Seria: ►ECHANIKA z. 99 Nr kol. 1057
SYMPOZJON "MODELOWANIE W MECHANICE"
POLSKIE TOWARZYSTWO MECHANIKI TEORETYCZNEJ I STOSOWANEJ Beskid Śląski, 1990
Władysław Zielecki Zakład Technologii Maszyn Politechnika Rzeszowska
STAN NAPRĘŻEŃ WŁASNYCH W STALI NAPROMIENIOWANEJ WIĄZKĄ ELEKTRONÓW
Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badań naprężeń własnych w stali 38HMJ, obrobionej wiązką elektronów. Stwierdzono, że efektem obróbki elektronowej jest konstytuowanie powierzchniowych naprężeń rozciągających o wartości od 80 do 370 MPa oraz ściskających naprężeń własnych o wartości od -160 do -240 MPa, zalegających do głębokości 0,8 mm. Przeprowadzone badania zmęczeniowe wykazały, że naprężenia powierzchniowe wywierają decydujący wpływ na wartość trwałej granicy wytrzymałości zmęczeniowej.
1. Wpr owadzeni e
Strumień elektronów o wysokiej energii stosowany Jest od wielu lat w technologii topienia i spawania metali. Może on być również wykorzystywany w operacjach obróbki powierzchniowej, zapewniając uzyskanie powierzchni o chropowatości R^ = 0 , 1 0 - 0 , 2 0 fjm niezależnie od chropowatości wejściowej oraz utwardzenie warstwy wierzchniej do wartości ^HVq ^ = 6,0 - 7,0 GPa C 33 .
Zmiany właściwości warstwy wierzchniej zachodzące podczas powierzchniowej obróbki elektronowej są rezultatem procesów bardzo szybkiego nagrzewania i stygnięcia materiału, powodujących rozdrobnienie ziarn, rozposzczanie dodatków stopowych i ich segregację oraz przemiany strukturalne i fazowe.
Zjawiska fizyczne zachodzące podczas obróbki elektronowej wpływają również na zmianę stanu naprężeń w warstwie wierzchniej.
Celem niniejszej pracy było wyznaczenie rozkładów naprężeń własnych w stali 380MJ obrobionej wiązką elektronów oraz określenie ich wpływu na wytrzymałość zmęczeniową.
2. Obróbka próbek 1 metodyka badań
Powierzchnię zewnętrzną ulepszonych cieplnie, walcowych próbek ze stali 38HMJ, o średnicy <p 36 mm i długości 100 mm, toczono, szlifowano i polerowano do chropowatości R * 0,36 - 0,40 ¿/m, a następnie obrobiono wiązką elektronów. Powierzchniową obróbkę umacniającą przeprowadzono spawarką elektronową K10/G-150 firmy Steigerwald Strahltechnik. Obróbkę wykonano w próżni 6,65 ' 10~7 Pa wiązką elektronów, której moc regulowano prądem wiązki I * 12-20 mA,ni e zmieniając napięcia przyspieszającego U = 120 kV. Strumień elektronów był ogniskowany pod powierzchnią obrabianą CI^
= -1OO mA3 i odchylany poprzecznie z częstotliwością f = 100 Hz i amplitudą a = 25 mm.
Z umocnionych wiązką elektronów próbek wykonano tuleje, z których wycięto pryzmatyczne płytki o grubości 5 mm i szerokości 12 mra;przeznaczone do badań stanu naprężeń oraz próbki o specjalnym kształcie C23^ stosowane w badaniach zmęczeniowych.
Naprężenia własne w warstwie wierzchniej stali 38HMJ umocnionej wiązką elektronów wyznaczono metodą Sachsa—Davi denk o w a . Próbki trawiono elektrochemicznie w roztworze o składzie chemicznym 60% H^PO^ + 2 0% H^SO^ + 20% H^O i rejestrowano ich odkształcenia w określonych odstępach czasu.
Wartości naprężeń własnych w kolejnych punktach pomiarowych obliczono ze wzorów podanych w pracy Clij wykorzystując do tego celu program opracowany na komputer ZX Spectrum. Program umożliwiał przedstawienie wyników w postaci tablicy oraz wykresu rozkładu naprężeń z wartościami naprężeń powierzchniowych ó Cza które przyjmowano wartość naprężeń na głębokości
P
h . = R = 2 ¿iirO, maksymalnych naprężeń ściskających ó i głębokości
7flVT> Z 9Tft
zalegania naprężeń ściskających g^. Pomiary naprężeń wykonano z trzykrotną powtarzalnością, a zamieszczone wyniki odpowiadają wartościom średnim.
