автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Совершенствование структур и физико-механических свойств пружинных сплавов на основе критериев предельного состояния

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Говядинов Сергей Александрович

Совершенствование структур и физико-механических свойств пружинных сплавов на основе критериев предельного состояния

Специальность 05.16.01. - Металловедение и термическая обработка металлов

Двтбреферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2004 г.

Работа выполнена в ФГУП Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники и в Нижегородском государственном техническом университете на кафедре «Металловедение, термическая и пластическая обработка металлов»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.А. Скуднов Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Гаврилов Г.Н.

Кандидат технических наук Лавриненко Ю.А

Ведущая организация - ОАО «Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем Госстандарта РФ»

Защита диссертации состоится « № » декабря 2004 года в « /3*> часов на заседании диссертационного совета Д 212 165.07 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, Н.Новгород, ул. Минина 24, корп. 1, ауд._

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета

Автореферат разослан «./&..» .......2004 года

Учёный секретарь

диссертационного Совета, докт. техн. наук, профессор

В.А. Ульянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. В настоящее время основополагающим условием производимых изделий является их конкурентоспособность, которая во многом определяется их качеством, степенью надёжности. Качество деталей, однако, оценивается стандартными механическими характеристиками, что в действительности, не соответствует реальным условиям эксплуатации деталей. К подобному типу деталей относятся и упругие элементы, качество структуры которых в основном определяется путем замера твердости и предела упругости, что дает возможность лишь предполагать о степени.надежности деталей, имеющих сложные геометрические формы и разные условия нагружения. Поэтому актуальной проблемой является поиск новых параметров оценки качества, которые бы являлись наиболее информативными и достоверными при оценке работоспособности изготовляемых деталей, при этом внедрение методик их определения является также не менее актуальным. Для многих марок сталей их структурные состояния с помощью новых параметров оценки качества еще не оценены. Поэтому, часто на предприятиях к качеству продукции предъявляются требования не по конкретному значению какого-либо свойства, а по интервалу, (например, по твердости) полученному при обработке статистических результатов испытаний.

Цель работы. Изучение спрухоурно-энергетических состояний пружинных сплавов после термического и деформационного упрочнения, оценка этих состояний с помощью новых энергетических критериев разрушения, обеспечивающих обобщенную оценку физико-механических свойств и работоспособности деталей радиотехнических систем и вспомогательных механических устройств.

Программа работы включала решение следующих задач:

1) выбор материалов для исследований, режимов обработки, образцов и показателей для оценки различных напряженно-деформированных состояний;

2) проведение фрактографического макро-, микро- и рентгеноструктурно-го анализов, изучение поведения физических величин (упругих модулей, плотности) в зависимости от изменения структурно - энергетического состояния;

3) изучение влияния напряженного состояния на механические свойства, предельные характеристики и критерии вязкости разрушения бронзы. Оценка различных структурно-энергетических состояний пружинных сплавов с помощью новых критериев вязкости разрушения, сопоставление их со стандартными характеристиками, по которым в настоящее

РОС. НАиноклльнля 3

время определяется качество деталей и выявление преимуществ новых параметров оценки качества;

4) изучение, выявление и устранение недостатков технологии изготовления контактных упругих элементов на основе результатов исследований;

5) изучение влияния легирующих элементов в пружинных сталях на критерии вязкости разрушения после различных режимов термического упрочнения;

6) разработка и освоение новой методики выбора режимов термической обработки бронзы марки Бр.Б2, а также нового метода контроля качества упрочненных упругих элементов. Разработка практических рекомендаций по применению полученных закономерностей изменения структур и показателей с целью решения технологических и конструктивных задач для предприятия.

Объекты и методы исследования, приборы: Бериллиевая бронза Бр.Б2 (цанги, прокладки, мембраны, контактные пружины и др.). Рессорно-пружинные стали 65, 60Г, 65Г, 55С2 60С2, 60С2А, 70СЗА, 60С2Н2А, 60С2ХА (витые и пластинчатые упругие элементы).

Методы исследования: оптическая микроскопия (макро- и микроанализ) на микроскопах типа МБС-10 и МИМ-7 (х500); фрактография на РЭМ марки SAMSUNG SEM 515 (*22 - 720); механические испытания - растяжение (УМЭ-10Т), измерение микротвердости (ПМТ-3 ГОСТ 2999); решгенострук-турный анализ (ДРОН-2); физические методы - акустический (АСТРОН-И) для определения модулей упругости, гидростатического взвешивания (весы аналитические BJIA-200r-M) для определения плотности; используемые инструменты: микроскоп инструментальный БМИ-1 ГОСТ 5.188-69, штангенциркуль ШЦ-11-250, микрометр гладкий МКО-25 ГОСТ 6507 Научная новизна состоит в установлении:

1) закономерностей структурных превращений, а также поведения физических, механических, в том числе предельных характеристик вязкости разрушения в зависимости от степени предварительной деформации, временных и температурных режимов термической обработки сплавов;

2) величин и закономерностей поведения новых критериев вязкости разрушения бронзы в зависимости от степени предварительной деформации, временных и температурных режимов термической обработки, а также от показателя напряженного состояния исследуемого материала;

3) причин разрушения деталей особо ответственного назначения, изготовленных из бронзы Бр.Б2 и в обосновании выбора оптимальных режимов термической обработки и исходного налряженно-

деформированного состояния при изготовлении конкретной детали, предотвращающих нерегламентированное разрушение;

4) влияния легирующих элементов пружинных сталей на критерии вязкости разрушения и выбор опгамальных состояний, в зависимости от температуры закалки и отпуска;

5) оптимальных режимов термической обработки, неразрушающего метода контроля качества и создание опытной технологии при производстве контактных упругих элементов.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:

1) выявлены оптимальные состояния пружинных сплавов, полученные термическим упрочнением, которые оценены с помощью новых параметров оценки вязкости разрушения - критериев зарождения и распространения трещин, обеспечивающие комплексную оценку работоспособности структур сплавов в изделиях;

2) предложен новый метод выбора режимов термической обработки, а также контроль качества упругих элементов, изготовленных из берил-лиевой бронзы марки Бр.Б2 основанный на точных значениях упругих модулей и критериев вязкости разрушения;

3) установлено влияние режимов термической обработки на физико-механические и энергетические показатели пружинных сплавов;

4) установлено влияние легирующих элементов пружинных сталей на их критерии вязкости разрушения после различных режимов термической обработки, позволяющих обоснованно производить их взаимозаменяемость.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) комплексная оценка структуры, изломов, физических характеристик, показателей прочности и пластичности бронзы Бр.Б2 после деформации, закалки и старения с применением современных методов исследований, позволивших получить достоверные данные о структуре, свойствах, характере разрушений и поведения предельных характеристик вязкости разрушения сплава при простых и сложных напряженных состояниях;

2) влияние предварительной пластической деформации, продолжительности и температуры дисперсионного твердения бронзы на ее структуру, физико-механические свойства, предельную удельную энергию деформации, критерии зарождения и распространения трещин;

3) влияние легирующих элементов на критерии вязкости разрушения пружинных сталей;

4) новая методика выбора оптимальных режимов термического упрочнения и исходного напряженного состояния бронзы (способ патентуется);

5) новая методика неразрушающего контроля качества упрочненных деталей (способ патентуется);

6) практические рекомендации по проектированию, изготовлению контактных пружин и решению конструкторских и технологических задач. Апробация работы. Материалы диссертации доложены на: научно-практическом семинаре главных технологов и главных металлургов оборонных предприятий России, г. Санкт-Петербург.- 2 доклада (22-24 ноября 2002г.); восьмой и девятой сессиях молодых ученых (10-14 февраля 2003г. и 2004г.) г. Дзержинск, Нижегородской обл.; втором межгосударственном семинаре-практикуме «Печное и закалочное оборудование нового поколения для термической обработки металлоизделий» Украина, г. Днепропетровск (30 марта-2 апреля 2004г.); городской конференции г. Н.Новгород ФГУП ННИИРТ - 2 доклада (5-6 мая 2004г.); пятой международной конференции «ОТТОМ-5», Украина, г. Харьков - 2 доклада (27 сентября - 02 октября 2004г.)

