирования процесса напрессовки порошковой втулки на стальной вал.

Похожие:

	«чёрная металлургия» учитель гущина светлана николаевна тула Черная металлургия охватывает весь процесс от добычи и подготовки сырья, топлива и вспомогательных материалов до выпуска готовой...		Методические указания по выполнению рефератов по дисциплине "Конструкционные... Методические указания предназначены в помощь студентам при выполнении рефератов по дисциплине " Конструкционные и функциональные...
	Темы рефератов. Бактериальная коррозия. Виды бактерий, развивающихся... Формирование структуры и свойств сварных соединений. Зоны сварных соединений. Технологические методы обеспечения свойств сварных...		Композиционные материалы Будет максимальное использование отходов различных производств, отработавших изделий, местного и домашнего мусора. Строительные материалы...
	Композиционные материалы Будет максимальное использование отходов различных производств, отработавших изделий, местного и домашнего мусора. Строительные материалы...		«композиционные материалы, на основе эпоксидных смол, упрочненные...
	§2 Что такое композиционные материалы КМ, композиты) многокомпонентные материалы (рис. 5), состоящие из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими...		Примерная программа дисциплины технология конструкционных материалов... Учебная дисциплина «Технология конструкционных материалов» посвящена изучению методов получения материалов и формирования из них...
	Влияние личностных характеристик на выбор профессии Теоретические аспекты изучения влияния личностных характеристик на выбор профессии. 5		Влияние личностных характеристик на выбор профессии Теоретические аспекты изучения влияния личностных характеристик на выбор профессии. 5
	Пояснительная записка к курсовой работе тема: Разработка технологического... Вторичное использование деталей с допустимым износом и восстановление изношенных деталей, узлов и механизмов, способствует успешному...		Прочность и разрушение материалов и элементов конструкций Внешние силы и их классификация: поверхностные, объемные и сосредоточенные, активные и реактивные, постоянные и временные, статические...
	Рабоч ая учебная программа дисциплины Материалы электронной техники Это одна из основных дисциплин профиля, ибо без знания физико-химических характеристик материалов и протекающих в них физических...		Программа дисциплины дпп. Ф. 02. 1 Детали машин Целью преподавания курса является получение студентами знаний по устройству деталей машин и сборочных единиц (узлов) машин и механизмов,...
	Способы разметки симметричных деталей. Ребристые ёлочные игрушки (груша) Цели: Познакомить учащихся со способами разметки симметричных деталей, научить склеивать объёмные изделия за половинки деталей		Рабочая программа учебной дисциплины «компьютерные технологии в машиностроении» Цель изучения дисциплины – повышение основ знаний, умений и навыков по проектированию и современным методам расчета деталей, сборок...