Scientific journal
International Journal of Experimental Education
ISSN 2618–7159
ИФ РИНЦ = 0,839

CALCULATION OF INTERNAL RESIDUAL STRESSES ARISING IN HARDENED PARTS OF MACHINES AFTER CHEMICAL-THERMAL PROCESSING

Rozhkov I.I. 1 Mylnikov V.V. 1
1 Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
In the work of the calculation of internal residual stresses arising in hardened parts of machines after chemical-thermal processing. Proposed regime of hardening in the warmed-up butter, resulting in a decrease in residual stresses and reduce scrap in manufacturing of parts for gear and pinion shaft.
internal residual voltage
chemical heat treatment
warping
thermophysical characteristics
liquation.

Проблемной особенностью любой упрочняющей термообработки является коробление деталей, превышающее припуск на последующую обработку в размер сопрягаемых поверхностей шлифованием. Среди множества причин, вызывающих коробление, существенной является химическая неоднородность или ликвация по сечению детали, которая возникает при диффузионном насыщении поверхностного слоя адсорбатом.

Большинство деталей машин работает в условиях износа, кавитации, циклических нагрузок, коррозии при криогенных и высоких температурах, при которых максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях металла, где сосредоточены основные концентраторы напряжений. Чтобы деталь хорошо работала в условиях трения, поверхность должна обладать высокой износостойкостью. Сопротивление циклическим и вибрационным нагрузкам обеспечивает вязкая сердцевина данного изделия. Для достижения всего комплекса свойств деталь подвергается поверхностному упрочнению. Химико-термическая обработка, повышая твердость, износостойкость, задиростойкость, кавитационную и коррозионную стойкость и создавая на поверхности деталей благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность и долговечность машин. В то же время, ХТО создает градиент напряженно-деформированных состояний, при которых неизбежно возникают значительные внутренние напряжения, приводящие к короблению и растрескиванию деталей [2-4].

Цель работы – определение внутренних напряжений, возникающих при закалке тяжелонагруженных деталей машин с переменным химическим составом по сечению и их снижение за счет модифицирования процесса тепловой обработки для уменьшения коробления и растрескивания в конце технологического цикла изготовления.

На практике возникают ситуации, когда химический состав изделия по сечению переменный. Примером являются изделия, прошедшие химико-термическую обработку, когда поверхностный слой резко отличается от внутренних слоев изделия, и возникающие внутренние напряжения от перепада температур и структурных превращений, протекающих в материале на стадии различных видов обработок будут переменными, переменными будут и теплофизические характеристики.

Известные методики расчета внутренних напряжений применимы для материалов с постоянным химическим составом по сечению изделий [1].

Алгоритм решения упругопластической задачи для нахождения термонапряженного состояния стального цилиндра с постоянным химическим составом предложен в работе Тимофеева В.Н., Самойловича Ю.А.[5], который включает:

1) определение температурного поля по сечению цилиндра на основе решения дифференциального уравнения теплопроводности при граничных условиях III рода, при нагреве (охлаждении) по закону Ньютона:

; (1)

где tc – температура греющей среды, оС; t – температура в искомой точке тела, оС (начальное температурное поле по сечению цилиндра равномерно и равно нулю);

- постоянные коэффициенты (тепловые амплитуды, зависящие от числа Био); I0(μn), I1(μn) – функции Бесселя; μn – корень трансцендентного уравнения

; - число Био; - число Фурье; α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К); а – коэффициент температуропроводности, м2/с; τ – время, с;

2) принимается:

, , , (2)

где εz – продольная деформация,

μ – число Пуассона;

3) с помощью последовательных приближений определяются границы (радиус) зон упругой и пластической деформаций:

, (3)

где r0 – радиус зоны пластической деформации, м;

4) расчет пластических радиальных и тангенциальных напряжений:

, ; (4)

5) расчет упругих радиальных и тангенциальных напряжений:

