Расчетно-экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния полупространства с покрытием в ходе температурно-силового нагружения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

ИВАННИКОВ Александр Юрьевич

Расчетно-экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния полупространства с покрытием в ходе температурно-силового нагружения

01. 02. 04 - механика деформируемого твердого тела

Автореферат

0034809 Ю

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград -

2 0 0 9

00343132485316

Работа выполнена на кафедре «Сопротивление материалов» Волгоградского государственного технического университета

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

Багмутов Вячеслав Петрович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент,

Богданов Евгений Павлович.

доктор технических наук, доцент, Сидякин Юрий Иванович.

Ведущая организация

Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН.

Защита состоится «26» ноября 2009 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.04 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, Волгоград, проспект Ленина, 28, ауд.209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «_» октября 2009 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Водопьянов В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В механике деформируемого твердого тела существенное место занимают задачи температурно-силовых взаимодействий. Это обусловлено тем, что контакт является одним из основных способов приложения нагрузки к деформируемому телу. Развиваемые в теории контактных задач методы расчета позволяют найти распределение давлений, температур в местах контакта и, таким образом, ответить на многие важные вопросы оценки контактной прочности, жесткости и т.п.

Современные технологии упрочнения материалов характеризуются мощными контактными воздействиями концентрированных потоков энергии (КПЭ) на поверхность обрабатываемого материала. Так, в ходе лазерной или плазменной закалки в локальной области происходит значительный контактный нагрев поверхности, а в ходе электромеханической обработки (ЭМО) данное высокотемпературное воздействие сопровождается контактным давлением за счет воздействия упрочняющего инструмента. Такое комбинированное температурно-силовое воздействие сопровождается изменением структуры и свойств поверхности материалов, что ведет к формированию и развитию уникальных аморфных и наноструктур, причем формируемые таким образом свойства являются прогнозируемыми.

Рассмотрение задач механики контактного взаимодействия применительно к процессам температурно-силовой обработки КПЭ привело к постановке новых контактных задач и поиску их решений для термоконтактных процессов, проходящих в зоне обработки материалов. Данный класс задач является одной из центральных областей исследования контактных задач механики деформируемого твердого тела и непосредственно связан с важными вопросами инженерной практики. Применение методов механики контактного взаимодействия, в свою очередь, также обусловлено и сложностью проведения натурных экспериментов в процессе обработки материалов КПЭ ввиду быстропротекающих высокоэнергетическнх процессов.

В этой связи актуальным становится комплексный подход, заключающийся в экспериментальном исследовании механических свойств формируемых покрытий после ЭМО, а также решении контактных задач по определению напряженно-деформированного состояния (НДС) в полупространстве с покрытием и определении предельных состояний, остаточных напряжений и деформаций, формируемых в ходе интенсивного темпера-турно-силового нагружения.

Цель работы заключается в исследовании напряженно-деформированного состояния двухслойного полупространства в ходе интенсивного температурно-силового нагружения на основе методов механики контактного взаимодействия твердых тел, а также в экспериментальном исследовании свойств образцов с упрочненным поверхностным слоем после импульсной электромеханической обработки.

Г\

В работе решаются следующие задачи:

1. Разработка методики решения контактной задачи термо-упругопластичности о воздействии штампа эллипсоидной формы на полупространство с учетом изменения поверхности контакта.

2. Исследование влияния физических и геометрических параметров ■ поверхностного слоя полупространства на распределение напряженно-деформированного состояния при учете трения в зоне контакта и шероховатости поверхности.

3. Исследование влияние нестационарного температурного поля на распределение полей напряжений и деформаций в двухслойном полупространстве при упругопластическом термо-силовом контактном нагружении.

4. Оценка предельных состояний твердого тела с покрытием в различных условиях темиературно-силового контактного воздействия штампа.

5. Исследование механического поведения и предельных состояний материала в процессе электромеханической обработки, а также изучение особенностей формирования микрорельефа поверхности на основе решения задачи о термо-силовом контактном нагружении.

6. Экспериментальное исследование механических свойств материалов после импульсного электромеханического воздействия.

7. Проведение сопоставительного анализ полученных результатов решения нестационарной температурно-силовой контактной задачи с известными экспериментальными и расчетными данными.

Научная новизна:

1. Получено решение пространственной контактной задачи термо-упругопластичности для двухслойного полупространства в условиях действия эволюционирующих во времени и пространстве температурных и силовых полей с учетом изменяющейся геометрии поверхности полупространства.

2. Исследовано напряженно-деформированное состояние двухслойного полупространства в условиях изменения физических и геометрических параметров поверхностного слоя.

3. Показаны особенности распределения напряжений и перемещений в двухслойном полупространстве в процессе решения упругопластической задачи о термо-силовом контактном нагружении.

4. Рассмотрено формирование предельных состояний в двухслойном полупространстве на основе исследования возникающих остаточных напряжений и деформаций при различных условиях температурно-силового воздействия штампа.

5. Впервые проведено расчетно-экспериментальное исследование механических свойств материала с покрытием в процессе электромеханической обработки и разработаны основы системы управления технологическими процессами ЭМО.

Практическая ценность отражена в следующих аспектах:

1. Разработаны рекомендации к эффективному управлению процессами ЭМО на основе решения температурно-силовой контактной задачи.

2. Разработана методика определения микрорельефа поверхности в процессе ЭМО.

3. Проведена оценка предельных состояний, формируемых в процессе нестационарного температурно-силового контактного нагружения двухслойного полупространства.