Работа проводилась по ФЦП «Интеграция» в рамках УНЦ НГТУ «Физические технологии в машиностроении по направлению: «Разработка научных основ низко- и высокоупрочняющих технологий на основе исследований закономерностей поведения структур, строения изломов и предельных характеристик металлов»» в период с 2001 по 2004 годы. Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, подано две заявки с приоритетом на выдачу патента РФ

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 192 страницах, состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, содержит текст на 102 стр., 23 таблиц, 119 рисунков (включая фотографии фрактографий, микро-, и макроструктур), список литературы из 76 источников, приложения в виде протоколов химического анализа и двух актов внедрения. Основное содержание работы.

Во введении обоснованы актуальность проблемы, определена цель работы. В первой главе приводятся сведения о назначении деталей выполняемых из пружинных сплавов, применяемые пружинные сплавы, химический состав, виды и режимы термической обработки, технические требования, предъявляемые к данным материалам, виды отказов, поломок и разрушений деталей. При анализе существующей технологии, а также рекомендаций стандартов и справочных изданий по изготовлению контактных упругих элементов выявлены следующие недостатки.

1. На стадии проектирования в расчетах в основном используются геометрические размеры пружин и модули упругости, которые являются слабо структурно-чувствительными параметрами; в различных справочниках значения модулей упругости являются константами, имеют различные значения, которые находятся в интервале 117,6 -135 ГПа Данная концепция яв-

ляется причиной увеличения погрешности расчетов и источником некоторых конструктивных проблем.

2. Нет общих, четко установленных оптимальных режимов термической обработки контактных пружин. В различных изданиях приводятся рекомендации по использованию температуры старения от 300 до 350 °С и продолжительности от 1 до 5 часов. При этом рекомендации в изданиях распространяются для всех типов контактных пружин, не учитывающих их конфигурацию, наличие концентраторов напряжений и особенности эксплуатации, что приводит к различиям их напряженных состояний и нерегламентиро-ванным разрушениям.

3. При проектировании и изготовлении деталей не учитывается влияние на изменение показателя прочности и пластичности предельной удельной энергии деформации, при этом последняя является синергетиче-ской характеристикой их работоспособности, определяющей критерии зарождения и распространения трещин.

4. Контроль качества упругих элементов проводится путем замера их твердости, Деталь считается качественной, если ее твердость составляет >320 НУ. В действительности, твердость детали может достигать до 450 НУ, при этом, деталь будет считаться качественной. Твердость - показатель внутреннего напряженного состояния, которой пропорциональны все показатели прочности, но для пружин одна эта характеристика не может являться единственным информативным показателем. При одной и той же твердости пластичность сплава может отличаться в 2-3 раза Кроме того, заложенные требования по качеству детали допускают широкий интервал показателя твердости, а значит и разброс физико-механических свойств детали, что нередко привод ит к снижению ее работоспособности.

5. При изготовлении пружин из рессорно-пружинных сталей и сплавов необоснованно выбирается марка сплава, исходя только из экономических соображений. Для оптимального выбора марки сплава необходимо знание влияния легирующих элементов на прочностные, пластические и предельные энергетические свойства материала, определяющие его работоспособность. Влияние легирующих элементов изучено недостаточно, нередко исследования в данной области различных исследователей приводят к противоречивым результатам. Практический и научный интерес представляет комплексное изучение влияния легирующих элементов и марки сплава в целом на критерии вязкости разрушения, так как данные критерии являются информативными показателями и не требуют проведения дополнительных сложных испытаний. На основании выявленных недостатков сформулирована программа работы.

Во второй главе обоснованы выбор материалов, описаны методы исследований и расчетов, проведена метрологическая экспертиза, дана оценка точности экспериментов. Описывается методика и оборудование для проведения механических, акустических, рентгеноструктурного, определения плотности, микроструктурного, макроструктурного и фрактографического методов исследования.

При проведении экспериментов исследовалось влияние предварительной пластической деформации после операции закалки, температуры и продолжительности старения на физико-механические, структурные изменения бериллиевой бронзы марки Бр.Б2. В связи с этим, образцы подвергались закалке, деформации волочением на 0%, 20% и 40%, дисперсионному твердению при температуре 320 и 340 °С с погрешностью по температуре ±2°С, продолжительностью 0, 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 и 4 часа. В общей сложности исследовалось 48 режимов.

При механических испытаниях использовались гладкие образцы, соответствующие №б ГОСТ 1497 и образцы с кольцевыми надрезами радиусом 8, 2,5, 1, 0,8 и 0,2 мм. для создания разного напряженного состояния (77) в пределах от 1 до 6,5, которое рассчитывалось по формуле

Л = 1 + 3 Infi 1 1 • Приводится методика комплексной оценки критериев 1 4-ÄJ

вязкости разрушения, рассчитываемых по формулам: I<3m=Wc /сг0.г критерий зарождения трещины, где Wc - предельная удельная энергия деформации, рассчитывалась по формуле wc - +s(n). j ао,2 - предел текучести металла, S - сопротивление разрушению, ¿'ред -истинная предельная деформация. Цхт-Щкр % " критерий распространения трещины, Wc.Kp - критическое значение Wc-, дщ сталей Wc./<р=0,5-0,7Wc, для бронзы Wc.Kp определялась экспериментально. Рхр = Крт2/(Кзпгоо,2У критерий хрупкости. Критерии рассчитаны для бериллиевой бронзы (рисунки 3-5) и для рессорно-пружинных сталей (всего 21 марок) после различных режимов термической обработки.

В третьей главе приведены результаты исследований на растяжение образцов, замера микротвердости (например, см. таблицу 1), рентгеноструктурного (таблица 3), макроструктурного (см. рисунок 6), макроструктурного (см. рисунок 7) и фрактографического (см. рисунок 8) анализов, измерения плотности (например, см. таблицу 2), модулей упругости и коэффициента Пуассона бронзы Бр.Б2. Кроме того, в данной главе приводятся результаты расчетов предельных характеристик и критериев вязкости разрушения для бериллиевой бронзы после 48 режимов упрочнения и девяти марок пружинных сталей после различных режимов термообработки (см. табл. 1, рисунки 1-5).

, Показано, что с увеличением степени деформации у бронзы Бр.Б2 наблюдается прирост прочности, при температуре старения 340 °С рост прочности происходит за более короткий срок, по сравнению с температурой старения 320 °С (например, см. табл. 1). С, увеличением продолжительности старения от 2,5 до 4 часов наблюдается незначительный рост прочности при температуре 320 °С и спад прочности при температуре 340 °С.

С уменьшением радиуса кольцевого надреза повышается уровень напряженного состояния Я и увеличиваются прочностные свойства до определенного момента (до Пкр). При напряженном состоянии П>Лкр прочностные свойства бронзы монотонно снижаются, но их значение всегда выше значения прочности гладкого образца (например, см. рис. 1).

Таблица 1 Зависимость механических свойств и предельных характеристик вязкости разрушения от структурного состояния бронзы марш Бр.Б2

Состояние Нц, МПа Сод» МПа МПа в, МПа 5,% % е"т \Ус МДж/м

Закалка 780°С, 1315 288 469 1309 61,7 54,4 0,79 627,7

Закалка 780°С, деф. 20% 1893 456 592 1365 30,0 48,3 0,66 600,4

Закалка 780°С, деф. 40% 2335 470 750 1428 15,7 44,4 0,59 556,8

Зак. 780°С, стар. 320°С, 0,5 час. 2629 887 903 1636 32,8 26,5 0,31 388,6

Зак. 780°С, стар. 320°С, 1 час. 3571 1127 1176 1579 10,7 14,1 0,15 206,4

Зак. 780°С, стар. 320°С, 2,5 час. 4101 1319 1331 1465 2,0 5,0 0,05 70,9

Зак. 780°С, стар. 320°С, 4 час. 3826 1298 1318 1412 1,7 3,7 0,04 51,0

Зак. 780°С, стар. 340°С, 0,5 час. 3424 958 989 1548 26,0 20,7 0,23 290,4

Зак. 780°С, стар. 340°С, 1 час. 3816 1131 1164 1521 8,7 13,4 0,14 191,6

Зак. 780°С, стар. 340°С, 2,5 час. 3718 1162 1174 1363 1,3 7,3 0,08 96,3

Зак. 780°С, стар. 340°С, 4 час. 3640 1170 1174 1312 0,7 5,6 0,06 71,2

Поведение ¡предельной удельной энергии деформации Же для бронзы Бр.Б2 представлено в таблице 1, (для пружинных сталей - см. рис.2) и свидетельствует о ■чувствительности данного параметра к структурным изменениям.