Przyspieszone badania zmęczeniowe przeprowadzono metodą schodkową na wibratorze elektrodynamicznym S T 500/300/1 C23. Próbę zmęczeniową prowadzono do wystąpienia pęknięcia zmęczeniowego lub granicznej liczby cykli wynoszącej 2 ’10<S. Procentowy wzrost wytrzymałości zmęczeniowej ^Zgv próbek obrobionych wiązką elektronów określono w stosunku do wytrzymałości zmęczeniowej próbek polerowanych.
3. Wyniki badań
Obróbka wiązką elektronów o mocy do 1800 W nie powodowała istotnej zmiany chropowatości uzyskanej w operacji polerowania. Strumień elektronów o mocy większej od 1800 W powodował przetopienie powierzchniowych warstw metalu, powodując zmniejszenie chropowatości do = 0,23 — 0,25 pm.
Na rys.1 przedstawiono przykładowy komputerowy wydruk obliczeń naprężeń własnych w próbce obrobionej wiązką elektronów o mocy 1440 W. Kompleksowe wyniki pomiarów naprężeń własnych przedstawiono na rys. 2 oraz w tablicy 1, w której zamieszczono również wyniki badań zmęczeniowych.
W próbkach polerowanych występują naprężena rozciągające o ó = 750 MPa, P
zalegające do głębokości 0,09 mm. Efektem obróbki elektronowej jest ukonstytuowanie w warstwie wierzchniej naprężeń ściskających o maksymalnych wartościach ó od —160 do -240 MPa, zalegających na głębokość od 0,2 do 0,8
m a
mm. W próbkach obrobionych strumieniem elektronów powodującym przetopienie powierzchniowych warstw metalu konstytuowane są na powierzchni naprężenia rozciągające o maksymalnej wartości 370 MPa, zalegające do głębokości 0,03 mm.
R O Z K Ł A D N A P R E Z E N P R Ó B K A NR 3 n ( 3 , 0 ) =0 2 ( 3 . 0 ) = 4 3 6 . 4 h i.3 , 1» = . 0 0 0 9 2 ( 3 . 1 ) = 4 7 9 h, ( 3 , 2 ) = . 0 0 1 9 2 i 3 , 2 ) = 3 9 7 . 7
h . 0 0 2 8 2 » 3 , 3 ) = 2 4 5 . 5
h ( 3 ! 4 ) = . 0 0 3 8 2 v 3 . 4 i = 1 7 0 . 5 h ». 3 . 5 i = . 0 O 6 7 2 ( 3 . 5 ) = 1 1 5 . 6
¡-, i 3 , 6 ' = . 0 0 9 6 2 1.3 . 6 ) = 6 0 . 1 h 3 , 7 ) - . 0 1 2 5 2 . 3 . ; 7.i = - 1 8 . 5 h ( 3 , 8 ) = . 0 1 5 4 2 ( 3 , 8 ) = - 3 3 . 2 h ». 3 , 9 .» = . 0 2 7 _ 2 ».3 . 9 ) = - 1 3 6 . 1 h ( 3 . 1 0 .» = . 0 3 8 6 21 0. 1 0 ) = - 1 5 7 . 4 h ( 3 . 1 1 ) = . 0 5 0 1 2 ( 3 • 1 1 « = - 1 9 5 h ( 3 . 1 2 ) = . 0 6 1 7 2 l 3 . 1 2 ) = - 1 6 6 . 8 h » 3 1 3 1 = . 0 7 3 3 2 » 3 . 1 3 ) = - 1 4 4 . 4 h i 3 . 1 4 ) = . 0 8 4 9 2 »3 . 1 4 ) = - 1 5 0 . 1 h ( 3 . 1 5 ) = . 0 9 6 5 2 ( 3 , 1 5 ) = - 1 4 8 . 9 h i 3 , 1 6 ) = 0 . 1 0 5 2 ( 3 . 1 6 ) = - 1 3 9 . 7 h ( 3 , 1 7 ) = 0 . 1 1 9 6 2 ( 3 . 1 7 ) = - 1 3 9 . 1 h ( 3 • 1 8 ) = 0 . 1 3 1 2 2 ( 3 . 1 8 ) = - 1 3 1 . 7 h ( 3 . 1 9 » = 0 . 1 4 2 8 2 ( 3 . 1 9 ) = - 9 0 . 6 h( 3 . . 2 3 ) = 0 . 1 5 4 4 2 1 3 , 2 0 ) = - 6 3 . 9 h < 3 , 2 1 ) = 0 . 1 6 5 9 213 . 2 1 ) = - 5 3 . 3 h » 3 . 2 2 ) = 0 . 1 7 7 5 2 ( 3 . 2 2 ) * - 3 3 . 3 h ( 3 . 2 3 ) = 0 . 1 8 9 1 2 ( 3 . 2 3 ) = 6 h ( 3 . 2 4 » = 0 . 2 0 0 7 2 ( 3 . 2 4 ) = 3 3 . 7
»-f'» 7» 3 . 2 5 ) = 5 0 . 5
R O Z K Ł A D N A P R E Z E N U P R Ó B C E NR 3 1 4 0 0 .