4. Исследовано влияние остаточных напряжений и деформаций на свойства поверхностного слоя.

5. Исследованы механические свойства плазменных покрытий после электромеханической обработки.

На защиту выносятся основные положения работы:

1. Методика решения нестационарной контактной задачи термо-упругопластичности при воздействии штампа эллипсоидной формы на двухслойное полупространство с учетом изменения поверхности контакта.

2. Оценка предельных состояний материала в зависимости от его физико-механических свойств и вида контактного нагружения.

3. Алгоритм программы определения остаточных напряжений на основе теоремы о разгрузке с учетом вторичных пластических деформаций.

4. Модель формирования регулярного микрорельефа поверхности материала в ходе воздействия движущегося эллипсоидного штампа и наличия нестационарного температурного поля.

Апробация работы. Материалы диссертации в период с 2003 по 2009 гг. докладывались и обсуждались на 25 конференциях и семинарах, в том числе: на ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета (Волгоград, 2003-2009, ВолгГТУ); всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в •обучении и производстве» (Камышин, 2006, 2008, КТИ); международной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград, 2004, ВолгГТУ); международной конференции «Деформация и разрушение материалов» (Москва, 2006, 2007, ИМЕТ РАН); международной молодежной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2006, 2007, 2009, МГУ); всероссийской молодежной конференции научно техническое творчество молодежи «НТТМ-2008» (Москва, 2008, ВВЦ); международной Интернет-ориентированной конференции молодых учёных и студентов по современным проблемам машиноведения «МИКМУС» (Москва, 2007, 2008, ИМАШ РАН); ХУ1-ой зимней школе по механике сплошной среды (Пермь, 2009, ИМСС УрО РАН); ежемесячном семинаре молодых ученых «МЕСМУС» (Москва, март, сентябрь 2009, ИМАШ РАН); международной молодежной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2009, МАТИ-РГТУ, ИПМех РАН).

Ряд исследований по тематике работы проводились при финансовой поддержке грантов РФФИ № 05-08-1479а, № 06-03-32036, № 08-08-12070-офи и АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» № 2.1.2/1397.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ, из них 7 статей, в том числе 4 по списку из перечня ВАК.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается: корректностью математической постановки задачи; использованием известных математических методов решения задач теории упругости и пластичности; соответствием результатов численных расчетов известным аналитическим решениям частных контактных задач и экспериментальным данным.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. В конце каждой главы приводятся краткие выводы по результатам проведенных в ней исследований. Основные результаты и выводы диссертационной работы сформулированы в заключении. Работа содержит 151 страницу текста, 65 рисунков, 4 таблицы и 1 приложение. Список использованной литературы включает 116 источников.

Автор глубоко признателен своему научному руководителю доктору технических наук профессору Багмутову В. П. и научному консультанту кандидату технических наук, доценту Захарову И. Н. за постоянную поддержку и внимание к работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Дается обоснование актуальности проблемы диссертационного исследования, описана структура работы, приведено её краткое содержание.

Первая глава посвящена обзору литературы по теме диссертации.

Приведены источники с изложением контактной задачи теории упругости и методов её решения, обзор работ по расчету напряжений при тер-мо-контактном воздействии, рассмотрено состояние вопроса по применению известных математических моделей исследования процессов, проходящих в ходе обработки материалов КПЭ. Рассматриваются методы определения механических свойств плазменных покрытий.

На основе проведенного обзора сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава. Исследуется математическая модель решения темпе-ратурно-силовой контактной задачи о воздействии жесткого эллипсоидного штампа на полупространство с поверхностным слоем, а также рассматриваются основные методы и средства исследования, применяемые в работе.

В рамках подхода для определения напряженно-деформированного состояния, возникающего в материале в ходе действия нестационарных

тепловых полей и контактных давлений, используется формулировка задачи термоупругости в перемещениях. Находятся однозначно определённые функции компонент перемещения (и, (V, н>) в некоторой области и на её границах, удовлетворяющие следующим уравнениям (в прямоугольной декартовой системе координат (ПДСК)):

а) в объёме расчётной области - трём уравнениям равновесия в форме Дюгамеля-Неймана:

+ (1.0

1-2/1 дх 1-2 /.I дх

где Л Т- изменение температуры в рассматриваемой точке в течение исследуемого промежутка времени, а, - коэффициент линейного расширения, /л- коэффициент Пуассона;

б) на наружных и внутренних (для двухслойного полупространства) поверхностях - граничным условиям, записанным для перемещений и напряжений;

в) в рассматриваемых задачах полагается, что до нагружения тело находится в ненапряжённом состоянии.

В связи со спецификой рассматриваемых задач основной геометрической формой расчётной области в данной работе является полупространство.

Полупространство в общем случае рассматривается как кусочно-однородное, поскольку в работе исследуются полупространство с поверхностным слоем.

Так, для полупространства (в ПДСК, ось Ог нормальна к наружной . плоскости) с поверхностным слоем, упругие характеристики которого отличаются от характеристик остального материала (например, за счёт упрочнения, нанесения покрытий и т.д.), система граничных условий задается следующим образом:

а) на внешней границе 2=0. Граничные условия, моделирующие контактное нагружение, выражаются через составляющие и, V,

= (х,у), (1.2)

где щ, VI?, н>й,- функции, задающие распределение перемещений на наружной поверхности (функции перемещения будут уточнены далее в методике определения поверхности контакта в ходе воздействия эллипсоидного штампа на поверхность полупространства). Также в зоне контакта необходимо выполнение условия равенства интегральной суммы контактных напряжений а, и нагрузки на штамп Р, заданной по условию:

¿Ь (1.3)

МЬ

б) на бесконечности - условия равенства перемещений и напряжений нулю;

в) на границе контакта р и /7+1-го слоев (с координатой г=Ир) - усло-

вия совместности перемещений и напряжений:

ир ="„+1 >

2=Ир г-Ьр

гр г/»1 * 5 ' ТУ*г и Г>2>"

г=Нр

г=А„

(1.4)

Для численного решения задачи методом конечных разностей (МКР) используется явная конечно-разностная схема.