Важным параметром, определяющим работоспособность материалов являются величины предельной удельной энергии деформации (¥с), критерии зарождения (Кзт) и распространения (Крт) трещины, а также критерий хрупкости (Кхр). Эти параметры количественно показывают сопротивляемость структуры материала к зарождению и распространению трещин при нагрузке (например, см. рис. 4-6). На основании данных графиков следует, что с увеличением продолжительности старения бронзы и с повышением напряженного состояния вырастает вероятность охрупчивания материала.

Проведение акустических испытаний и определения плотности показало, что с увеличением степени деформации и продолжительности старения

увеличивается плотность р, модуль продольной упругоста Е и модуль сдвига й, при незначительном снижении коэффициента Пуассона V (например, см. табл. 2).

Таблица 2 Значения плотности бронзы Бр.Б2

Состояние р, кг/м3 £,ГПа G, ГПа V

Закалка 780°С, 8214,3 117,9 43,4 0,357

Закалка 780°С, деформация 20% 8229,3 118,6 43,7 0,357

Закалка 780°С, деформация 40% 8255,2 119,4 44,0 0,356

Закалка 780°С, старение 320°С 0,5 час, 8274,6 123,2 45,5 0,355

Закалка 780°С, старение 320°С 1 час. 8308,0 128,0 47,4 0,350

Закалка 780°С, старение 320°С 2,5 час. 8308,7 129,8 48,2 0,347

Закалка 780°С, старение 320°С 4 час. 8309,8 130,2 48,4 0,346

Закалка 780°С, старение 340°С 0,5 час. 8299,1 127,5 47,3 0,348

Закалка 780°С, старение 340°С 1 час. 8301,1 128,7 47,8 0,347

Закалка 780°С, старение 340°С 2,5 час. 8304,0 130,8 48,6 0,345

Закалка 780°С, старение 340°С 4 час. 8313,7 131,5 48,9 0,344

Проведение рентгеноструктурного анализа показало, что:

1. Фазовый состав образцов после различных видов термообработки не изменяется. Основные составляющие структуры: а-твердый раствор на основе меди, <5*-фаза СиВе, ¿ьфаза СиВе, /?-фаза на основе никеля и химическое соединение состава Ве - Си на основе бериллия.

2.При старении 320 °С уровень микронапряжений при выдержки 1,5 - 2,5 часа практически не изменяется (таблица 3.7.1). При обработке 340°С наблюдаем ся уменьшение уровня микронапряжений, что вызывает разупрочнение сплава при выдержки.

3.При старении 320 °С, продолжительностью 0,5-2,5 часа величина блоков субструктуры уменьшается в два раза. При 340 °С старения продолжительностью до 2,5 часов величина блоков резко увеличивается.

4.После деформации перед старением процесс образования зон Гинье-Престона ускоряется, количество ¿»'-фазы увеличивается, уровень микронапряжений возрастает.

Таблица 3 Параметры, определяемые рентгеноструюурным анализом

Ф Ja/a

Температура старения 320 °С 340 °С 320 °С 340 °С

Время старения 0,5 час. 0,3 0,23 1,4 3,3

1,5 час. 0,13 0,7 1,3 5,0

2,5 час. 0,12 0,88 1,5 3,3

Проведение микроструктурного и анализа показало, что: после закалки структура бронзы состоит из а - твердого раствора на основе меди и не растворившейся фазы СиВе, расположенной внутри и по границам зерна; с увеличением степени деформации размер зерна в поперечном сечении уменьшается (см. рис. 6 а, б, в), уменьшается разнозернистость структуры

Проведение макроструктурного и фрактографического анализа показало, что с увеличением продолжительности и температуры старения, а также показателя напряженного состояния возрастает степень охрупчивания бронзы (см. рисунок 7, 8).

В главе 4 представлено обсуждение полученных результатов.

1. Деформирование бронзы Бр.Б2 после операции закалки в пределах до 40% приводит к деформационному упрочнению, сопровождающемуся: - возрастанию прочности в 1,6 раз, уменьшению пластичности в 1,2-1,4 раз. и повышению модулей упругости в 1,02 раз и плотности в 1,004 раз повышению чувствительности к образованию микротрещин в 1,8 раз в структуре металла и сопротивляемости движению трещины в 1,2 раз.

2. Предельная удельная энергия деформации является комплексной (синер-гетической), характеристикой, чувствительной к изменению прочности и пластичности и ответственной за характер работоспособности материала, проявляющейся в величинах Кзт и Крт, Оптимальное сочетание значений этих критериев наблюдаются на начальных стадиях старения (см. рис. 3-4) - от 0 до 1 часа

3. Для бериллиевой бронзы технология упрочнения должна зависеть от конструкционных и эксплуатационных особенностей изготавливаемой детали. Поэтому, для оптимального выбора режима термообработки следует учитывать предельные характеристики материала, параметры модулей упругости и концентрации напряжений. Рекомендуется выбирать режимы термообработки и исходное состояние материала, исходя из заложенных требований конструктором по значению модуля упругости. Поскольку оценка качества детали по модулю упругости - весьма затруднительный процесс, то предложен новый упрощенный метод определения модуля упругости, заключающийся в следующем: определяется скорость только поперечной ультразвуковой волны, проходящей через толщину детали; по формуле Е = 0.1086 -УТ -132 или 0-0.044-^ -57.8, в зависимости от типа пружины, определяется модуль Е или в. Погрешность предлагаемого метода не превышает 0,5%.

4. Влияние концентрации напряжений оказывает существенную роль в снижении пластичности и предельной удельной энергии деформации, а следовательно и снижении работоспособности упругого элемента. Пока-

зано, что радиус перехода сечений в контактных упругих элементах, изготовленных из бронзы Бр.Б2 не должен быть менее 1 мм. 5. Анализ влияния основных легирующих элементов на предельные механические характеристики 19 марок пружинных сталей, взятых после закалки (для каждой марки температура закалки соответствовала согласно д иаграмме железо-углерод) и отпуска при температуре 470 °С показал, что:

• С увеличением содержания углерода с 0,65 до 0,85 % повышаются прочностные свойства стали в 1,1 раз, предельная удельная энергия деформации в 1,16 раз, критерии распространения трещины и критерии хрупкости в 1.3-1.5 раз. При этом пластичность и критерии зарождения трещины не изменяются.

• Легирование марганцем снижает, значение гфедельной удельной энергии деформации в 1,25 раз и критерии вязкости разрушения в 1,03 раз относительно нелегированной стали.

• Легирование кремнием приводит к повышению прочностных свойств стали в 1,62 раз, предельной удельной энергии деформации в 1,33 раза, критерия распространения трещины в 2,35 раз, критерия хрупкости в 4,13 раз и снижению пластичности в 1,5 раза, критерию зарождения трещины в 1,3 раз относительно нелегированной стали.

• Комплексное легирование хромом и ванадием приводит к повышению прочностных свойств стали в 1.2-1.4 раз, предельной удельной энергии деформации в 1,6 раз, критерия распространения трещины в 2,25 раз, гфигерия хрупкости в 3,0-3,6 раз, критерия зарождения трещины в 1,1 раз относительно нелегированной стали. При этом показатели пластичности повышаются незначительно.