, (5)

, (6)

6) определение модуля пластичности:

, (7)

7) определение продольной деформации: , (8)

8) расчет осевых упругих и пластических напряжений:

, (9)

, (10)

Используя этот алгоритм, предложена методика расчета внутренних напряжений, когда химический состав по сечению переменный. При расчетах внутренних напряжений использовался цилиндр из стали 12ХН3А диаметром 56 мм, прошедший химико-термическую обработку. Учитывались теплофизические характеристики конкретных слоев изделия с разным химическим составом:

  • коэффициент теплоотдачи α;
  • коэффициент теплопроводности λ;
  • коэффициент температуропроводности а;
  • коэффициент линейного расширения β.

Расчет внутренних напряжений при нагреве и охлаждении цилиндра производился в программе MathCad. В компьютерную программу для расчета термических напряжений при нагреве и охлаждении деталей, вносили основные теплофизические свойства сталей с учетом их послойного изменения по сечению.

По результатам расчета построены зависимости основных упругих и пластических напряжений при нагреве и охлаждении стального цилиндра. На рисунке 1 показано распределение упругих и пластических напряжений σупр и σпл на расстоянии r от центра цилиндра при охлаждении в масле. Откуда видно, что некоторые составляющие упругих и пластических напряжений имеют крайне высокие значения, которые соответствуют действующему технологическому процессу изготовления детали вал-шестерня из стали 12ХН3А заключающегося в следующем:

- цементация, t = 9100С, нагрев 1ч, выдержка 13ч, охлаждение на воздухе до 200С;

а)б)

в)г)

д)е)

Рис. 1. Изменение напряжений s в зависимости от расстояния до поверхности цилиндра r при закалке в масле: ○-7 мин; □-4 мин; ∆-2 мин; ◊-30 сек.

а - зависимость осевых пластических напряжений szпл; б - зависимость осевых упругих напряжений szупр; в - зависимость пластических тангенциальных напряжений stпл;

г - зависимость упругих тангенциальных напряжений stупр; д - зависимость пластических радиальных напряжений srпл; е - зависимость упругих радиальных напряжений srупр.

а)б)

в)г)

д)е)

Рис. 2. Изменение напряжений s в зависимости от расстояния до поверхности цилиндра r при закалке в подогретом масле: ○-7 мин; □-4 мин; ∆-2 мин; ◊-30 сек.

а - зависимость осевых пластических напряжений szпл; б - зависимость осевых упругих напряжений szупр; в - зависимость пластических тангенциальных напряжений stпл;

г - зависимость упругих тангенциальных напряжений stупр; д - зависимость пластических радиальных напряжений srпл; е - зависимость упругих радиальных напряжений srупр.

  • нормализация, t = 9200С, нагрев 1,5ч, выдержка 25 мин; охлаждение на воздухе до 200С;
  • закалка t = 8100С, нагрев 100 мин, выдержка 20 мин; охлаждение в масле;
  • отпуск t=2000С, нагрев 100 мин, выдержка 150 мин, охлаждение на воздухе.

С целью уменьшения градиента температур значительно снижающих значения остаточных напряжений были предложены режимы закалки в подогретом масле. Распределение упругих и пластических напряжений σупр и σпл на расстоянии r от центра цилиндра при охлаждении в подогретом масле (t = 1600C) представлены на рисунке 2.

Выводы

На основе проведенных расчетов термических напряжений (осевых упругих и пластических, тангенциальных упругих и пластических, радиальных упругих и пластических) конструкционной стали 12ХН3А ферритного класса, применяемых для изготовления деталей вал-шестерня и колесо зубчатое и предложенного режима закалки в подогретом масле (160○С), было установлено:

1- уменьшение остаточных напряжений в 5-8 раз;

2-значительное уменьшение брака после термической обработки при изготовлении деталей зубчатое колесо и вал-шестерня в среднем с 28% до 5%.