В таком случае дифференциальные уравнения (1.1) будут аппроксимироваться системой алгебраических уравнений:

1 + 7

-2-й"

К/М1 ~2 -<Л<

-2-й"

Н,7.<Ы

(1.5)

2-К

= 0; (кну)

4-Нх-Иу

+ Г . А^

4Л-Л, ] 1-2К,.» [ '''''

где всем переменным величинам приданы соответствующие конечно-разностные индексы: п - для узлов временной сетки («=0, 1,..., Л',; число шагов по времени); /,_/, А - для узлов пространственной сетки по координатным осям х, у, т. /=1, 2,..., N¡1 у=1, 2,..., Л^; А=1, 2,..., Л^ (ТУ,-, Л^-, Л^ - количество точек конечно-разностной сетки в направлении координатных осей х,у, г соответственно).

Предложена методика решения задачи по определению реальной поверхности контакта при воздействии штампа эллипсоидной формы на свободную поверхность полупространства для задания граничных условий в зоне контакта. Решение ведется на основе метода последовательных приближений для определения неизвестной области контакта. В первом приближении задается смещение некоторых точек полупространства по формулам (1.6) в соответствии с перемещениями точек поверхности вдавливаемого эллипсоидного штампа. Проводится сравнение профиля получаемой в ходе решения поверхности полупространства с профилем жесткого штампа. В случае несоответствия полученных перемещений проводится уточнение граничных контактных условий, и задача решается снова. После того как достигнуто соответствие профилей контактирующих поверхностей в области контакта, рассчитывается равнодействующая Р нормальных напряжений аг в этой зоне. Значение силы V сравнивается с нагрузкой Р0, действующей на штамп по условию. В случае если они отличаются на величину, большую заданной погрешности, перемещение в центре пятна контакта, назначенное в предыдущем приближении, должно быть скорректировано. Для этого из соотношения сил Р и /г0 устанавливается степень изменения перемещения для следующей итерации (рисунок 1).

и,п* = и, ,1 +2п,\-—-—---

,м 2 Л, в:

"м.4, "У-и.*

2А„

Чи

о:

<0Л = 2 • ^"и - <2.» + +

*,чч

^иСш/О-КиКСлиМЛ1 -^Ч1 + АЛг + АЛ5!

(1.6)

1-й« ш

' гак

4>1.у+и + 4-1,/-и ^-[.у+м у/,/>и*1+ ---—.-— ----

К К

где ^ 4 - функция, описывающая профиль поверхности жесткого штампа, О"и - модуль сдвига.

0>

па-тачеине перемещений для иеконор!«и числа точек на конторе штампа по уравнениям сю поверхности

Р«т«>п» ....._.. ;ч л+1

ф-

решение контактной задачи •»еорин упругости и определение расчётного ноля перемещений

Ф-

сопоставление и "исправление" деформированного контура »V, по контуру штампа ч\ дл* (л» I )-го массив точек

Фтт

сравнение расчётного усилия Р в зоне контакта с лвйствигелиным А"., приложенным к штампу;

доррекимя начальных перемещений и-^,,

_ .....................................

)

Рисунок 1 - Функциональная схема определения поверхности контакта

После определения области контакта учитываем трение качения, задавая соответственно касательную нагрузку (г„, г^ в конечно-разностной форме 1.6), а введение нормальной растягивающей силы (ст. в конечно-разностной форме 1.6), заданной но случайному закону под штампом в первом приближении, моделирует шероховатость поверхности.

Излагается методика решения упругопластической задачи на основе метода дополнительных деформаций в теории течения.

Рассматривается способ определения остаточных напряжений на основе теоремы о разгрузке с учетом вторичных пластических деформаций. Особенность данного подхода состоит в том, что напряжения разгрузки определяются из упругопластического решения аналогичной контактной задачи, но для некоторого «фиктивного» тела, диаграмма деформирования которого описывается ветвью разгрузки рассматриваемого материала.

В рассмотрение вводится классификация напряжённых состояний (НС) проф. Багмутова В. П. с использованием двух безразмерных инвариантных характеристик напряженного состояния в форме параметра Лоде-Надаи вида девиатора напряжений

2а2 - ст. - <т, . ч

м<г-—г-!--1<//0<1 (1.7)

сг, -а,

и безразмерного нормированного углового параметра вида тензора напря-• жений, введённого проф. Багмутовым В. П.,

v0=2<pв|пt (] 8)

где (р° = агссФ0!а0), - я ¡2 <<ра < я¡2 при <г0 =0.^=0. г0, сг„ - октаэдрические касательные и нормальные напряжения

г0 =л/(о-, -сг2)2 +[аг-а-ь)2 + (сг3 ~ах)2 ¡Ъа0 =(<т, +а2+аъ)/ 3> ^ ^

Оз - главные напряжения, а\-<уг- (п0 алгебраической величине).