z (fftci X ' = 4 7 9 MPa H(2 =mx ) =0ru m Z (ni x n .» = - 1 9 SM P a N » 2 =wn ) = . 0 5 »¡Ki h(2 = 0 ) - . © llrńm h
l
1(2 = 0 ) . 183fi.ni
Rys.1. Komputerowy wydruk obliczeń stanu naprężeń w próbce obrobionej wiązką elektronów o mocy 1440 W
Tablica 1.
Wyniki pomiarów naprężeń własnych i badań zmęczeniowych stali 38HMJ obrobionej wiązką elektronów
Partia próbek Wytr zymałość
zmęczeni owa Naprężenia własne
Oznaczenia Z AZ ■5 6 g
W MPa %
p MPa
mat
MPa mm
P - 523 - 753 -30 0,15
El 1440 716 36,9 - 1 1 -176 0,19
E2 1800 700 33,8 74 -238 0,46
E3 2040 732 40,0 78 -188 0,56
E4 2400 652 24,6 367 -161 0,82
Współczynnik korelacji liniowej z Z
gv
- - 0,98 0,91 0,34
Zamieszczone w tablicy 1 wyniki badań zmęczeniowych wskazuje, że stosując powierzchniową obróbkę elektronową można zwiększyć wytrzymałość zmęczeniową o 25-40%. Z przeprowadzonej analizy korelacji pomiędzy wytrzymałością zmęczeniową a wi alkości ami opisującymi stan naprężeń własnych wynika, że największy wpływ na wytrzymałość zmęczeniową wywierają naprężenia powierzchniowe oraz maksymalne naprężenia ściskające &mm-
Rys. 2. Rozkłady naprężeń własnych w stali 38HMJ obrobionej wiązką elektronów Coznaczenia Jak w tab.ID
4. Wnloski
1. Obróbka wiązką elektronów konstytuuje w warstwie wierzchniej naprężenia ściskające o maksymalnej wartości od -160 do -240 MPa, zalegające do głębokości 0 , 8 mm. W przypadku oddziaływania strumienia elektronów powodującęgP topienie metalu na powierzchni mogą występować znaczne naprężenia rozciągające.
2. Powierzchniowe naprężenia własne ó wywierają największy wpływ na p
wytrzymałość zmęczeniową części obrobionych wiązką elektronów.
LITERATURA
r
Cl] Górecka R . , Polański Z.: Metrologia warstwy wierzchniej. WNT, Warszawa 1983.
C23 Łunarski J. : Porównawcza ocena własności zmęczeniowych w badaniach technologicznych. Technika Lotnicza i Astronautyczna nr 3, 1981.
C33 Łunarski J. , Zielecki W.: Ulepszanie własności warstwy wierzchniej obróbką elektronową. Materiały XV Szkoły Trybologicznej , . N. Pol. Rz.nr 36, Mechanika, z.13j Rzeszów 1987.
C0CT051HME 0CTAT04HMX HAIIP51IEHHH B CTAJIH IIOCJIE 3JlEICTP0HH0JiyHEB0H 06PA50TKH
PeoiDMe
B p aó o T e npencTasjieHw peoyjit>TaTM mccJienoiiaHMM ocTaTOHHWc HanpaseHMR b cTajin 38XMD nocne eneKTpoHHOJiyHesoR oópaóoTKH. B noBepxHOCTHWTM cjioe 4opMMpy»TCfl cxMMaiouiMe HanpnxeHMfi BejiMHMHOH ot 160 no 240 Mila pacnojioxeHU Ha rnyóHHy no 0.8 mm. OÓHapyneHO, hto noBepxHocTHwe o c T a T O H H * HanpaxeHMsi HaMóonee banrbt Ha ycTaxocTHyx> npoiHOCTb ctbjim oópaóoTaewoH oneKTpoKHisBi nOTOKOM.
STATE OF RESIDUAL STRESSES IN STEEL AFTER STRENGTHENING TREATNENT WITH ELECTRON BEAM
Summary
The paper presents results of residual stresses testing, concerning 38HMJ steel, that had been strengthened by electron beam treatment. It has been stated that electron beam treatment resulted in creation of surface tensile stresses Cfrom 80 to 370 MPa!) , as well as residual compressive stresses Cfrom -160 to -240P4MPaD, that occured in subsurface zone down to the depth of 0,8 mm. Fatigue tests have shown that surface stresses have decisive influence on the fatigue limit walue.
