Визначення залишкових напружень в електроіскрових покриттях
Запропоновано методику визначення осьових залишкових напружень у призматичних стрижнях прямокутного перерізу, що дозволяє досліджувати напружений стан у поверхневих шарах як однорідних, так і неоднорідних стрижнів із покриттями. Предложена методика определения осевых остаточных напряжений в призма...
Saved in:
| Published in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Date: | 2003 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2003
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47018 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Визначення залишкових напружень в електроіскрових покриттях / М.П. Бережницька, О.В. Паустовський, С.М. Кириленко, Ю.В. Губін // Проблемы прочности. — 2003. — № 6. — С. 127-133. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859706002410045440 |
|---|---|
| author | Бережницька, М.П. Паустовський, О.В. Кириленко, С.М. Губін, Ю.В. |
| author_facet | Бережницька, М.П. Паустовський, О.В. Кириленко, С.М. Губін, Ю.В. |
| citation_txt | Визначення залишкових напружень в електроіскрових покриттях / М.П. Бережницька, О.В. Паустовський, С.М. Кириленко, Ю.В. Губін // Проблемы прочности. — 2003. — № 6. — С. 127-133. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Запропоновано методику визначення осьових залишкових напружень у призматичних стрижнях
прямокутного перерізу, що дозволяє досліджувати напружений стан у поверхневих
шарах як однорідних, так і неоднорідних стрижнів із покриттями.
Предложена методика определения осевых остаточных напряжений в призматических
стержнях прямоугольного сечения, что позволяет исследовать
напряженное состояние в поверхностных слоях как однородных, так и
неоднородных стержней с покрытиями.
A method for evaluating axial residual stresses
in prismatic bars of rectangular section is
evolved. The method enables one to study the
stressed state of surface layers of both homogeneous
and heterogeneous bars with coatings.
|
| first_indexed | 2025-12-01T02:59:21Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.4.014
Визначення залишкових напружень в електроіскрових покриттях
М. П. Бережницькаа, О. В. Паустовський6, С. М. Кириленко6, Ю. В.
Губін6
а Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів, Україна
6 Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, Київ,
Україна
Запропоновано методику визначення осьових залишкових напружень у призматичних стриж
нях прямокутного перерізу, що дозволяє досліджувати напружений стан у поверхневих
шарах як однорідних, так і неоднорідних стрижнів із покриттями.
Ключові слова: внутрішні напруження, електроіскрове покриття, стравлення
поверхневого шару, тензодатчик, додаткові напруження, модуль пружності.
Вступ. Нанесення розплавленого електродного матеріалу на холодну
деталь при електроіскровому легуванні призводить до формування в утворе
ному покритті розтягуючих залишкових напружень 1-го роду [1]. Ці напру
ження значно впливають на механічні властивості покриттів і є одним із
факторів, що зумовлюють обмеження їх товщини [2].
У процесі розробки нових електродних матеріалів для електроіскрового
легування важливим є вивчення закономірностей формування залишкових
напружень та глибини їх залягання. Найпростіші методи їх визначення -
механічні. За методом Давиденкова, визначення внутрішніх напружень про
водиться через вимірювання прогину зразка при безперервному стравлю
ванні покриття за формулою [3]
Е а2 /
° = ■ (1)
де Е - модуль пружності матеріалу; а - товщина зразка; Ь - половина
товщини зразка; К - відношення масштабів запису по осях X та У; / -
тангенс кута нахилу дотичної, проведеної до кривої прогину в даній точці.
Метод успішно застосовується для визначення напружень по товщині
однокомпонентного матеріалу, але незручний при використанні для зразків
із покриттям. При використанні методу потрібно враховувати модуль пруж
ності матеріалу, який в матеріалах покриття і основи може відрізнятися. Цю
різницю в значенні модуля Юнга враховують наступним чином:
а + в ( а + в \
Е = Ео ~ ^ + Еп |1------(2)
де Ео і Еп - модулі пружності матеріалів основи та покриття;
© М. П. БЕРЕЖНИЦЬКА, О. В. ПАУСТОВСЬКИЙ, С. М. КИРИЛЕНКО, Ю. В. ГУБІН, 2003
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2003, № 6 127
М. П. Бережницъка, О. В. Паустовсъкий, С. М. Кириленко, Ю. В. Губін
Ни - товщина покриття; и - половина товщини стравленого шару, тобто
потрібно враховувати товщину покриття і його модуль пружності.