В шггой главе приведена технология выбора режимов термической обработки и контроля качества, которые основываются на достижении требуемых значений модулей упругости, приведены алгоритмы решения следующих технологических задач: а) выбор оптимального структурного состояния детали; б) выбор радиуса перехода сечений детали (концентрации напряжений); в) унификация применяемых марок сталей путем выбора материала-заменителя. Выводы по работе

1. Решена важная научно-техническая задача разработки и обобщения структурно-энергетических состояний 21 марок сталей после распространенных режимов термической обработки, бронзы Бр.Б2 после различных режимов деформации и старения (всего 48 структурных состояний), оцененных макро- и микроструктурами, стандартными механическими свойствами (оо,2, <те, 5, 5, у/), а также величинами У/с, критериями Кз.т, Кр.т и Кхр, упругими модулями Е, О (для бронзы), коэффициентом Пуассона (для бронзы), плотностью (для бронзы), позволяющих по-новому решать 12

вопросы повышения качества изделий (пружин) ответственного назначения в устройствах радиотехнических систем.

2. Получены новые систематизированные сведения о закономерностях изменения структуры и физико-механических свойств бронзы Бр.Б2 в зависимости от режимов термической и пластической обработки, позволившие разработать методику выбора оптимальных состояний бронзы для типовых упругих элементов различного назначения и конфигурации (например, прокладка контактная, устранение охрупчивания детали в процессе эксплуатации), основанные на данных макро- и микроструктур, модулей упругости Е, Ст, коэффициента Пуассона, плотности.

3.Впервые произведена оценка состояния пружинных сталей после закалки и отпуска с помощью критериев предельного состояния критериев Кз.т, Кр.т ж1<хр, которая позволила проанализировать влияние отдельных легирующих элементов (£/, С, Мп и др.) на характер разрушения и обосновано производить выбор и взаимозаменяемость пружинных сплавов.

4. По результатам совместного анализа данных, полученных современными методами исследований (акустический, макро- и микроструктурный, фрактогра-фический, решгеноструктурный) бронзы, выявлены ее критические состояния, позволяющие правильно решать задачи технологического и конструктивного характера при изготовлении изделий

5.Впервые получены систематизированные данные о поведении новых, двух-, трехпараметрических критериев разрушения синергетики для исследованных сталей и бронзы Бр.Б2 в зависимости от изменения механических свойств и показано:

• Критерий зарождения трещины повышается с увеличением пластичности и изменяется с изменением факторов, влияющих на пластичность материала (химический состав, напряженное и структурное состояние и т.д)

« Критерий распространения трещины изменяется с изменением прочности и пластичности (имеет низкий коэффициент либо при высокой степени прочности и низкой пластичности и наоборот)

• Изменение критерия распространения трещины не монотонное и зависит от времени выдержки при старении бронзы и от температуры отпуска для сталей, а также от напряженного состояния всех материалов.

о Чем выше значение анализируемых критериев, тем выше сопротивляемость материала разрушению.

6. Результаты, полученные в работе применены для решения следующих задач:

• Для оптимального выбора режимов термической обработки деталей, отличающихся условиями работы

• Правильного и обоснованного выбора взаимозаменяемых материалов

• Предввдения работоспособности деталей в различных условиях эксплуатации

7. Технико-экономический эффект от проведенных исследований выражается в предотвращении брака (по изготовлению контактных прокладок и цанг), благодаря которому может выйти из строя дорогостоящая радиотехническая система, в возможности сокращения технологического процесса дисперсионного твердения на 1 - 2 часа (в зависимости от требуемых физических свойств) и составляет 300 тыс. рублей в год.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих

публикациях:

1. Говядинов С.А. Влияние температуры отпуска стали 60С2А на комплексы разрушения синергетики / С.А. Говядинов, В.А. Скуднов //Информационный сборник для руководителей технологических служб и предприятий радиоэлектроники, приборостроения и машиностроения,-Издание 3. г. Санкт-Петербург 2002 г. -189 с.

2. Горшунов М.Г. Влияние технологии производства пружинной проволоки на критерий зарождения трещин / М.Г. Горшунов, С.А. Говядинов, Т.В. Комарова, В.А. Скуднов //Информационный сборник для руководителей технологических служб и предприятий радиоэлектроники, приборостроения и машиностроения.- Издание 3. г. Санкт-Петербург 2002 г. -189 с.

3. Говядинов С.А. Проблемы материаловедения в ФГУП ННИИРТ/ С.А. Говядинов // Сборник «материалы научно-технической конференции молодых специалистов и студентов 5-6 мая-2004г.».- Н.Новгород 2004г.-98 с.

4. Говядинов С.А. Влияние степени деформации, режимов термической обработки и концентраторов напряжений бериллиевой бронзы марки Бр.Б2 на ее механические свойства и показатель предельной удельной энергии деформации / С.А. Говядинов // Сборник «материалы научно-технической конференции молодых специалистов и студентов 5-6 мая 2004г.».- Н.Новгород 2004г. -98 с.

5. Говядинов С.А.. Основные критерии выбора оптимальных режимов термообработки бериллиевой бронзы марки Бр.Б2 / С.А. Говядинов, JI.A. Ошурина, В.А. Скуднов II Сборник докладов 5-ой Международной конференции Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов / ОТТОМ 5. ч.1.- под ред. В.И. Лапшина, В.М. Шулае-ва. г. Харьков. Украина 2004 -256 с.

6. Говядинов С.А. Влияние термической и пластической обработки на фазовый состав, микронапряжения и прочностные свойства бериллиевой бронзы марки Бр.Б2 / С.А. Говядинов, В.А. Скуднов, Л.А. Ошурина II Сборник докладов 5-ой Международной конференции Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов / ОТТОМ 5, ч.1-подред. В.И. Лапшина, В.М. Шулаева. Харьков. Украина 2004 -256 с

7. Говядинов С.А. Способ определения упругих модулей бериллиевой бронзы марки Бр.Б2. / С.А. Говядинов, H.H. Мухин // Сборник докладов 5-ой Международной конференции Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов /ОТТОМ 5. ч. 2,- под ред. В.И. Лапшина, В.М. Шулаева. Харьков. Украина 2004 -368 с.

8. Говядинов С.А. Способ выбора режимов термической обработки бериллиевой бронзы марки Бр.Б2 / С.А. Говядинов, H.H. Мухин,- Заявка № 2004108589 на выдачу патента РФ на изобретение с приоритетом от 13.04.2004г.

9. Говядинов С.А. Способ определения модулей упругости бериллиевой бронзы марки Бр.Б2 / С.А. Говядинов, H.H. Мухин.- Заявка № 2004128018 на выдачу патента РФ на изобретение с приоритетом от 20.09.2004г.

—♦— зак. 780°С, деформ. 40%

—*— зак. 780°С, деформ. 40% старен.340сС 0,5 ч.

—М—зак. 780°С, деформ. 40% стареа3401,С 1 ч.

-Х- зак. 780°С, деформ. 40% старен.340чС 1,5 ч.

—Ж— зак. 7&0°С, деформ. 40% старея340°С2ч. зак. 780°С, деформ. 40%

стареа340чС 2,5 ч. зак. 780°С, деформ. 40% старен.340°С 3 ч. — зак. 780°С, деформ. 40% стареа340°С 4 ч.