Третья глава. Для проверки достоверности и работоспособности применяемого решения производится сопоставление с известными задачами механики контактного взаимодействия, имеющими аналитическое решение: о равномерной нагрузке, распределенной по кругу (решение Дин-ника Н. А.), о действии круглого жесткого штампа на упругое полупространство (решение Галина Л. А.), задача о давлении эллипсоидного штампа (решение Аргатова И. И.).

Результаты, полученные в ходе численного решения МКР, показывают адекватность предложенного метода и хорошее сопоставление с аналитическим решением в пределах погрешности 3%.

В рамках решения упругой и упругопластической пространственной контактной задачи о давлении эллипсоидного штампа на двухслойное полупространство рассматриваются особенности распределения НДС в зависимости от геометрических и физико-механических свойств поверхностно-

го слоя.

В качестве примера (на рисунке 2 а) показано распределение напряжений под штампом в двухслойном полупространстве. Выявлено, что в сравнении с однородным полупространством происходит перераспределе-. ние главных напряжений по глубине, а на границе наблюдается скачок напряжений. Показана возможность формирования конических трещин под цилиндрическим штампом в двухслойном полупространстве (рисунок 2 б).

На рисунке 3 представлено распределение напряжений в уггругопла-стическом полупространстве. Также выявлено, что в случае более пластичного основания происходит локализация максимума напряжений в более жестком поверхностном слое (рисунок 4).

Рисунок 3 - Распределение максимальных касательных и интенсивностей напряжений при упруго-пластическом решении контактной задачи: а, в -двухслойное полупространство; б, г - однородное полупространство

траектория в однородном и/п

Рисунок 2 - Главные и максимальные касательные напряжения под штампом в двухслойном полупространстве - а; возможная траектория трещины в двухслойном полупространстве - б

Четвертая глава. Рассматривается решение температурно-силовой контактной задачи о воздействии жесткого эллипсоидного штампа на полупространство в условиях изменяющегося во времени и пространстве температурного поля. Решение задачи по определению температурного поля в ходе ЭМО было получено ранее в работе Багмутов В.П., Захаров И.Н.: Исследование тепловых процессов при воздействии на материал потоков энергии //ж. Ф и ХОМ, № 3. 2002, С. 9-17.

Определяется осадка свободной поверхности полупространства в ходе решения температурно-силовой контактной задачи на основе разрабо-

Рисунок 4 - Внедрение жесткого штампа в полупространство с нестационарным температурным полем

Получены картины полей перемещений, напряжений, деформаций и безразмерных параметров напряженного состояния для рассматриваемых процессов воздействия КПЭ на двухслойное полупространство.

Дня более детального изучения предельных состояний, формируемых в ходе нестационарного температурно-силового контактного нагру-жения, и анализа прочности рассмотрено двухслойное полупространство со следующим кусочно-однородным распределением физико-механических свойств: о'о,2=760 МПа, ¡0.1=0,275, Е|= 400 ГПа, а2о,2=380 МПа, ц3=0,275, Е2= 200 ГПа.

В ходе анализа характерных областей, формируемых в рассматриваемом двухслойном полупространстве, выделено 4 зоны (рисунок 5).

1) Первая область формируется на границе задней кромки штампа в области с максимальным температурным полем. В этой зоне параметры НС имеют значения 0,75..0,5 и ..0,75. Согласно рассматриваемой в данной работе классификации напряженное состояние оценивается по степени близости к трехосному растяжению ^„=-1, Отношение интенсивности напряжений к пределу текучести о,/оо,2=1..1,18. Сочетание этих параметров указывает на возможность развития разрушения в данной области.

Рисунок 5 - Продольное сечение двухслойного полупространства

2) Во второй зоне параметры следующие: 0,5..0,75 и

0,25; отношение 0/00,2=0,12..0,26. Здесь формируется два растягивающих и одно сжимающее напряжения, но, поскольку отношение интенсивности напряжений к пределу текучести меньше единицы, возможность трещино-образования в этой области низкая.

3) Третья зона формируется ниже второй области в основном полупространстве рядом с границей слоев с параметрами ¡х„~ -0,75..-0,5 и уа~0..-0,3. Значение данных параметров указывает на одно растягивающее и два сжимающих напряжения, интенсивность напряжений в два раза меньше предела текучести.

4) Четвертая зона образована перед штампом. ца~ 0,5..0,75 и у<г=-0,5.. -0,3 и соответствует двум растягивающим и одному сжимающему напряжениям, интенсивность напряжений соизмерима с пределом текучести.

Для более детального изучения предельных состояний рассчитаны остаточные напряжения (рисунок 6), показано наличие двух характерных зон с растягивающими главными напряжениями. Так, за штампом в области, где температурное поле получило максимальное развитие, выявлена зона с трехосным растяжением. Отношение главных напряжений к пределу текучести больше единицы. Вторая область формируется под штампом над границей двух слоев, в ней действуют два растягивающих остаточных напряжения. Развитие этих областей связано с максимумами переменного

теплового потока, проходящими через контактную область.

Рисунок 6 - Остаточные напряжения в двухслойном полупространстве

Пятая глава. Применительно к электромеханической обработке плазменных покрытий были решены две дополнительные задачи расчетно-экспериментапьного характера: определения механических свойств покрытия после ЭМО и проведение необходимых экспериментальных исследований свойств материалов после ЭМО.