При нанесенні зносостійкого твердосплавного покриття на сталь електро
іскровим методом відбувається кавітаційне перемішування твердосплавних
продуктів ерозії електрода з основним матеріалом [4]. Утворюється новий
композит, модуль Ю нга якого часто невідомий, і в формулу підставляється
наближене значення, що призводить до значної похибки.
М етодика експерименту. У роботі зроблено спробу розробити метод
визначення внутрішніх напружень в електроіскрових покриттях, який би
спростив процес і не давав великих відхилень від істинних значень. Роз
глянемо зразок у вигляді паралелепіпеда. У поверхневих шарах поверхні, що
оброблялася, утворилися внутріш ні напруження о 0 . Вважаємо, що вони
постійні вздовж зразка. По перерізу ці напруження врівноважуються проти
лежними напруженнями в глибині зразка. Знімаємо поверхневий шар із
напруженнями, що еквівалентно дії на частину, що залишається, напружень
протилежного знака, які спричиняють розтяг (стиск) цієї частини. Визна
чимо осьові залишкові напруження о о ( д і ), що діють у поверхневому шарі
на глибині д і . Якщо знімаємо цей шар, то в частині, що залишилася,
з ’являються додаткові напруження о д(д і ). Тоді напруження в шарі, що
знаходиться на відстані д і від поверхні (і = 0, 1, 2, ...), будуть такі:
Напруження о (д і ) знаходимо наступним чином. Знімаємо тонкий шар
dд і (рис. 1), що еквівалентно дії зусилля
де Ь - ширина стрижня.
У нижньому крайньому волокні стрижня виникають напруження роз
тягу та згину:
о (<$і ) = о о(б { ) + о д(б { ), (3)
звідки дійсні залишкові напруження
О о( б і ) = о ( б і ) - о д( б і ). (4)
СР(б і ) = о(б і )Мб і (5)
та моменту згину
ё И (б і ) = І Д Н - б і ) о ( б і )М б і , (6)
= сІР( б і ) - І/2( Н - б і )с И (б і )
О С Р (б і ) / ( б і ) (7)
Ь(Н - д і ) 3
де Г (д і ) = Ь(Н — д і ) та І(д і ) = ------ —------ --- відповідно площа та момент
інерції перерізу стрижня після зняття шару д і .
128 0556-171Х. Проблемы прочности, 2003, № 6
Визначення залишкових напружень
Датчики
Рис. 1. До визначення осьових залишкових напружень у призматичному стрижні.
Підставимо значення dP (ô , ), d M (ô , ), F (ô , ) та I (ô , ) в формулу (7) і
отримаємо
2o( ô , )d ô ,
(8)
звідки
o (ô i ) =
h — ô ; do c
2 dô , (9)
Аналогічно знаходимо додаткові напруження о д (д , ).Я кщ о на відстані
д і_і від поверхні знімемо шар dд , то в шарі д , , що знаходиться від
нейтральної площини згину на відстані 1/2(Н + д _ 2д ,), виникнуть на
пруження розтягу та згину:
dо д = ^ (д ,'_ \) _ 1/2( Н + д І_1 _ 2д , ) Ш ( д І_1) -
F ( ô і—і) I (ô i—і)
1 t 3( h + ô i—1 — 2ô , ) t
o( ô i—i )dô i—i ------ ----- — ^ — o( ô i—i )dô i—i . (10)
h — ô і—i ' ^ I_1 (h — ôi—i)
Напруження о (д ,_1) в шарі д після зняття усіх попередніх шарів
можна знайти за формулою (9). Тоді
_ i (4h + 2ô і—i — 6ô ; ) do c
d0д 2 h — a,— dô,—i dôi—i ’ ( i i )
звідки додаткові напруження в шарі на глибині д , після зняття попередніх
шарів будуть
0 i 0 4h — 6ô , + 2ô i—i do c
o д(ô i ) = / d o Д = —2 / h — ô —i ; i u t d ô — (i2)
При інтегруванні по частинах отримаємо
д,
o д( ô і ) = —20 с ( ô і ) + 3( h — ô i ) Г 0 с ( Ô i—i ) 2 dô i_
0 ( h — ô i—i )
(i3)
ISSN 0556-171X. Проблеми прочности, 2003, № 6 129
М. П. Бережницька, О. В. Паустовський, С. М. Кириленко, Ю. В. Губін
Підставимо значення основних напружень о (д i ) із формули (9) та
додаткових напружень із формули (13) в (4) і визначимо дійсні залишкові
напруження у шарі на відстані д { від поверхні зразка:
h - д i do д о (д i_1)
* о ( д і ) = _ — ^ ^ + 2 о c( д і ) - 3(h _ д і ) f c\ l 1} d d — (14)
2 dд і 0 (h - д і - 1)
Напруження о c(д {), що виникають при послідовному зніманні поверх
невих шарів д і , визначають експериментально.