Я

Рисунок 1- Влияние показателя напряженного состояния на показатель временного сопротивления разрушению

1¥сМДж/м3 1000

~Псэс

б 8 --<>•—60С2А

.......«.......60Г

......+......70СЗА

12 14

— 65Г -Яе—55С2 --О— 60С2Н2А

16 18 —л—65 —•—60С2 —-—60С2ХА

Рисунок 2 -Диаграмма структурно-энергетического состояния пружинных сталей

■ Зак. 780°С, старен. 320°С

■ Зак. 780°С, деформ. 20% старен. 320°С

■ Зак. 780°С, деформ. 40% старен. 320°С

* »-1-л

2,5 3 3,5 4 час

Рисунок 3 -Влияние режимов упрочнения бронзы на ее критерий зарождения трещины при старении 320 °С

Кр.т, —♦— Зак, 780°С, старен. 320°С

(МДпс/м3)г —а— Зак, 780°С, деформ. 20% старен. 320°С

750 х1°3 —Ж— Зак. 780°С, деформ. 40% старен. 320°С

650-1 550 450 350

Лл У \\\

Аж

-У,'*

15050

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 МС

Рисунок 4 -Влияние режимов упрочнения бронзы на ее критерий распространения трещины при старении 320 °С

Кхр, —•— Зак. 780°С, старен. 320°С

(МДзк/м3)3 —*— Зак. 780°С, деформ. 20% старен. 320°С

шх106 —Ж— Зак. 780°С, деформ. 40% старен. 320°С

600 ■ 500 400 300 200 100

^ ^ • —-же---♦----

-1 |-,-1-1--1-1

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 час

Рисунок 5- Влияние режимов упрочнения бронзы на ее критерий хрупкости

Рисунок б -Микроструктура бериллиевой бронзы после а) - закалки, б) - закалки и деформации 20%, в) - закалки и деформации 40% (х500)

Рисунок 7- Макроструктуры бронзы в состоянии закалки, деформации 20% старении 320 °С с выдержкой: а) -1 час, б) - 3 часа, в) - 3 часа, и радиусами надреза, а, б-К1ИД)=оо, в-Кшщр=0,2 мм. (*20)

а) б)

Рисунок 8 -Фрактографии образцов бронзы Бр.Б2. а)-после закалки, б) после закалки и старения 320°С, в течение 1 ч.

I

РЫБ Русский фонд

2007-4 16816

3

Подписано в печать 02.11.2004. Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная.

_Печать офсетная. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 2.

~~ Нижегородский государственный технический^университет. Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул/Минину 24\

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 НОМЕНКЛАТУРА ИЗДЕЛИЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ, УСЛОВИЯ РАБОТЫ И ТРЕБОВАНИЯ К РАБОТОСПОСОБНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Характеристика изделий, виды отказов, поломок и разрушений

1.2 Общая характеристика бериллиевых бронз

1.2.1 Влияние легирующих элементов на физико-механические свойства бронзы

1.2.2 Коррозионные свойства бронзы

1.2.3 Фазовые превращения, происходящие при термической и пластической обработке

1.2.3.1 Закалка

1.2.3.2 Старение

1.3 Технология изготовления пружин из бронзы Бр.Б2 и анализ недостатков производства

1.4 Определение предельной удельной энергии деформации

1.5 Характеристика пружинных сталей 26 1.5.1 Влияние легирующих элементов на механические свойства пружинных сталей

Выводы по главе

Цель, задачи и программа работ

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Выбор объектов исследования

2.2. Режимы термической и пластической обработок, оборудование и методы исследования бериллиевой бронзы

2.3. Образцы для создания различного напряжённо-деформированного состояния, виды механических испытаний, контролируемые и рассчитываемые параметры

2.4. Выбор и построение гомологической шкалы и оценка структурно-энергетического состояния исследуемых сплавов

2.5. Построение зависимостей диаграмм предельного состояния сплавов от показателя напряжёно-деформированного состояния

2.6. Определение критериев зарождения трещин, распространения трещин и критерия хрупкости

2.7. Определение плотности

2.8. Измерение микротвёрдости

2.9. Проведение акустических испытаний для определения модуля продольной упругости, модуля упругости при сдвиге и коэффициента Пуассона

2.9.1 Аппаратно - программные средства

2.9.2 Методика измерений 54 2.9.3. Методика проведений расчетов

2.10. Проведение макро- и фрактографического исследований 63 2.11 Проведение микроструктурного анализа

2.13 Методика проведения рентгеноструктурного анализа 65 2.13.1. Рентгеновский дифрактометр ДРОН-2 65 2.13.2 Фазовый анализ 72 2.13.3. Определение величины микронапряжений и размеров областей когерентного рассеяния методом аппроксимации

2.14 Метрологическая экспертиза 81 2.15. Оценка точности эксперимента

Выводы по главе

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПРУЖИННЫХ СПЛАВОВ

3.1. Закономерности изменения предельной удельной энергии деформации для бериллиевой бронзы и пружинных сталей

3.1.1. Закономерности предельного состояния бронзы

3.1.2. Закономерности предельного состояния пружинных сталей

3.2. Закономерности изменения других предельных характеристик от показателя напряжённо-деформированного состояния

3.3. Комплексы зарождения и распространения трещин, хрупкости

3.4. Определение плотности

3.5. Акустические испытания

3.6. Результаты измерений твердости

3.7. Рентгеноструктурный анализ

3.8. Микроструктурный анализ 13 О

3.9. Результаты макроструктурного анализа

3.10. Результаты фрактографического анализа изломов

ГЛАВА 4 АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. Поведение бронзы Бр.Б

4.1.1. Влияние деформации на структуру и критерии разрушения

4.1.2. Влияние температуры и продолжительности старения на физико-механические свойства и критерии разрушения

4.1.3 Влияние концентрации напряжений на механические свойства и критерии разрушения

4.2. Поведение пружинных сталей

В настоящее время основополагающим условием производимых изделий является их конкурентоспособность, которая во многом определяется их качеством, степенью надёжности. Качество деталей, однако, оценивается стандартными механическими характеристиками, что в действительности, не соответствует реальным условиям эксплуатации деталей. К подобному типу деталей относятся и упругие элементы, качество структуры которых в основном определяется путем замера твердости и предела упругости, что дает возможность лишь предполагать о степени надежности деталей, имеющих сложные геометрические формы и разные условия нагружения. Поэтому актуальной проблемой является поиск новых параметров оценки качества, которые бы являлись наиболее информативными и достоверными при оценке работоспособности изготовляемых деталей, при этом внедрение методик их определения является также не менее актуальным. Для многих марок сталей их структурные состояния с помощью новых параметров оценки качества еще не оценены. Поэтому, часто на предприятиях к качеству продукции предъявляются требования не по конкретному значению какого-либо свойства, а по интервалу, (например, по твердости) полученному при обработке статистических результатов испытаний.

Цель работы. Изучение структурно-энергетических состояний пружинных сплавов после термического и деформационного упрочнения, оценка этих состояний с помощью новых энергетических критериев разрушения, обеспечивающих обобщенную оценку физико-механических свойств и работоспособности деталей радиотехнических систем и вспомогательных механических устройств.

В диссертационной работе решены следующие научные задачи.

1. Установлено поведение физических параметров (модуль нормальной упругости Е ГПа, модуль упругости при сдвиге G ГПа, коэффициент Пуассона ц, плотность р кг/м3) в зависимости от степени предварительной деформации, температуры и продолжительности дисперсионного твердения бериллиевой бронзы марки Бр.Б2.

2. Установлено поведение предельных синергетических характеристик в зависимости от степени предварительной деформации, температуры и продолжительности дисперсионного твердения бериллиевой бронзы марки Бр.Б2.

3.Изучены и установлены закономерности структурных превращений, протекающих в бериллиевой бронзе Бр.Б2 в зависимости от степени деформирования, температуры и продолжительности дисперсионного твердения.

4. Изучено влияние легирующих элементов пружинных сталей на работоспособность изготовленных из них деталей с позиции разрушения синергетики.

Научная новизна работы заключается в установлении:

1) закономерностей структурных превращений, а также поведения физических, механических, в том числе предельных характеристик разрушения в зависимости от степени предварительной деформации, временных и температурных режимов термической обработки сплавов;

2) величин и закономерностей поведения новых критериев разрушения бронзы в зависимости от степени предварительной деформации, временных и температурных режимов термической обработки, а также от показателя напряженного состояния исследуемого материала;

3) причин разрушения деталей особо ответственного назначения, изготовленных из бронзы Бр.Б2 и в обосновании выбора оптимальных режимов термической обработки и исходного напряженно-деформированного состояния при изготовлении конкретной детали, предотвращающих нерег-ламентированное разрушение;

4) влияния легирующих элементов пружинных сталей на критерии разрушения и выбор оптимальных состояний, в зависимости от температуры закалки и отпуска;

5) оптимальных режимов термической обработки, неразрушающего метода контроля качества и создание опытной технологии при производстве контактных упругих элементов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) комплексная оценка структуры, изломов, физических характеристик, показателей прочности и пластичности бронзы Бр.Б2 после деформации, закалки и старения с применением современных методов исследований, позволивших получить достоверные данные о структуре, свойствах, характере разрушений и поведения предельных характеристик разрушения сплава при простых и сложных напряженных состояниях;

2) влияние предварительной пластической деформации, продолжительности и температуры дисперсионного твердения бронзы на ее структуру, физико-механические свойства, предельную удельную энергию деформации, критерии зарождения и распространения трещин;

3) влияние легирующих элементов на критерии разрушения пружинных сталей;

4) новая методика выбора оптимальных режимов термического упрочнения и исходного напряженного состояния бронзы (способ патентуется);

5) новая методика неразрушающего контроля качества упрочненных деталей (способ патентуется);

6) практические рекомендации по проектированию, изготовлению контактных пружин и решению конструкторских и технологических задач.

