способ предварительного нагружения конструкционного материала

Формула изобретения

СПОСОБ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАГРУЖЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, по которому деформируют материал выше предела текучести для обеспечения заданных свойств материала, отличающийся тем, что заготовки из конструкционного материала стабилизируют до полного удаления внутренних пластических напряжений, контролируя стабилизацию по частоте собственных колебаний конструкционного материала, из заготовок посредством резания в чистовом режиме, обеспечивающем взаимную компенсацию дефектов структуры поверхностного слоя от силового и теплового воздействия, изготавливают два образца, определяют пределы текучести в нормальных условиях при растяжении и сжатии для каждого образца соответственно, определяют величину и знак упругих внутренних напряжений в материале образцов, подвергают их растяжению, температурному воздействию и легированию для увеличения межатомного расстояния и создания в материале заданной величины однородных внутренних напряжений сжатия с учетом упругих внутренних напряжений в материале или подвергают образцы сжатию, температурному воздействию и легированию для уменьшения межатомного расстояния и создания однородных внутренних напряжений растяжением с учетом упругих внутренних напряжений в материале, повторно стабилизируют образцы и изготавливают из них новые без изменения поверхностного слоя, определяют на этих образцах величину и знак внутренних напряжений, имеющихся в материале при отсутствии внешних нагрузок, и учитывают их при дальнейшем использовании материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к созданию технологичных конструкций машин и приборов. Это касается в первую очередь достоверного определения и закономерного изменения свойств материала в широких пределах, например, предела текучести, а также экономии материала. Оно может найти применение в различных областях техники, например при разработке термобиметаллов.

Известно, что внутренние избыточные кулоновские силы притяжения и силы отталкивания электронных оболочек нарушают равновесие микрочастиц (атомов) относительно состояния с минимальной потенциальной энеpгией тела [1] а реакции их создают внутренние напряжения (ВН), т.е. предварительное напряжение в материале при отсутствии внешних воздействий. До настоящего времени известно, что избыточные силы образуются в процессе производства материала (например, изменением скорости кристаллизации, горячей и холодной деформации), обработки деталей, легирования и воздействия температуры.

Основным недостатком этих способов является большое рассеивание избыточных сил и ВН, вызванное неоднородностью свойств по объему реальных конструкционных материалов.

Известен также способ предварительного нагружения изделий, который принят в качестве прототипа [3] Сущность его состоит в том, что предел упругости при сжатии тела, ранее деформированного растяжением, оказывается ниже, чем тела без предварительного растяжения, при котором образуются ВН сжатия.

Аналогично предел упругости при растяжении тела, ранее деформированного растяжением, оказывается выше, чем тела без предварительного растяжения. Это эффект Баушингера.

Недостатком этого способа является неоднородность свойств материала и собственно ВН, что затрудняет их регулирование.

Целью изобретения является повышение точности и увеличение области регулирования от нуля до величины предела текучести как сжимающих, так и растягивающих ВН, которые изменяют физические свойства изделия.

Это достигается тем, что стабилизируют заготовки исходного материала до полного удаления в нем пластических релаксируемых ВН, контролируют стабильность их по линейности системы, т.е. пропорциональности и отклика на детерминированное воздействие, изготовляют два образца обработкой резанием в чистовом режиме, обеспечивающем взаимную компенсацию дефектов структуры поверхностного слоя от силового и теплового воздействий, измеряют в нормальных условиях пределы текучести материала при растяжении и сжатии, определяют в исходном материале величину и знак упругих ВН, затем воздействуют на полученную заготовку материала растяжением, температурой и легированием для увеличения межатомного расстояния и создания в ней заданной величины ВН сжатия с учетом упругих ВН в исходном материале, соответственно воздействуют сжатием, температурой и легированием для уменьшения межатомного расстояния и создания ВН растяжения, повторно стабилизируют заготовки материала, определяют величину и знак ВН, которые предварительно нагружают данный материал и изделие при отсутствии внешних нагрузок.

Временную стабилизацию параметров материала осуществляют путем удаления пластических ВН. Для этого используют отжиг. Режим определяется опытным путем.

Берут несколько одинаковых заготовок и измеряют на каждой контролируемый параметр, например, частоту продольных собственных колебаний. Затем отжигают каждую заготовку при постоянном времени выдержки, например 2 ч, и переменной температуре нагрева. Повторно измеряют воспроизводимую частоту продольных собственных колебаний заготовок при комнатной температуре. Вычисляют приращение частоты для каждой заготовки (образца) и строят зависимость приращения частоты от температуры нагрева. Определяют максимальное приращение частоты при минимальной температуре, которое характеризует искомые параметры режима стабилизирующего отжига. При этом пластические ВН в теле удаляются полностью, т.е. получают линейную систему, стабильность размеров и физических свойств такого материала сохраняются 20-30 лет и выше.

Обработка резанием сопровождается образованием дефектов структуры поверхностного слоя и соответственно ВН. Опыт показывает, что силовое и тепловое воздействие можно взаимно скомпенсировать, т.е. удалить измененный поверхностный слой и ВН, которые вызывают большое рассеивание свойств материала, а также изменение их во времени в результате релаксации пластических ВН.

Режим такой чистовой обработки определяют экспериментальным путем, например, по прекращению или максимальному ограничению приращения частоты продольных собственных колебаний стержня

f (1) где l длина стержня; Е модуль упругости; - плотность материала.