На рис. 2 подано схему навантаження стрижня з тензодатчиками. На
відстані а від кінців стрижня згинальний момент у поперечних перерізах
постійний (M = Pa = const), і напруження в них змінюються за лінійним
законом:
о c = C f (P ), (15)
де С - постійний коефіцієнт, що описує геометричні характеристики дослід
жуваного стрижня. Після зняття шарів напруження
о c = A i (16)
де Ai - зміна опору тензодатчиків, що фіксується мікроамперметром після
зняття шару д i ; р - кут нахилу тарувальної прямої.
р
У \\\\£''
а
Рис. 2. Схема навантаження стрижнів (/) із тензодатчиками (2).
Для вимірювання опору використовують мостову схему, що складається
з двох плечей. Кожне плече має два тензодатчики: робочий і термокомпенса-
ційний. Робочий наклеюється на зразок. Термокомпенсаційний теж наклею-
юється на зразок, який знаходиться в електроліті, але не травиться. Це
необхідно для усунення впливу температури на опір тензодатчика, яка в
процесі травлення може змінюватися. Травлення проводять автоматично,
підтримуючи стабільний анодний струм для одержання постійної швидкості
травлення. За цією швидкістю визначають товщину стравлюваного шару.
Для електрохімічного травлення зразків із покриттям можна використовувати
два електроліти: один для стравлювання покриття, інший для стравлювання
основи зразка. У процесі стравлювання шарів ^ , д 2 , д 3 отримують ряд
значень напружень о с(д Д о с(д 2 ) , ..., о с(д п), які підставляють у формулу
(14) і знаходять залишкові напруження.
130 ISSN 0556-171X. Проблеми прочности, 2003, № 6
Визначення залишкових напружень
Якщо товщина покриття значно менша за товщину зразка, то додаткові
напруження будуть незначними. Наприклад, покриття, нанесені твердим
сплавом методом електроіскрового легування, мають товщину, як правило,
кілька десятків мікрометрів. Це приблизно на два порядки менше, ніж
товщина всього зразка. На практиці зручним є використання зразків товщи
ною 3-6 мм, шириною 8-15 мм і довжиною 100-150 мм. Відповідно,
додаткові напруження о д будуть досить малими і ними можна знехтувати,
використовуючи для підрахунків більш просту формулу (9).
Результати експерименту. Розроблену методику використовували для
визначення залишкових напружень у покриттях, отриманих електроіскровим
легуванням. На зразки зі сталі У8 (товщина Н = 4,86 мм; ширина Ь = 8,20 мм;
довжина І = 150 мм) наносили твердосплавне покриття товщиною 30-35 мкм
електродним матеріалом ВК3У на установці “ЗФИ-46А”. (Енергія імпульсу
становила 0,38 Дж).
На обезжирену поверхню, протилежну обробленій, наклеювали тензо
датчики типу ФКПА20-200х, які тарували на установці “РОН” [5]. Потім
пошарово стравлювали покриття за допомогою електролітів. Для покриття
використовували “холодний” електроліт - розчин сірчаної та азотної кисло
ти у дистильованій воді, для сталі - водний розчин солей сірчанокислого
цинку та хлористого натрію. На основі результатів експерименту та даних
про швидкості травлення покриття й основи зразка будували залежність
у = о с(д {), обчислювали похідну й інтеграл за допомогою методу пара
болічної апроксимації та правила трапеції [6]. Щоб отримати залежності
у = о с(д і ), досліджували три-чотири зразки. Розрахунок напружень пред
ставлено в таблиці. Нанесення твердосплавного покриття шляхом електро
іскрової обробки спричинило виникнення залишкових напружень розтягу з
максимумом на межі покриття та основи зразка. Епюри залишкових напру
жень у покритті та на межі його з основою, незалежно за якою формулою -
(9) чи (14) вони визначалися, майже збігаються (рис. 3). Із ростом товщини
стравлюваного шару різниця між графіками 1 і 2 стає істотнішою.