Задача моделирования процессов ЭМО плазменных покрытий решалась в программном продукте «Crater» (автор - к.т.н. Захаров И. И.). Использовались следующие исходные данные: размеры расчётной области -5x5x1 мм; толщина поверхностного слоя (покрытая) - 0,2..0,3 мм; основной материал - сталь 45 нормализованная (Е=200 ГПа; р=0,275; 00,2=380 МПа), поверхностный слой - плазменное покрытие (Е=200..250 ГПа; ¡л=0,22..0,35; о0,2=200..570 МПа); скорость обработки (движения источника) - 5 м/мин; размеры зоны воздействия определялись в ходе расчета по предложенной методике; ток (амплитуда) - 200..600 А, напряжение - 3 В; деформирующее усилие в зоне обработки - 1000 Н, шероховатость Rz=35..40 мкм.

Проведено экспериментальное исследование плазменных покрытий твердых металлов после ЭМО. Показано формирование уникальных нано-' структурных упрочняющих частиц в результате температурно-силового контактного воздействия при обработке. Исследована микротвердость

плазменных покрытий, среднеквадратическое отклонение и коэффициент вариации микротвердости покрытий после обработки ЭМО. В среднем микротвердость увеличивается на 40-50 % по сравнению с исходным состоянием после напыления, а для покрытия (70ИС-РеММо) прирост //р.ер может составлять 60-90 %. При этом абсолютные значения микротвердости покрытий, упрочненных ЭМО, приближаются к твердости частиц напыляемого порошка, а в некоторых случаях превышают ее. Получены результаты сдвиговых исследований уплотненных плазменных покрытий ЭМО и показано, что в результате обработки покрытия формируемого методом плазменного напыления с местной защиты для покрытия N¡200 сдвиговая прочность увеличивается в 3 раза: с 70 МПа до 220 МПа.

Рисунок 7 - Зависимость микротвердости и величины углубления канавки на поверхности покрытия от значения электрического тока при ЭМО

Результатом решения температурно-силовой контактной задачи является определение осадки поверхности покрытия в зоне контакта и ее связь с микротвердостью покрытия. Проведено сопоставление расчетных и экспериментальных данных (рисунок 7). Определено, что с увеличением силы тока происходит повышение глубины осадки поверхности и повышение микротвердости.

В ходе решения пространственной температурно-силовой контактной задачи о внедрении жесткого эллипсоидного штампа в полупространство получено соответствие расчетного профиля поверхности полупространства и экспериментальной профилограммы плазменного покрытия после ЭМО (рисунок 8).

ЭМО и расчетный профиль поверхности

Металлографическое исследование хрупких покрытий после ЭМО показало наличие вертикальных трещин, формирование которых подтверждается направлением и значением расчетных остаточных растягивающих напряжений (рисунок 9). Также на развитие трещин влияет повышение интенсивности остаточных деформаций, что свидетельствует о снижении пластических свойств уплотняемого покрытия.

0^=60 МПа;

£,=0,002.

Рисунок 9 - Направление главных остаточных напряжений и значения эквивалентного напряжения по гипотезе Миролюбова - Боткина, а также интенсивность остаточных деформации по глубине плазменного покрытия после ЭМО

Основные результаты и выводы.

1. Решена пространственная контактная задача о воздействии эллипсоидного штампа на двухслойное полупространство с учетом реальной геометрии контакта, трения и шероховатости.

Показано, что кусочно-однородное распределение упругих свойств . оказывает существенное влияние на вид напряженного состояния в полупространстве и осадку его внешней поверхности. Так, с увеличением модуля упругости поверхностного слоя осадка поверхности уменьшается, а на границе контакта слоев увеличивается скачок напряжений. Происходит перераспределение НДС и локализация его максимума в тонком поверхностном слое.

Получены картины изменения площади зоны контакта при различном сочетании упругих свойств поверхностного слоя в ходе воздействии эллипсоидного штампа на двухслойное полупространство.

2. Показано, что в процессе решения упругопластической гемпера-турно-силовой контактной задачи в сравнении с упругим решением происходит увеличение осадки поверхности.

Получены картины напряженно-деформированного состояния полупространства с поверхностным слоем в условиях температурно-силового контактного нагружения.

Проведено исследование предельных состояний в полупространстве при нестационарном температурно-силовом контактном нагружении. Выявлено формирование зон благоприятных для развития дефектов в материале.

3. Предложенная методика определения поверхности контакта реализована в рамках программного продукта «Crater», предназначенного для моделирования процессов в ходе обработки материалов КГ1Э. Учет реальной поверхности контакта позволяет провести уточнения в ходе расчета температурных полей и НДС.

Результаты моделирования показали качественное соответствие экспериментальной профилограммы и расчетного профиля поверхности материала после ЭМО. Получено качественное соответствие расчетной и экспериментальной зависимости между микротвердостью и значением осадки поверхности плазменного покрытия в зависимости от силы тока при ЭМО.

4. Исследовано поле остаточных деформаций, напряжений и их влияние на механические свойства поверхностного слоя при ЭМО.

5. Показано, что наличие трещин, формируемых в ходе обработки хрупких покрытий, подтверждается значением и ориентацией остаточных напряжений, деформаций.

6. Экспериментально выявлено повышение микротвердости и адгезионной прочности формируемых наноструктурных покрытий.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

Публикации из перечня научных журналов, рекомендованных ВАК:

1. Зависимость микротвёрдости регулярных дискретных структур поверхностного слоя среднеуглеродистой стали от режимов электромеханической обработки / Н.Г. Дудкина, И.Н. Захаров, B.C. Ермолов, АЛО. Иван-ников // Проблемы машиностроения и надёжности машин. - 2006. -№5. - С. 62-68.