Работа выполнена на кафедре «Металловедение, термическая и пластическая обработка металлов» Нижегородского государственного технического университета и в Нижегородском научно-исследовательском институте радиотехники (ННИИРТ).

Автор выражает искреннюю благодарность профессору, д.т.н. Вениамину Аркадьевичу Скуднову за огромный труд по руководству работой над диссертацией и ценные замечания, а также коллективу кафедры за плодотворные дискуссии, содействие в проведении экспериментов с использованием уникального оборудования и обсуждении результатов работ.

выводы

1. Решена важная научно-техническая задача разработки и обобщения структурно-энергетических состояний пружинных сплавов, и 21 марок сталей после распространенных режимов термообработки, бронзы Бр.Б2 после различных температурных и временных режимов деформации и старения, оцененных макро- и микроструктурами, стандартными механическими свойствами (с0,2, S, 8, \|/), а также величинами Wc, критериями Кзт, Крт и Кхр, упругими модулями Е, G (для бронзы), коэффициентом Пуассона (для бронзы), плотностью (для бронзы), позволяющих по-новому решать вопросы повышения качества изделий (пружин) ответственного назначения в устройствах радиотехнических систем.

2. Получены новые систематизированные сведения о закономерностях изменения структуры и физико-механических свойств бронзы Бр.Б2 в зависимости от режимов термической и пластической обработки, позволившие разработать методику выбора оптимальных состояний бронзы для типовых упругих элементов различного назначения и конфигурации (например, прокладка контактная, устранение охрупчивания детали в процессе эксплуатации), основанные на данных макро- и микроструктур, модулей упругости Е, G, коэффициента Пуассона, плотности.

3. Впервые произведена оценка состояния 19 пружинных сталей после закалки и отпуска с помощью критериев предельного состояния Wc, критериев Кзт, Крт и Кхр, которая позволила проанализировать влияние отдельных легирующих элементов (Si, С, Мп и др.) на характер разрушения и обосновано производить выбор и взаимозаменяемость пружинных сплавов.

4. По результатам совместного анализа данных, полученных современными методами исследований (акустический, макро- и микроструктурный, фрактогра-фический, рентгеноструктурный, выявлены диаграммы предельного состояния бронзы и ее критические состояния, позволяющие правильно решать задачи технологического и конструктивного характера при изготовлении изделий

5. Впервые получены систематизированные данные о поведении новых, двух-, трехпараметрических критериев разрушения синергетики для исследованных 9 марок сталей и бронзы Бр.Б2 в зависимости от показателей механических свойств и показано:

• Критерий зарождения трещины повышается с увеличением пластичности и изменяется с изменением факторов, влияющих на пластичность материала (химический состав, напряженное и структурное состояние и т.д.)

• Критерий распространения трещины изменяется с изменением прочности и пластичности (имеет низкий коэффициент либо при высокой степени прочности и низкой пластичности и наоборот)

• Изменение критерия распространения трещины не монотонное и зависит от времени выдержки при старении бронзы и от температуры отпуска для сталей, а также от напряженного состояния всех материалов.

• Чем выше значение критериев, тем выше сопротивляемость материала разрушению.

6. Результаты, полученные в работе применены для решения следующих задач:

• Для оптимального выбора режимов термической обработки деталей, отличающихся условиями работы

• Правильного и обоснованного выбора взаимозаменяемых материалов

• Предвидения работоспособности деталей в различных условиях эксплуатации

7. Технико-экономический эффект от проведенных исследований выражается в предотвращении брака (по изготовлению контактных прокладок и цанг), благодаря которому может выйти из строя дорогостоящая радиотехническая система, в возможности сокращения технологического процесса дисперсионного твердения на 1 - 2 часа (в зависимости от требуемых физических свойств). Ожидаемый экономический эффект составляет приблизительно 300 тыс. рублей в год.

ГЛАВА 5 ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

В промышленности на сегодняшний день оценка качества упругих элементов проводится по твердости. С одной стороны этот способ контроля качества является технологичным и простым в управлении, но с другой стороны, с помощью этого способа невозможно точно судить о качестве детали. Во-первых, твердость является показателем прочности материала, а для упругого элемента необходимо знать его характеристики упругости. Однако, упругие показатели определить сложно, по причине того, что требуется изготовление специальных образцов, наличие сложного и высокоточного оборудования и проведения сложных расчетов, поэтому применение упругих характеристик в качестве приемочных параметров в условиях производства применения не нашло. Во-вторых, показатель твердости не используется в расчетах упругих элементов на стадии разработки, т.е. этот показатель не придает информации о качестве пружин. В-третьих, замер твердости проводится на образцах-свидетелях, а не на конкретной детали, что дает лишь возможность вероятностно оценить даже характеристику прочности.

При исследовании влияния режимов термической и пластической обработки на изменение модулей упругости, выяснилось, что модуль упругости достаточно существенно изменяется в зависимости от режимов термообработки и деформации. Так как именно эти параметры участвуют в расчетах пружин при проектировании, то наиболее целесообразным будет применение упругих модулей для оценки качества пружин, так как они будут являться более информативными, по сравнению с показателем твердости.

Концепция применения модулей упругости в качестве сдаточной характеристики решает ряд задач, начиная от стадии проектирования и заканчивая контролем качества упрочненных деталей.

Как описывалось в главе 1, конструктор при расчетах пружин использует конкретное, установленное значение модуля упругости. При неудовлетворительных расчетах ему приходится изменять другие параметры пружин, например, при расчете жесткости пружины, где в формулах используются только модули упругости и геометрические размеры детали. Изменение размеров пружины может повлечь за собой пересмотра размеров контактирующих деталей или всей системы в целом. Поэтому, имея представление о возможности манипулирования значениями модулей упругости, на стадии проектирования имеется возможность оптимального решения «тупиковых» конструкторских задач.

При выборе оптимального значения модуля упругости конструктор отражает требование в чертеже именно по этому значению, а не по твердости. Технолог, используя зависимости изменения модулей упругости от режимов термообработки, учитывая исходное состояние бронзы, выбирает оптимальные режимы дисперсионного твердения и отражает их в технологической карте.

При контроле качества термообработанных деталей, используя акустическую установку, сотрудник ОТК замеряет на конкретной детали (или выборочной партии) скорость поперечной ультразвуковой волны, проходящей через толщину детали. Подставляя результат измерения в несложную формулу 4.1.2.4 или 4.1.2.6, вычисляются значения модулей упругости с достаточной степенью точности. Результат контрольной операции сравнивается с требованием конструкторской документации, в результате чего делается вывод о качестве детали.

Предложенная технология была апробирована на прокладке контактной Жг 6.442.012. Оказалось, что для большинства модификаций контактных прокладок требуется достижение модуля продольной упругости, равной 128 ГПа. Для достижения требуемого значения модуля упругости нужно проводить дисперсионное твердение при температуре 320 °С (как показали результаты рентгено-структурного анализа, на начальных стадиях старения при большей температуре скорость упрочнения растет вследствие повышения уровня микронапряжений, поэтому при температуре 320 °С коробление детали будет менее вероятно, что опасно для пластинчатых пружин), и продолжительностью 1 час 15 мин. При этом твердость получается 340-360 HV, что не противопоставляется, а только дополняет существующие методы оценки. Кроме этого, очевидно сокращение технологического процесса на 1 час 45 мин, по сравнению с требованиями [13]

Для цанг с целью придачи большей жесткости, при помощи термообработки выполняется достижение модуля сдвига, равного 48 ГПа. При этом выдержка при старении составляет 2-2,5 часа при температуре 320 °С, или 1,5 часа при температуре старения 340 °С, но с обязательным заневоливанием контактных частей детали.