а0, МПа
Рис. 3. Епюри залишкових напружень по товщині покриття, отримані за формулами (9) - 1 і
(14) - 2.
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2003, N 6 131
132
/ЯЯЛГ 0556-171Х. Проблеми
прочности, 2003, №
6
Розрахунок напружень по товщині зразка
і М<5;)/10,
МПа і
її — (5;,
мм
(Л-<5,.)/2,
мм МПа
2<хс (<5;)*,
МПа
— Зі/і — д ; ) / ...*,
МПа
Оо 0 /) .
МПа
0 0,000 0,000 4,000 4,850 2,425 97,000 0,000 0,000000 97,000
1 0,008 -0 ,0 3 6 5,000 4,842 2,421 121,050 -0 ,7 2 0 0,000089 120,330
2 0,016 -0 ,0 8 0 -11 ,000 4,834 2,417 265,870 -1 ,6 0 0 0,000377 264,270
3 0,024 -0 ,2 1 2 -18 ,750 4,826 2,413 452,437 -4 ,2 4 0 0,001102 448,199
4 0,032 -0 ,3 8 0 -21 ,750 4,818 2,409 523,958 -7 ,6 0 0 0,002572 516,360
5 0,040 -0 ,5 6 0 -14 ,024 4,810 2,405 337,273 -11 ,200 0,004910 326,078
6 0,046 -0 ,6 0 6 -7 ,1 6 7 4,804 2,402 172,143 -12 ,120 0,007086 160,030
7 0,052 -0 ,6 4 6 -6 ,0 0 0 4,798 2,399 143,940 -12 ,920 0,009423 131,029
8 0,058 -0 ,6 7 8 -5 ,0 0 0 4,792 2,396 119,800 -13 ,560 0,011894 106,252
9 0,064 -0 ,7 0 6 -4 ,5 0 0 4,786 2,393 107,685 -14 ,120 0,014479 93,579
10 0,070 -0 ,7 3 2 -5 ,3 8 9 4,780 2,390 128,794 -14 ,640 0,017165 114,172
11 0,082 -0 ,8 2 2 -6 ,5 0 0 4,768 2,384 154,960 -16 ,440 0,022975 138,543
12 0,094 -0 ,8 8 8 -5 ,5 8 3 4,756 2,378 132,772 -17 ,760 0,029373 115,041
13 0,106 -0 ,9 5 6 -5 ,5 0 0 4,744 2,372 130,460 -19 ,120 0,036279 111,376
14 0,118 -1 ,0 2 0 -5 ,5 0 0 4,732 2,366 130,130 -20 ,400 0,043685 109,774
15 0,130 -1 ,0 8 8 -5 ,3 9 2 4,720 2,360 127,247 -21 ,760 0,051593 105,539
Примітка. Зірочкою відмічено відповідні складові напружень у формулі (14).
М. П. Береж
ницька, О. В. Паустовський, С. М. Кириленко, Ю
. В. Губін
Визначення залишкових напружень
Висновки. При знятті тонких шарів (до 50 мкм) додаткові напруження
нехтувально малі, і залишкові напруження можна визначити за формулою
(9), в той час як при знятті більших товщин додаткові напруження стають
значно більшими, і дійсні залишкові напруження бажано визначати за фор
мулою (14).
Даний метод дозволяє уникнути використання модуля пружності по
криття та товщини останнього, що значно спрощує процес визначення
напружень і зменшує похибку.
Р е з ю м е
Предложена методика определения осевых остаточных напряжений в призма
тических стержнях прямоугольного сечения, что позволяет исследовать
напряженное состояние в поверхностных слоях как однородных, так и
неоднородных стержней с покрытиями.