На фиг.1 изображены деформационные характеристики (ДХ) получения предварительно напряженного материала с ВН сжатия _вн.с.; на фиг.2 соответственно с ВН растяжения _вн.р.

Здесь начало координат О характеризует материал при внешней нагрузке () и деформации () равным нулю.

Начало координат О₁ характеризует материал с внешней нагрузкой (), равной нулю и деформацией _вн., вызванной ВН, т.е. они смещают начало координат по оси абсцисс ^о_вн.с., ^о_вн.р. ВН сжатия и растяжения, которые были в теле в исходном состоянии. Фиг. 1 и 2 в контролируемом материале удалены пластические ВН, т.е. тело представляет линейную систему и определено смещение начала координат, вызванное ВН.

На фиг. 3 изображена зависимость реакции результирующей избыточной силы между соседними частицами (атомами) твердого тела. Она подтверждается опытным путем по зависимости теплоемкости, ТКЛР от температуры в соответствии с [1] стр. 20. В этом случае можно использовать принцип суперпозиции при суммировании нагрузки на тело.

На фиг.4 изображена связь величины предварительных напряжений от деформации тела. Наибольший интерес представляют отрицательные остаточные деформации (а). Физический смысл их, а также описания в литературе, например [4] фиг.18-21, заключаются в том, что в контролируемом материале имеется большие растягивающие ВН, вызванные внутренней реакцией Rр фиг.4 (с). Когда к изготовленному из него образцу прикладывают возрастающие от нуля внешнее растягивающее напряжение, которое вызывает внутренние реакции сжатия Rс фиг.4 (д), то на основе принципа суперпозиции они суммируются. В первый момент больше растягивающая реакция R_р и вызванные ее ВН. Они вызывают растяжение ячейки и тела фиг.3 (с). По мере увеличения внешнего напряжения и соответственно реакции сжатия Рс они выравниваются F_р F_с. При этом ДХ в однородном теле изменяет знак деформации минус на плюс в одной точке (m). В неоднородном теле по упругости вместо точки получают плавный переход, что свидетельствует, что уравновешивание реакций происходит неодновременно.

"То, что гистерезис сильно зависит от скорости нагрева или охлаждения при наличии легирующих элементов имеет особо важное значение для технологии термической обработки" [5] стр.20, иными словами для создания предварительно напряженного материала. Причем изменение свойств стали зависит от температуры превращения и от атомов легирующего элемента, которые сами вызывают деформацию решетки.

Изменение свойств холодно деформируемого металла зависит от температуры и времени, обусловленного протеканием диффузионных процессов. Отсюда вытекает давно установленное ускорение процессов при повышении температуры до 400^оС для черных металлов и сплавов.

Увеличение удельного объема служит мерой возникающих в материале дефектов и образования ВН сжатия, соответственно уменьшение удельного объема ВН растяжения. Причем увеличение объема при закалке на 1% и уровень достигаемой твердости совпадает с тем, который получается в холоднотянутой проволоке из мягкого железа при увеличении объема примерно на 1% Оба эти вида упрочения рассматриваются во взаимодействии, хотя их природа различна [5] стр.201. Влияние легирующих элементов на свойства материалов весьма многообразны. Османд обнаружил, что существует глубокая связь между сплавами железа и атомными объемами лигирующих элементов. Вефер установил эту связь с учетом зависимости между радиусом атома и его местоположением в периодической системе стр.389.

П р и м е р. Использован прокат стали 20Х13, отожженной при 550^оС; t 170 мин, V_охл. 120^оС до Т 400^оС для удаления пластических ВН. Изготовлены два простейших образца. Первый для испытания на растяжение N 17К ГОСТ 1497-73, второй на сжатие 16/16 мм. Для удаления измененного поверхностного слоя оба образца проточены при чистовой обработке V 46 м/мин; t 0,125 мм/см; S 0,09 мм/об резцом из сплава Т15К6 без охлаждения.

На них измерены пределы текучести растяжения mр_У и сжатия mс_У. Индекс (У) обозначает упругие, т.е. после удаления пластических релаксируемых ВН.

mр_У 51,8 кгс/мм²;

mс_У 48,2 кгс/мм².

Определение упругих ВН в исходном материале

вн_У (mр_У + mc_У) (51,8 48,2) 3,6 кгс/мм²

Деформируем образцы растяжением в пластической области для создания ВН сжатия и стабилизируем их. Определяем предел текучести

^lmр_У= 56,4 кгс/мм²

mc_У 43,7 кгс/мм²

Упругие ВН в стали

^lвн_У (56,4 43,7) 12,7 кгс/мм²

Полученные ВН (12,7 3,6) 9,1 кгс/мм²

Использование предлагаемого способа имеет следующие преимущества с известными.

1. Повышение несущей способности конструкций, экономия материала за счет эффективного использования сжимающих и растягивающих ВН.

2. Линейность системы детали, стабильность параметров в течение 20-30 лет, ликвидация непредсказуемых событий достигнуто путем использования упругих ВН и полного удаления пластических ВН.

3. Использован фундаментальный критерий равновесия микрочастиц, который позволяет учесть природу, строение и дефекты твердого тела, т.е. обеспечивает достоверность свойств конструкционных материалов.

На данном этапе необходимо воздержаться от опубликования материалов в открытой печати.