2. Исследование структуры и свойств наноматериалов, полученных комбинированной обработкой / В.П. Багмутов, В.И. Калита, И.Н. Захаров,

A.Ю. Иванников, Е.Б. Захарова // Известия Волгоградского гос. техн. унта. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 2: межвуз. сб. науч. ст. / отв. ред. Ю. П. Трыков; ВолгГ-ТУ. - Волгоград, 2008. - № 10. - С. 102-106.

3. Компьютерное моделирование тепловых процессов при электромеханическом упрочнении плазменных покрытий / В.П. Багмутов, И.Н. Захаров, А.Ю. Иванников, Е.В. Поплавский // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2007. - Т. 3, № 8. - С. 135-140.

4. Упрочнение плазменных покрытий электромеханической обработкой / В.И. Калита, В.П. Багмутов, И.Н. Захаров, Д.И. Комлев, А.Ю. Иванников // Физика и химия обработки материалов. - 2008. - № 1. - С. 38-42.

Публикации в сборниках трудов международных конференций:

5. Математическое моделирование процессов формирования структуры и свойств материалов в высокоэнергетических технологических системах /

B.П. Багмутов, И.Н. Захаров, А.Ю. Иванников, Е.Б. Захарова // XVI Петербургские чтения по проблемам прочности, посвящ. 75-летию со дня рожд. В.А.Лихачева, С.-Пб., 14-16 марта 2006 г.: сб. тез. / ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН и др. - СПб., 2006. - С. 211.

6. Моделирование структуры и напряженно - деформированного состояния многослойных образцов при электромеханической обработке / В.П. Багмутов, И.Н. Захаров, А.Ю. Иванников, Е.Б. Захарова // Деформация и разрушение материалов = Deformation & Fracture of Materials (DFM2006): сб. ст. но матер. Первой Междунар. конф. / Ин-т металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН и др. - М_, 2006. - Т.2. - С. 803-804.

7. Иванников, А.Ю. Решение задачи о внедрении эллипсоидного штампа в неоднородное полупространство при нестационарном термосиловом воздействии [Электронный ресурс] / А.Ю. Иванников // Механика сплошных сред как основа современных технологий (XVI Зимняя школа по механике сплошных сред): труды, г. Пермь, 24-27 февр. 2009 г. / Ин-т механики сплошных сред УрО РАН [и др.]. - Пермь, 2009. - CD-ROM. - С. [1-4]. Акт внедрения в учебный процесс результатов диссертационной работы Иванникова А. Ю. при чтении дисциплин на кафедре «Сопротивление материалов» Волгоградского государственного технического университета.

Подписано в печать 22. 09.2009 г. Заказ №££/ . Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400131, г. Волгоград, ул. Советская, 35

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ В РЕЗУЛЬТАТЕ КОНТАКТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ.

1.1 Задачи механики контактного взаимодействия.

1.2 Тепловые процессы при упрочнении КПЭ.

1.3 Температурно-силовые контактные задачи.

1.4 Методы исследования механических свойств плазменных покрытий.

1.5 Цель и задачи исследования.

2. ПОСТАНОВКА И ПРОЦЕДУРА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НДС В ДВУХСЛОЙНОМ ПОЛУПРОСТРАНСТВЕ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ ТЕМПЕРАТУРНО-СИЛОВОМ КОНТАКТНОМ НАГРУЖЕНИИ.

2.1 Методы и средства исследования.

2.2 Основные уравнения и постановка задачи.

2.2.1 Процедура численного решения.

2.3 Численная процедура определения области контакта для тел несогласованной формы.

2.4 Расчёт НДС в кусочно-однородных телах с учётом деформаций пластичности при сложном температурно-силовом нагружении.

2.5 Классификация и анализ напряжённых состояний с использованием безразмерных инвариантных параметров вида тензора и девиатора напряжений.

3. Решение контактных задач для неоднородных твердых тел.

3.1 Сравнительный анализ решения контактных задач на основе МКР с известными решениями.

3.2 Картина изменения напряженного состояния под штампом в упругом полупространстве.

3.3 Контактные задачи для кусочно-однородных твердых тел.

3.4 Упругопластическое решение контактной задачи для неоднородных твердых тел.

4. НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТЕМПЕРАТУРНО-СИЛОВАЯ КОНТАКТНАЯ ЗАДАЧА О ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЛИПСОИДНОГО ШТАМПА НА НЕОДНОРОДНОЕ ПОЛУПРОСТРАНСТВО.

4.1 Решение нестационарной температуно-силовой контактной задачи о воздействии эллипсоидного штампа на полупространство.

4.2 Решение нестационарной упругопластической температурно-силовой контактной задачи.

4.3 Анализ предельных состояний в полупространстве при нестационарном температурно-силовом контактном нагружении.

4.3 Расчет остаточных напряжений в ходе решения нестационарной термоконтактной задачи.

5. РАСЧЕШО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ПОСЛЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.

5.1 Комбинированная обработка плазменных покрытий.

5.2 Анализ микрорельефа покрытия после обработки ЭМО.

5.3 Исследование свойств плазменных покрытий после ЭМО.

5.4 Моделирование механических свойств покрытий после обработки ЭМО

В механике деформируемого твердого тела существенное место занимают задачи температурно-контактных взаимодействий. Это обусловлено тем, что контакт является одним из основных способов приложения нагрузки к деформируемому телу. Развиваемые в теории контактных задач методы расчета позволяют найти распределение давлений, температур в местах контакта [1-3] и, таким образом, ответить на многие важные вопросы оценки контактной прочности, жесткости и т.п.