Внедрение предложенной технологии связано с проведением расчетов на стадии проектирования с применением конкретных физических параметров, что обеспечивает большую точность проводимых расчетов и, тем самым повышение работоспособности деталей.

Исследования напряженного состояния бериллиевой бронзы показали, что в деталях сложной конфигурации радиус концентратора напряжений не должно быть меньше 1 мм., что соответствует Пкр. Этот фактор необходимо учитывать для повышения работоспособности деталей.

Изучение предельных характеристик показало, что критерии зарождения и распространения трещин, предельную удельную энергию деформации и комплекс хрупкости необходимо учитывать с целью решения конструкторских и технологических задач:

• Выбор оптимального структурного состояния детали;

• Выбор радиуса перехода сечений детали (концентрации напряжений)

• Унификация применяемых марок сталей, выбор материала-заменителя;

Для решения задач предлагаются следующие алгоритмы.

Задача 1. Выбор оптимального структурного состояния детали.

1. Из литературных источников или опытным путем изучить изменение основных механических свойств материала в зависимости от изменения режимов термической обработки

2. Оценить по значениям стандартных механических свойств по формуле Трощенко (2.3.4) уровень предельной удельной энергии деформации, критерии зарождения, распространения трещины и критерия хрупкости (формулы 2.6.1 - 2.6.3). По твердости определить значения показателя структурно-энергетического состояния.

3. По результатам комплексного анализа рассчитанных параметров выбирается оптимальное структурное состояние материала, которое в последствии, достигается термической обработкой.

Примером решения данной задачи является выбор оптимального структурного состояния деталей, изготовленных из бериллиевой бронзы, т.е. прогноз поведения контактных упругих элементов при структурном состоянии, обеспечивающим заданное значение упругих модулей.

Задача 2. Выбор радиуса перехода сечений детали

1. Изучить конфигурацию предполагаемой детали.

2. По литературным источникам или опытным путем исследовать стандартные механические свойства материала, из которого предполагается изготовить деталь, образцов с нанесением различных радиусов надреза.

3. Оценить по значениям стандартных механических свойств по формуле Трощенко (2.3.4) уровень предельной удельной энергии деформации и показатель напряженного состояния.

4. Построить зависимость WC-JJ и определить nKp(Wc). Радиус надреза соответствующий напряженному состоянию Пкр будет являться минимально допустимым радиусом концентрации напряжений.

Задача 3. Унификация применяемых марок сталей, выбор материала-заменителя

1. Изучить технические требования чертежа.

2. Оценить по значениям стандартных механических характеристик по формуле Трощенко (2.3.4) уровень предельной удельной энергии деформации для основной марки стали, по твердости определить значение структурно-энергетического состояния.

3. Определить положение основной марки стали на диаграмме структурно-энергетического состояния в осях Wc-Псэс.

4. По диаграмме структурно-энергетического состояния подобрать ряд марок сталей с одинаковыми с основной маркой уровнями Wc, или имеющим большее значение. При этом значения Пас должны быть не ниже основной марки.

5. Для выбранных марок сталей - заменителей провести анализ с точки зрения обеспечения прокаливаемости и стандартных механических свойств на уровне, не ниже основной марки, трудоемкости, энергоемкости, требуемых для обеспечения технических требований чертежа технологий. 6. При необходимости, требуется провести экспериментальное опробование стали-заменителя

Примером подобной задачи может служить поиск материала - заменителя для пружины Жг 8.387.074 (рисунок 1.1.5), изготовленной из стали 65Г и пружины Жг 4.462.111 (рисунок 1.1.6), изготовленной из стали 60С2А на сталь 60С2ХА с температурой отпуска 400 - 420 °С.

1. Рахштадт. А.Г. Пружинные стали и сплавы./ А.Г. Рахштадт.- 3-е изд., пере-раб. и доп. М.: Металлургия, 1982.- 400 с.

2. Пастухова Ж.П. Пружинные сплавы цветных металлов/ Ж.П. Пастухова А.Г. Рахштадт- 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1983.- 356 с.

3. Хачатурян А.Г. Теория фазовых превращений и структура твердых растворов/ А.Г. Хачатурян.- М.: Наука, 1974.- 384 с.

4. Лариков Л.Н., Ячеистый распад пересыщенных твердых растворов/ Л.Н. Лариков, О.А Шматко.- Киев: Наукова думка, 1976.- 223 с.

5. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов/ С.С. Горелик.- М.: Металлургия, 1977.-431 е., ил.

6. Entwistle A.R., Wynn J.K. J. Inst. Metals, 1960, v.89, №l,p. 24-28

7. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов/ И.И. Новиков.- М.: Металлургия, 1986.-480 с.

8. Тяпкин Ю.Д.- Итоги науки и техники / Ю.Д. Тяпкин, А.В. Гаврилова.-ВИНИТИ. М.: ВИНИТИ, 1974, т.8, с. 64-124

9. Плахтий В.Д.- Металлофизика/ В.Д. Плахтий, Ю.Д. Тяпкин, А.В. Гаврило-ва.- 1981, т. 3, № 3, с. 119-121.

10. Ю.Келли А. Дисперсионное твердение/ А. Келли, Р. Никлсон. пер. с англ. М.: Металлургия, 1966.- 300 с.

11. И. ОСТ 4 Г0 838.200 «Пружины. Методика расчёта и указания по проектированию».

12. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов/ Л.Е. Андреева. 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Машиностроение, 1981.- 392 е., ил.

13. ГОСТ 15831 Проволока из бериллиевой бронзы. Технические условия

14. Справочник конструктора машиностроителя/ изд. 8-е, перераб. и доп. под ред. Жестковой И.Н.// М.: Машиностроение 2001 462 с.

15. Муравьёв В.В. Скорость звука и структура сталей и сплавов/ В.В. Муравьёв, Л.Б. Зуев, К.Л. Комаров. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1996- 184 с.

16. Неразрушающий контроль.-Справочник под ред. В.В.Клюева. М.: Машиностроение .2001,90 с.

17. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов/ Ю.М. Лахтин. Изд. 2-е, перераб. и доп., М.: Металлургия, 1979.-416 с.

18. Р4. 054. 035 89 «Рекомендации. Элементы пружинные из сплавов чёрных и цветных металлов. Термическая обработка»

19. Скуднов В.А. Предельные пластические деформации металлов/ В.А. Скудное М.: Металлургия, 1989.- 176 с.

20. Лебедев А.А. К оценке трещиностойкости пластичных материалов/ А.А. Лебедев, Н.Г. Чаусов // Проблемы прочности. -1982. №2 с. 11-13.

21. Лебедев А.А. Феноменологические основы оценки трещиностойкости материалов по параметрам спадающих участков диаграмм деформаций /А.А. Лебедев, Н.Г. Чаусов // Проблемы прочности. -1983. №2 с. 6-10.

22. Лебедев А.А. Физические и феноменологические аспекты повреждаемости металлов при пластическом деформировании / А.А. Лебедев, Н.Г. Чаусов // Обработка металлов давлением. Межвузовский сборник научных трудов. УПИ. Свердловск. 1985 с. 6-9

23. Скуднов В.А., Закономерности сопротивления разрушению металлов/ В.А. Скуднов// Изв. вузов. Черная металлургия. 1994 № 8. с.25 28

24. Синергетика и фракталы в материаловедении / B.C. Иванова, А.С.Баланкин, И.Ж. Бунин, А.А. Оксагоев.- М.: Наука, 1994. 383 с.

