Технические науки/1. Механика

Жигуц Ю.Ю.¹, Лазар В.Ф.², Чулевич М.М.¹

¹ДВНЗ «Ужгородський національний університет», Україна

²Мукачівський державний університет, Україна

ВСТАНОВЛЕННЯ ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ У ТЕРМІТНІЙ СТАЛІ 40Л ЗА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИМ МЕТОДОМ ЗАКСА

При використанні термітних матеріалів значну роль відіграють залишкові напруження, що пов’язано із значним градієнтом температур синтезу сплаву, високими швидкостями охолодження, інтенсивною швидкістю проходження фронту горіння у металотермічній шихті та ін. Це в свою чергу може викликати залишкові напруження, які в матеріалах синтезованих термітними методами до цих пір не досліджувалися.

Серед існуючих експериментальних методів встановлення залишкових напружень найбільшого розповсюдження знайшли метод Н.В.Калакутського для деталей типу диск, метод Н.Н.Давиденкова для деталей типу кільце і призматичний брусок, метод Л.А.Глікмана і Д.І.Грегона для брусків двотаврового перерізу, метод Д.М.Шура, тобто силовий метод визначення залишкових напружень, для якого не потрібні заміри деформації деталей на основі наближених залежностей між напруженнями і деформаціями, але, його можна застосовувати тільки для деталей правильної геометричної форми, метод Гуннерта, який вимагає висвердлювань конічних отворів, фрезерування кільцевих канавок і високоточних замірів деформацій, що надзвичайно ускладнює вимірювання, та метод Закса для деталей типу суцільний і пустотілий циліндр [1, 2].

У зв’язку з тим, що величини залишкових напружень для термітних сплавів залишаються майже недослідженою областю при виготовленні циліндричних деталей, виникла потреба їх оцінки та встановлення впливу цих напружень на міцність синтезованого сплаву.

Методика дослідження. Циліндрична деталь, в якій встановлюється розподіл залишкових напружень, піддають послідовному обточуванню. При цьому товщина обробленого шару однакова протягом всієї обробки [2].

Після зняття кожного шару термітної сталі точно вимірюють діаметр і висоту циліндричної деталі.

Напруження визначаються за формулами (1)-(3) [2]:

(1)

(2)

(3)

де σ_l, σ_t, σ_r – осьові, тангенціальні, радіальні залишкові напруження, МПа; Е – модуль пружності, МПа; μ – коефіцієнт Пуассона; F – площа перерізу, що відповідає внутрішньому діаметру циліндра і яка змінюється при обточуванні, м²; F_з, F_в – площа перерізу, що відповідає зовнішньому і внутрішньому діаметру циліндра, мм; λ – відносна зміна висоти циліндра, мм/мм; v, v' – відносна зміна зовнішнього і внутрішнього діаметрів циліндра, мм/мм.

Металотермічний синтез проводився для деталі наближеної до циліндричної форми з сталі 45Л у сталевому металотермічному реакторі об’ємом 31,5·10³ мм³, футерованому магнезитовою футерівкою. Розрахунок шихти для отримання термітної сталі 45Л виконувався за методикою запропонованою в роботі [3, 4]. В результаті процесу горіння у металотермічному реакторі формувався зливок. Після очистки зливка від шлаку і зважування за запропонованою вище методикою встановлено вихідні дані для розрахунку. Маса циліндричного зливка складала 2412 г, діаметр обточуваної частини – 20 мм.

Вихідні дані при розрахунку експериментальним методом Закса внутрішніх напружень у термітній сталі 40Л (границя пропорційності випробуваного матеріалу складала 450 МПа, умовна границя текучості – 440 МПа, тимчасовий опір – 750 МПа): Е=2,1×10⁵ МПа, μ=0,26, F= 314,00 мм², F_з=310,87 мм, F_в=307,75 мм; λ=0,01 мм/мм; v=0,02 мм/мм, v'=0,01 мм/мм.

Обсяг випробувань повинен забезпечити у межах необхідної точності оцінку механічних властивостей. З урахуванням заданого ступеня точності, надійність оцінки середнього значення характеристики у випадку малих значень α і β, число зразків знаходиться за формулою [5]:

n_α=∙()², (4)

де γ – коефіцієнт варіації величини Χ; – гранична відносна похибка (допуск при визначенні середнього значення); – імовірність похибки 1-го роду; – імовірність похибки 2-го роду; – квантіль нормованого нормального розподілу (випадкова величина, що відповідає заданому рівню імовірності). Значення похибки вибирають в границях =0,01–0,05; величини =0,05–0,1; =0,05–0,1; коефіцієнт варіації γ=0,03. Прийняли γ=0,03; =0,03; =0,05; =0,1. Згідно з табл. 2.1 [5] ==1,96; ==1,28.

Так визначається необхідне мінімальне число зразків для оцінки характеристики властивостей термітних матеріалів:

n_α=∙(1,96+1,28)²=10,50;

Приймаємо n_α=11 зразків.

Оцінку механічних зразків виконують після визначення середніх значень властивостей даного матеріалу і обґрунтування гарантованих мінімальних значень характеристики механічних властивостей.

Ймовірність гарантується в 100р=(1-) процентах випадків збереження умови .

Для j=0,9, =1,28, α=0,1, p=1-α=0,9, =1,28:

.

При проведенні експериментальних робіт отримано результати з визначення осьових =1,81 МПа, тангенціальних =4,74 МПа та радіальних =7,45 МПа залишкових напружень.

Висновок. Таким чином, встановлено за допомогою метода Закса, що при формуванні зливка з термітної сталі 45Л виникають залишкові напруження, які суттєво впливають на міцність матеріалу і конструктивну міцність деталі. При цьому для деталей циліндричної форми осьові залишкові напруження найменші за величиною, тангенціальні залишкові напруження в 2,6 рази більші за осьові, а радіальні більші в 4,1 рази.

Література:

1. Аргирис Дж. Современные методы расчета сложных статически неопределимых систем/ Аргирис Дж. ― Л.: ― Судпромгид, ― 1961. ― 200 с.

2. Закс М.Н. Влияние условий закрепления тонкостенного стержня открытого профиля на его напряженности деформированное состояние/ Закс М.Н., Захаров А.А., Белокуров В.Н.// Автомобильная промышленность. ― 1979. ― №3. ― С. 26-28.

3. Жигуц Ю.Ю. Сплави, синтезовані металотермією і СВС-процесами (монографія)/ Жигуц Ю.Ю. ― Ужгород: Ґражда, ― 2008. ― 276 с.

4. Жигуц Ю. Методика розрахунку складу екзотермічних шихт на основі термохімічного аналізу/ Жигуц Ю., Широков В.//Машинознавство. ― Львів. ― 2005. ― №4. ― С. 48-50.

5. Колкер Я.Д. Математический анализ точности механической обработки деталей/ Колкер Я.Д. ― К.: Техніка, ― 1976. ― 200 с.