Современные технологии упрочнения материалов характеризуются мощными контактными воздействиями концентрированных потоков энергии (КПЭ) на поверхность обрабатываемого материала [4, 5, 6]. Так, в ходе лазерной, плазменной закалки в локальной области происходит значительный контактный нагрев поверхности, а в ходе электромеханической обработки данное высокотемпературное воздействие сопровождается контактным давлением за счет воздействия упрочняющего инструмента. Такое комбинированное воздействие вызывает изменение структуры и свойств поверхности материалов, что приводит к формированию уникальных аморфных и наноструктур, причем формируемые таким образом свойства являются планируемыми [6, 7].

Рассмотрение задач механики контактного взаимодействия применительно к процессам температурно-силовой контактной обработки КПЭ привело к постановке смешанных задач и поиску их решений для термоконтактных процессов, проходящих в зоне обработки материалов. Данный класс задач является одной из центральных областей исследования контактных задач механики деформируемого твердого тела и непосредственно связан с важными вопросами инженерной практики. Применение методов механики контактного взаимодействия, в свою очередь, также обусловлено и сложностью проведения натурных экспериментов в процессе обработки материалов КПЭ в виду быстропротекающих высокоэнергетических процессов.

Поэтому актуальным становится комплексный подход, заключающийся в экспериментальном исследовании механических свойств формируемых покрытий после электромеханической обработки (ЭМО), решении контактных задач по определению напряженно-деформированного состояния (НДС) в полупространстве с покрытием и определению остаточных напряжений и деформаций, формируемых в ходе температурно-силового нагруже-ния и влияющих на развитие дефектов.

Также обратим внимание на то, что импульсное высокоэнергетическое температурно-силовое воздействие на поверхность твердого тела сопровождается сложными физико-механическими процессами. В поверхностном слое происходят одновременно структурные изменения, фазовые превращения и химические реакции. Это значительно затрудняет математическое моделирование таких процессов, в которых помимо рассмотрения эволюции температурных полей необходимо учитывать возникновение контактных давлений и другие сложные процессы.

Сложность процессов, проходящих в ходе воздействия КПЭ, требует для своего моделирования привлечения широкого спектра научных подходов. На наш взгляд, практическое решение указанной проблемы на современном этапе развития науки возможно на основе создания комплекса взаимосвязанных моделей расчетно-экспериментального характера.

Реализация такого комплексного подхода в этой работе осуществляется в несколько этапов, что позволяет упростить решение рассматриваемых задач.

1-му этапу соответствует математическая модель контактного воздействия штампа эллипсоидной формы на полупространство с поверхностным слоем.

2-му этапу соответствует математическая модель нестационарной контактной задачи термо-упругопластичности для неоднородных твердых тел при интенсивных температурно-силовых воздействиях, изменяющихся в пространстве и во времени.

3-й этап связан с формированием математической модели напряженно-деформированного состояния кусочно-однородного двухслойного полупространства при температурно-силовом контактном нагружении. На основе теоремы о разгрузке с учетом вторичных пластических деформаций определяются остаточные напряжения в любой точке твердого тела. Моделирование производится с учетом реальной формы поверхности контакта и распределением по объему материала температурного поля, полученного на предыдущих этапах решения задачи.

4-й этап соответствует экспериментальному исследованию свойств плазменных покрытий после электромеханической обработки, а также сопоставлению результатов расчета о воздействии эллипсоидного штампа на двухслойное полупространство в условиях наличия нестационарного температурного поля с полученными экспериментальными данными.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. В конце каждой главы приводятся краткие выводы по результатам проведенных в ней исследований. Основные результаты и выводы диссертационной работы сформулированы в заключении. Работа содержит 151 страницу текста, 65 рисунков, 4 таблицы и 1 приложение. Список использованной литературы включает 116 источников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные научные результаты, полеченные в работе.

1. Решена пространственная контактная задача о воздействии эллипсоидного штампа на двухслойное полупространство с учетом реальной геометрии контакта, трения и шероховатости.

Показано, что кусочно-однородное распределение упругих свойств оказывает существенное влияние на вид напряженного состояния в полупространстве и осадку его внешней поверхности. Так, с увеличением модуля упругости поверхностного слоя осадка поверхности уменьшается, а на границе контакта слоев увеличивается скачок напряжений. Происходит перераспределение НДС и локализация его максимума в тонком поверхностном слое.

Получены картины изменения площади зоны контакта при различном сочетании упругих свойств поверхностного слоя в ходе воздействии эллипсоидного штампа на двухслойное полупространство.

2. Показано, что в процессе решения упругопластической темпера-турно-силовой контактной задачи в сравнении с упругим решением происходит увеличение осадки поверхности.

Получены картины напряженно-деформированного состояния полупространства с поверхностным слоем в условиях температурно-силового контактного нагружения.

Проведено исследование предельных состояний в полупространстве при нестационарном температурно-силовом контактном нагружении. Выявлено формирование зон благоприятных для развития дефектов в материале.

Найдено качественное соответствие расчетной и экспериментальной зависимости между микротвердостью и значением осадки поверхности плазменного покрытия в зависимости от силы тока при ЭМО.

3. Предложенная методика определения поверхности контакта реализована в рамках программного продукта «Crater», предназначенного для моделирования процессов в ходе обработки материалов КПЭ. Учет реальной поверхности контакта позволяет провести уточнения в ходе расчета температурных полей и НДС.

Результаты моделирования показали качественное соответствие экспериментальной профилограммы и расчетного профиля поверхности материала после ЭМО.