25. Скуднов В.А. О взаимосвязи предельной удельной энергии деформации с критериями трещиностойкости линейной и нелинейной механики разрушения / В.А.Скуднов, А.Н. Северюхин // Изв. вузов. Черная металлургия. 1993. № 11-12. С. 42-45.

26. Иванова B.C. Концепция предельной удельной энергии деформации с позиций синергетики/ B.C. Иванова, JI. Жильмо // Известия АН СССР. Металлы. 1989.-№5.-с. 170-179

27. Скуднов В.А. Деформация и разрушение материалов с позиций синергетики. / В.А. Скуднов // Физические технологии в машиноведении: Сб. научных трудов/ НГТУ. Н. Новгород, 1998, с.97-99.

28. Иванова B.C. Синергетика. Прочность и разрушение металлических материалов / Иванова B.C. М.: Наука, 1992. - 160с.

29. Скуднов В.А. Анализ конструкционных материалов с позиций комплексов разрушения синергетики/ В.А.Скуднов, Э.Ю. Чалков// Физические технологии в машиноведении: Сб. научных трудов/ НГТУ; Н. Новгород, 2000, вып.2, с. 101-110.

30. Жильмо Л. Характеристика свойств конструкционных сталей работой предельной деформации / Л. Жильмо // Современные проблемы металлургии / Сборник. 1981. вып. 37. - с. 573-582.

31. Рунов В.В. Состояние и основные направления совершенствования рессор-но-пружинных сталей / В.В. Рунов- М.: изд. НИИавтопрома, 1979. 54 с. ил.

32. Семенов В.М.- в кн.: Новые материалы и технологические процессы в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении / В.М. Семенов, С.М Се-ребрин.- Вып 16. М.: ЦНИИТЭИтракторсельхозмаш, 1977, с. 25-34

33. Прайст А. в кн. Вязкость разрушения высокопрочных материалов / А. Прайст, Н.Мей- пер. с англ. М.: Металлургия, 1973, с. 161-163

34. Сегал В.М. Процессы пластического структурообразования металлов /В.М. Се-гал, В.И. Резников, В.И. Копылов и др. Минск: Наука и техника, 1994. - 232с.

35. Лившиц Л.С.- в кн.: Легирование и хрупкость стали/ Л.С. Лившиц, Л.В. Сиднева, B.C. Щербаков.-Киев: изд. Института проблем литья АН УССР, 1971 с 92-99

36. ГОСТ 18175-78 Бронзы безоловянные, обработываемые давлением.

37. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение/ Дж. Коллинз- пер. с англ. М.: Мир, 1984. 624 е., ил.

38. Hahn G.T. and Rasenfield A.R.//ASTM STP 432, 1968.; Barsom J.M and Pelle-grina J.V.//Eng. Fract. Mech, 5, 1973

39. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию/ Г.А. Смирнов-Аляев- М.: Машгиз 1961

40. Скуднов В.А. Новые комплексы разрушения синергетики для оценки состояния сталей / В.А. Скуднов //Материаловедение и металлургия: Труды НГТУ / НГТУ г.Н. Новгород 2003. т. 38. с. 155 159

41. Скуднов В.А. Влияние термической обработки на синергетические критерии разрушения сталей / В.А. Скуднов// Сб. трудов 5-ого собрания металловедов России/ Кубан. гос. технол. ун-т. г.Краснодар, 2001. с. 89-92

42. Кивилис С.С. Плотномеры / С.С. Кивилис М.: Энергия 1980. - 280 с.

43. Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов/ Б.Г. Лившиц -М.: Металлургия, 1980. 320 с.

44. Испытание материалов/с прав, под ред. X. Блюменауэра- М.: Металлургия 1979-448с.

45. Углов А.Л. Новая автоматизированная система неразрушающего контроля прочности и надежности элементов машин и конструкций / А.Л.Углов, В.М.Попцов Машиностроитель 1993. № 11. с. 2-4

46. Кузьменко В.А. Звуковые и ультразвуковые колебания при динамических испытаниях материалов/ В.А Кузьменко Киев: Изд-во АН УССР. 1963.- 152 с.

47. Годеева Т.А., Жогина И.П. Анализ изломов при оценке надежности материалов / Т.А. Годеева, И.П. Жогина.- М.: Машиностроение. 1978. 200 с.51 .Фрактография и атлас фрактограмм / под ред. M.JI. Бернштейна.- М.: Металлургия, 1982.-c.489

48. Рыбин В.В. Большие пластические деформации и разрушение металлов / В.В. Рыбин -М.: Металлургия. 1986. 224 с.

49. Приборы и методы физического металловедения/вып. 1.- М.: Мир,1973. 427 с.

50. Панченко Е.В. Лаборатория металлографии / Е.В. Панченко Ю.А. Скаков, Б.И. Кример и др.- М.: Металлургиздат. 1965 439 с.

51. ГОСТ 21073.1 «Металлы цветные. Определение величины зерна методом сравнения со шкалой микроструктур».

52. Васильев Д.М. Аппаратура и методы рентгеновского анализа/ Д.М. Васильев, Н.И. Комяк, В.И. Кострова // Вып. 11/ СКБ РА. Л.: 1972, с. 3-12

53. Миркин Л.И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов / Л.И. Миркин -Справочник. -М.: Машиностроение, 1979,- 134 с. ил.

54. Миркин Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов / Л.И. Миркин- М.: Физматгиз, 1961.- 863 с.

55. Горелик С.С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ / С.С. Горелик, Л.Н. Расторгуев, Ю.А. Скаков М.: Металлургия, 1971.-368 с.

56. Методические указания к лабораторным работам «Рентгенография и электронная микроскопия» /ГПИ; Сост.: Мальцев М.В., Горький, 1990- 20 с.

57. Комяк Н.И. Рентгеновские методы и аппаратура для определения напряжений / Н.И. Комяк, Ю.Г. Мясников Л.: Машиностроение, 1972, с. 3 12

58. Журавлёв В.Н. Машиностроительные стали / В.Н. Журавлёв, О.И. Николаева //Справочник. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. -480с.

59. Сорокин В.Г. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вяткин и др.- М.: Машиностроение, 1989. 640 с.

60. Tsubakino Н. Trans. Of Japan / Н. Tsubakino, R. Nozato, H. Hagiwara /Inst. Met., 1981, v.22 №3, pl53-161.

61. Бернштейн М.Л. Структура деформированных металлов / М.Л. Бернштейн -М.: Металлургия, 1977.- 431с., ил.

62. Bonfield W., Edwards B.C. Met. Sci. J., 1975. v. 10 №3, p.493-497

63. Говядинов С.А. Способ выбора режимов термической обработки бериллиевой бронзы марки Бр.Б2 / С.А. Говядинов, Н.Н. Мухин -Заявка № 2004108589 на выдачу патента РФ на изобретение с приоритетом от 13.04.2004.

64. Говядинов С.А. Способ определения модулей упругости бериллиевой бронзы марки Бр.Б2 / С.А. Говядинов, Н.Н. Мухин Заявка № 2004128018 на выдачу патента РФ на изобретение с приоритетом от 20.09.2004.

65. Захарова В.Н. Термическая обработка металлов / В.Н. Захарова, Л.И. Котова -М.: Металлургия, 1972, с. 136-138.1. Главный 1! гглс И И РТоган1. Акт №1внедрения результатов исследований диссертационной работы Говидинова С.А.

66. В результате исследований установлена:

67. Возможность изменения значений модулей упругости путем варьирования режимов термической и пластической обработки.

68. Настоящий акт составлен о том, что в период с 2003 по 2004 гг. в ННИИРТ под руководством и при непосредственном участии С.А. Говядинова проведены исследования по разработке метода определения модулей упругости для проведения контрольных операций.

69. В результате исследований установлена линейная зависимость модулей упругости от скорости поперечной ультразвуковой волны, проходящей через толщину детали, независимо от степени деформации и режимов термической обработки.

70. ГовядиновС.А. иуС/gL/ Зам. начальникаОГТ Борисов А.Н.

71. Мухин Н.Н. Начальник ОИС Рабинович И.В.г1. Форма X IJ-I4протокол i \