1. Паустовський О. В., Бережницька М. П., Кириленко С. М. Залишкові
напруження після електроіскрового легування інструментальних сталей
// Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 1999. - № 5. - С. 109 - 110.
2. Кириленко С. Н., Верхотуров А. Д., Безыкорнов А. И. Остаточные
напряжения в нанесенном электроискровым методом слое в зависимос
ти от температуры отпуска исходных образцов // Порошк. металлургия.
- 1985. - № 4. - С. 21 - 23.
3. Бабичев М. А. Методы определения внутренних напряжений в деталях
машин. - М.: Изд-во АН СССР, 1956. - 132 с.
4. Кириленко С. Н. Разработка спеченных электродных материалов из
карбидотитановых и карбидовольфрамовых сплавов для электроискро
вого легирования стали с последующей дополнительной обработкой:
Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Киев, 1989. - 18 с.
5. Бабей Ю. И., Бережницкая М. Ф., Каличак Т. Н., Череватюк В. А.
Установка для определения остаточных напряжений первого рода //
Информ. листок № 82-01. - Львов: ЦНТИ УкрНИИНТИ Госплана
УССР, 1981.
6. Бабей Ю. И., Бережницкая М. Ф. Метод определения остаточных
напряжений первого рода. - Львов, 1980. - 66 с. - (Препр./АН УССР.
Физ.-мех. ин-т, № 30).
Поступила 19. 06. 2002
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2003, № 6 133
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-47018 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-01T02:59:21Z |
| publishDate | 2003 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бережницька, М.П. Паустовський, О.В. Кириленко, С.М. Губін, Ю.В. 2013-07-08T16:06:21Z 2013-07-08T16:06:21Z 2003 Визначення залишкових напружень в електроіскрових покриттях / М.П. Бережницька, О.В. Паустовський, С.М. Кириленко, Ю.В. Губін // Проблемы прочности. — 2003. — № 6. — С. 127-133. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47018 539.4.014 Запропоновано методику визначення осьових залишкових напружень у призматичних стрижнях прямокутного перерізу, що дозволяє досліджувати напружений стан у поверхневих шарах як однорідних, так і неоднорідних стрижнів із покриттями. Предложена методика определения осевых остаточных напряжений в призматических стержнях прямоугольного сечения, что позволяет исследовать напряженное состояние в поверхностных слоях как однородных, так и неоднородных стержней с покрытиями. A method for evaluating axial residual stresses in prismatic bars of rectangular section is evolved. The method enables one to study the stressed state of surface layers of both homogeneous and heterogeneous bars with coatings. uk Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Визначення залишкових напружень в електроіскрових покриттях Evaluation of Residual Stresses in Electric-Spark Coatings Article published earlier |
| spellingShingle | Визначення залишкових напружень в електроіскрових покриттях Бережницька, М.П. Паустовський, О.В. Кириленко, С.М. Губін, Ю.В. Научно-технический раздел |
| title | Визначення залишкових напружень в електроіскрових покриттях |
| title_alt | Evaluation of Residual Stresses in Electric-Spark Coatings |
| title_full | Визначення залишкових напружень в електроіскрових покриттях |
| title_fullStr | Визначення залишкових напружень в електроіскрових покриттях |
| title_full_unstemmed | Визначення залишкових напружень в електроіскрових покриттях |
| title_short | Визначення залишкових напружень в електроіскрових покриттях |
| title_sort | визначення залишкових напружень в електроіскрових покриттях |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47018 |
| work_keys_str_mv | AT berežnicʹkamp viznačennâzališkovihnapruženʹvelektroískrovihpokrittâh AT paustovsʹkiiov viznačennâzališkovihnapruženʹvelektroískrovihpokrittâh AT kirilenkosm viznačennâzališkovihnapruženʹvelektroískrovihpokrittâh AT gubínûv viznačennâzališkovihnapruženʹvelektroískrovihpokrittâh AT berežnicʹkamp evaluationofresidualstressesinelectricsparkcoatings AT paustovsʹkiiov evaluationofresidualstressesinelectricsparkcoatings AT kirilenkosm evaluationofresidualstressesinelectricsparkcoatings AT gubínûv evaluationofresidualstressesinelectricsparkcoatings |