4. Исследовано поле остаточных деформаций, напряжений и их влияние на механические свойства поверхностного слоя при ЭМО. Определено увеличение остаточной деформации и микротвердости покрытия в зависимости от основных режимов ЭМО, что отражается также в повышении прочности и снижении пластичности плазменных покрытий.

Показано, что наличие трещин, формируемых в ходе обработки хрупких покрытий, подтверждается значением и ориентацией остаточных напряжений, деформаций.

5. Экспериментально выявлено повышение микротвердости и адгезионной прочности формируемых наноструктурных покрытий.

6. Показано влияние режимов обработки на уплотнение покрытий. Выявлены следующие зависимости: с увеличением силы тока повышается осадка поверхности покрытия, оно становится плотнее. Максимальное уплотнение покрытия проявляется на минимальных скоростях ЭМО.

Необходимо отметить, что предпринятая попытка, описания процесса электромеханической обработки плазменных покрытий порошков твердых металлов, на основе решения задачи о нестационарном температурно-силовом контактном нагружении двухслойного полупространства естественно не может описать весь процесс. Поэтому важным становится учет структуры, пористости покрытия и других немаловажных факторов рассмотрение, которых позволит более точно учесть все особенности влияющие на ЭМО плазменных покрытий. В данном исследовании сделана первая попытка учета температурного и силового воздействия, и уже на данном этапе моделирования получены хорошие результаты сопоставимые с экспериментальными данными.

В заключении, автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю и глубокую благодарность своим научным руководителям: доктору технических наук профессору Багмутову Вячеславу Петровичу и кандидату технических наук Захарову Игорю Николаевичу за постоянное внимание, содействие и помощь, оказанные на всех этапах работы; а также коллективу кафедры «Сопротивление материалов» Волгоградского государственного технического университета за предоставленные, и столь ценные в период выполнения диссертации, материалы и консультации.

1. Контактные задачи теории упругости для неоднородных сред / С. М. Айзикович и др.. М. : Физматлит, 2006. - 237 с.

2. Alexandrov, V. М. Three-Dimensional Contact Problems / V. М. Alexandrov, D. A. Pozharskii. Kluwer : Academic Publishers, 2001. - 406 p.

3. Галин, Л. А. Контактные задачи теории упругости и вязкоупругости / Л. А. Галин. М. : Наука, 1980. - 303 с.

4. Рыкалин, Н. Н. Воздействие концентрированных потоков энергии (КПЭ) на материалы. Проблемы и перспективы / Н. Н. Рыкалин, А. А. Углов // Физика и химия обработки материалов. — 1983. № 5. - С. 3-18.

5. Методы и средства упрочнения поверхностей деталей машин концентрированными потоками энергии / А. П. Семенов и др.. — М. : Наука, 1992. — 404 с.

6. Упрочнение плазменных покрытий электромеханической обработкой / В. И. Калита, В. П. Багмутов, И. Н. Захаров, Д. И. Комлев, А. Ю. Иванников // Физика и химия обработки материалов. 2008. — № 1. — С. 38-42.

7. Аскинази, Б. М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой / Б. М. Аскинази. — М. : Машиностроение, 1989. 200 с.

8. Электромеханическая обработка: технологические и физические основы, свойства, реализация : монография / В. П. Багмутов, С. Н. Паршев, Н. Г. Дудкина, И. Н. Захаров. Новосибирск : Наука, 2003. - 318 с.

9. Hertz, Н. "Uber die Ber'uhrung fester elastischer K'orper (On contactproblem of elastic solids) / H. Hertz // J. Reine Angew. Math. 1881. - № 92. - P. 156-171.

10. Hertz, H. Gesammelte Werke. Bd. I / H. Hertz. Leipzig, 1895. -296 p.

11. Boussinesque, J. Applications des potentiels 'a l'tude de l'quilibre et d. mouvement des solides elastiques / J. Boussinesque. — Paris : Gauthier-Villars, 1885.-772 p.

12. Мусхелишвили, H. И. Некоторые основные задачи математической теории упругости / Н. И. Мусхелишвили. М.; JI. : Изд-во АН СССР, 1933.-707 с.

13. Мусхелишвили, Н. И. Сингулярные интегральные уравнения / Н. И. Мусхелишвили. — М.; JI. : Гостехиздат, 1946. — 448 с.

14. Liapounoff, A. Sur les figures d"equilibre. Pt. 3 / A. Liapounoff. — St.-P'etersbourg, 1912.-625 p.

15. Штаерман, И. Я. Контактная задача теории упругости / И. Я. Штаерман. М.; JI. : Гостехиздат, 1949. — 270 с.

16. Развитие контактных задач в СССР / под ред. JI. А. Галина. — М. : Наука, 1976.-493 с.

17. Контактные задачи и их инженерные приложения. М. : НИИ-МАШ, 1969. - 570 с.

18. Концентрация напряжений. Киев : Наукова думка, 1971. — 232 с.

19. Механика в СССР за 30 лет (1917-1947). М.; Л. : Гостехиздат, 1950.-416 с.

20. Механика в СССР за 50 лет. В 4 т. Т. 1-4. М. : Наука, 1972.

21. Арутюнян, Н. X. Некоторые вопросы теории ползучести / Н. X. Арутюнян. — М.; JI. : Гостехиздат, 1952. 323 с.

22. Ворович, И. И. Неклассические смешанные задачи теории упругости / И. И. Ворович, В. М. Александров, В. А. Бабешко. М. : Наука, 1974. - 456 с.

23. Гахов, Ф. Д. Краевые задачи / Ф. Д. Гахов. — М. : Физматгиз,л